- 科目
- 材料力学
- 章
- はりの曲げ
- 図番
- 08 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ重さでも、H形なら応力は約4分の1断面係数(形の効率)
壊れにくさを決める「形」の量 Z。同じ重さなら、H形は正方形より縁の応力が約4.3分の1。たわみにくさ I との使い分けと、長方形・丸棒・管・H形の比べ方。

このページの内容
この単元のポイント
- 定規を立てると、曲がりにくさ は寝かせたときの225倍。でも、折れにくさ は15倍。曲がりにくさと折れにくさは、別の量。
- 折れるのは、いちばん外側の縁から。曲げ応力の式 で と置くと、縁の応力は になる。 が断面係数。
- 同じ断面積(同じ重さ)なら、H形の は正方形の約4.3倍。縁の応力は約4.3分の1。
定規は、立てると何倍折れにくい?
断面二次モーメント の単元で、プラスチックの定規(幅 30 mm、厚さ 2 mm)を比べました。立てると、寝かせたときの225倍曲がりにくくなりました。
今度は、曲げ続けて、折ってみます。平らに持って曲げると、定規はぐにゃりと曲がり、やがてパキッと割れます。立てて持つと、指の力ではびくともしません。

では、折れにくさも、225倍なのでしょうか。
予想してから読む幅 30 mm・厚さ 2 mm の定規。立てると、曲がりにくさは寝かせたときの225倍でした。では、折れにくさは何倍?
答えは、15倍です。曲がりにくさとは、別の量で決まるからです。この単元では、その量、断面係数 を作ります。
折れるのは、縁から
曲げると、断面の外側ほど大きく伸び縮みします。前の単元 曲げ応力の式 で見たとおり、伸び縮みは中立軸からの距離に比例し、応力も距離に比例します。中立軸は図心を通り、そこでは応力が 0 です。
いちばん大きな応力を受けるのは、中立軸からいちばん遠い外側、縁です。片側の縁は押し縮められ、反対側の縁は引き伸ばされます。

縁の応力が、材料の強さに届くと、棒は曲がったまま戻らなくなったり、折れたりします。折れるのは、縁からです。だから、縁の応力 を求めれば、折れるかどうかが分かります。
曲げ応力の式で、縁の応力を出す
前の単元で、曲げ応力の式を作りました。帯の「力 × 距離」を全部足して、曲げモーメント と釣り合わせた式です。
縁は、中立軸からいちばん遠い場所です。その距離を と書きます。 のところに を入れます。
分子の を、分母へ移します。 をかけることは、 でわることと同じです。
これで、式が2つに分かれました。分子の は、荷重で決まる量です(せん断力図と曲げモーメント図 の単元の図で求めました)。分母の は、断面の形だけで決まる量です。
この分母に名前を付けて、断面係数 と言います。前の単元の終わりで、長方形について見た量です。ここでは、どんな形にも広げます。単位は mm³(長さの3乗)です。
式を言葉で読むと、こうです。同じ曲げモーメントでも、 が大きい断面ほど、縁の応力は小さくて済みます。 が2倍なら、縁の応力は半分です。
が大きいと、 は大きくなります。でも、縁が遠い( が大きい)と、その分、縁の応力は大きくなります。遠い縁は、大きく伸び縮みするからです。
長方形の Z を読む
長方形(幅 、高さ )では、、縁までの距離は です。
を でわって 。2/12 を約分して 1/6 です。
- 幅 (1乗) 幅を2倍にするのは、同じ断面を横に2つ並べるのと同じです。 も2倍です。
- 高さ (2乗) 高さを2倍にすると、 は8倍。でも、縁までの距離も2倍になって、わり算で1回ぶん戻ります。8 ÷ 2 = 4倍です。
- 係数 1/6 長方形の係数です。 の 1/12 を、縁までの距離の 1/2 でわったものです。
冒頭の定規に戻る
使う式は です。寝かせたときと、立てたときを並べます。
。立てると、15倍折れにくくなります。
は 20 mm⁴ から 4,500 mm⁴ へ、225倍でした。縁までの距離は、1 mm から 15 mm へ、15倍です。 なので、225 ÷ 15 = 15倍。立てると、曲がりにくさは225倍でも、縁が15倍遠くなる分、折れにくさは15倍にとどまります。
同じように、幅 30 mm・高さ 60 mm の長方形を立てると 、寝かせると 9,000 mm³ で、2倍です( は4倍でした)。
形ごとの Z
| 断面 | 断面係数 |
|---|---|
| 長方形(幅 、高さ ) | |
| 丸棒(直径 ) | |
| 中空の丸管(外径 、内径 ) | |
| H形(高さ 、フランジの幅 、ウェブの厚さ 、フランジの間のウェブの高さ ) |
どれも、断面二次モーメントの単元の を、 でわっただけです。丸棒と管は が半径(、)、H形は です。
同じ重さで、形を変えると
断面積を同じ 1,800 mm² にそろえて、形だけを変えます(同じ材料・同じ長さなら、同じ重さ。鋼なら 1 m あたり約 14 kg)。基準は、同じ断面積の正方形(一辺 42.4 mm)です。
| 断面(断面積 1,800 mm²) | [mm³] | 正方形を 1 として |
|---|---|---|
| 正方形(一辺 42.4 mm) | 12,728 | 1.00 |
| 長方形 30 × 60 mm(立てる) | 18,000 | 1.41 |
| 長方形 60 × 30 mm(寝かせる) | 9,000 | 0.71 |
| 丸棒(直径 47.9 mm) | 10,771 | 0.85 |
| 中空の丸管(外径 101.5 mm、肉厚 6 mm) | 40,591 | 3.19 |
| H形(高さ 100、幅 60、フランジの厚さ 10、ウェブの厚さ 7.5 mm) | 55,200 | 4.34 |

主役は H形です。曲げモーメントは、せん断力図と曲げモーメント図 の単元のはり(長さ 1.5 m、左から 0.5 m に 3 kN のおもり)の、おもりの真下の値を使います。 です。
使う式 に、この を入れて比べます。
縁の応力は、H形が正方形の約 4.3分の1です。 が 4.34倍なので、応力は 4.34 でわった大きさになります。
H形は、正方形の中ほどの材料を、上と下の縁の近くへ移した形です。シーソーで言えば、おもりを支点(中立軸)から遠くへ置きなおしたのです。中空の管が大きいのも、同じ理由です。丸棒が正方形より少し小さい(0.85)のは、中立軸から遠い材料が、角のぶん少ないからです。
曲がりにくさと、折れにくさは、別の量
同じ H形でも、同じ重さの正方形に対して、 は 10.2倍、 は 4.34倍です。高さを上げると、材料は中立軸から遠くなります。でも、縁そのものも遠くなるので、 は ほど伸びません。冒頭の定規の、225倍と15倍と同じです。
何を守りたいかで、見る量が変わります。たわみを抑えたい棚板なら を、折れては困るフックの腕なら を、先に見ます。
どの寸法がいちばん効く?
寸法を 10% だけ変えたとき、 が何% 変わるかと、断面積(重さ)が何% 変わるかを並べます。長方形は 30 × 60 mm(立てる)、丸棒は直径 60 mm、管は外径 60 mm・肉厚 3 mm、H形は高さ 100・幅 60・フランジの厚さ 10・ウェブの厚さ 7.5 mm です。
| 変えるもの | の変化 | 断面積の変化 |
|---|---|---|
| 長方形の高さ を10%高く | +21%(2乗) | +10% |
| 長方形の幅 を10%広く | +10%(1乗) | +10% |
| 丸棒の直径 を10%太く | +33%(3乗) | +21% |
| 管の外径を10%太く(肉厚は同じ) | +23% | +11% |
| 管の肉厚を10%厚く(外径は同じ) | +8% | +9% |
| 管の外径を10%太く、肉厚を10%薄く | +12% | ほぼ 0% |
| 管の外径を20%太く、肉厚を20%薄く | +21% | −2% |
| H形の高さ を10%高く | +14% | +4% |
| H形のフランジの厚さ を10%厚く | +6% | +6% |
| H形のフランジの幅 を10%広く | +9% | +7% |
| H形のウェブの厚さ を10%厚く | +1% | +3% |
主役は、長方形の高さと幅です。同じ 10% の材料を足しても、高さに足すと +21%、幅に足すと +10%。中立軸から遠ざかる向きに足した材料ほど、よく効きます。
丸棒は、直径が3乗で効きます。直径を2倍にすると、 は 2³ = 8倍。同じ材料・同じ長さなら、太さが2倍の割り箸は、折るのに8倍の力が要ります。
管は、肉厚を厚くするより、外径を太くして肉厚を薄くしたほうが、同じ重さで を稼げます。H形のウェブは、厚くしても がほとんど増えません。ウェブの役目は、上下のフランジをつなぐことです。

上下が非対称な断面
ここまでの断面は、中立軸から上の縁までと、下の縁までの距離が同じでした。T形のように上下で形が違う断面は、図心が真ん中からずれます。中立軸は図心を通るので、縁までの距離が、上と下で違います。 も、上の縁と下の縁で、別の値になります。

上のフランジが幅 60 mm・厚さ 10 mm、下のウェブが厚さ 10 mm・高さ 50 mm の T形では、図心は下から 41.4 mm、上から 18.6 mm の位置です(求め方は図心の単元、 は 平行軸の定理 の単元の手順)。
は、上の縁が 19,028 mm³、下の縁が 8,573 mm³ です。 は同じで、縁までの距離が 41.4 ÷ 18.6 で約2.2倍違うからです。同じ曲げモーメントがかかると、遠い下の縁の応力は、上の縁の 2.2倍になります。
動かしてみよう
形を選んで、寸法を動かしてみてください。断面積は 1,800 mm² のままです。管の肉厚を薄くしたり、H形を高くしたりすると、縁の応力の棒は、正方形の棒に対してどう変わるでしょうか。長方形の高さを下げて、幅の広い板に寝かせると、棒の高さはどうなるでしょうか。
試してみよう0 / 3
- 「長方形」の高さ h を 30 mm に下げて寝かせ(60 × 30 mm)、I と Z が何分の1になるか見る(まだ)
- 高さ h を 60 mm に戻し、曲げモーメント M を2倍の 2 kN·m にする(まだ)
- M を 1 kN·m に戻し、「H形」を選ぶ(高さ H = 100 mm のまま)(まだ)
断面積は 1,800 mm²(鋼なら 1 m あたり約 14 kg)にそろえてあります。高さ h を下げていくと、長方形は寝て、幅の広い板になります。
- 断面積
- 断面二次モーメント
- 断面係数
- 最大曲げ応力
- Z は、正方形の何倍か
- 縁の応力は、正方形の何倍か
途中の計算(導出)を見る(長方形)
幅(断面積を 1,800 mm² にそろえる)
断面係数(長方形)
縁の応力(曲げモーメントを、断面係数で割る)
比べる正方形(同じ断面積・一辺 √A)の縁の応力
つまり、ものを作るときは
折れにくくしたいなら、縁の応力 を小さくします。 を大きくするには、高く、あるいは中空にして、材料を縁の近くへ持っていきます。足場の鋼管、物干し竿、自転車のパイプ、H形鋼が、中空や H形なのは、このためです。
板は、立てて使います。同じ板でも、立てると寝かせたときより、高さと幅の比だけ が大きくなります(定規なら 30 ÷ 2 で 15倍)。
ただし、管や H形のウェブを薄くしすぎると、縁より先に、板がつぶれたり、しわが寄ったりします。薄くするには限度があります。
よくある勘違い
「I が大きいほど、折れにくい」
は、曲がりにくさです。折れにくさは で決まります。同じ形で大きさだけを変えるなら、 が大きいほど も大きいのですが、形を変えると、2つの比は別々に動きます。
| 量 | 何を決めるか | 長方形の高さに対して | 立てた定規 ÷ 寝かせた定規 | 同じ断面積の H形 ÷ 正方形 |
|---|---|---|---|---|
| 断面二次モーメント | 曲がりにくさ | 3乗 | 225倍 | 10.2 倍 |
| 断面係数 | 折れにくさ(縁の応力) | 2乗 | 15倍 | 4.34 倍 |
「Z は、材料の強さのことだ」
は、形だけで決まる量です。材料の強さ(降伏点など)は、別の量です。縁の応力 と材料の強さを比べて、はじめて「折れるか」が分かります。同じ でも、強い鋼なら大丈夫で、弱い材料なら折れることがあります。
「断面積が同じなら、Z も同じ」
形で、何倍も変わります。上の表のとおり、同じ断面積 1,800 mm² で、寝かせた長方形は 9,000、H形は 55,200 です。6倍をこえる幅があります。
この単元で使う前提
- 曲げモーメントがかかる、まっすぐなはり(材料は、応力とひずみが比例する範囲)
- 縁の応力 は、断面の一部だけがはり出した形や、荷重がかかる点のごく近くでは、そのまま使えない
- 上下対称の断面なら は高さの半分。非対称な断面は、縁ごとに を求める
- 長さの単位をそろえる(mm で入れると、 は mm³、応力は N/mm² = MPa で出る)
形ごとの Z の導き方
どの形も、断面二次モーメントの単元の を、中立軸から縁までの距離 でわります。 の導きは、前の単元 曲げ応力の式 にあります。
長方形:、 なので、。
丸棒:、 なので、。
管:、 なので、。
T形:図心を通る水平な軸のまわりの を求めたあと、図心から上の縁までの距離 、下の縁までの距離 で、別々にわります。
例題
例題1 足場の鋼管と、同じ重さの丸棒
足場によく使われる鋼管は、外径 48.6 mm、肉厚 2.4 mm(内径 43.8 mm)です。長さ 1.2 m の管の両端を支え、真ん中に 1,000 N の荷重をかけます。真ん中の曲げモーメントは、せん断力図の単元の M = PL/4 で、1,000 × 1,200 ÷ 4 = 300,000 N·mm です。
(1) 断面積。(2) 断面係数 Z。(3) 縁の応力。(4) 同じ断面積(同じ重さ)の中身の詰まった丸棒の直径と、その縁の応力。
ヒント 1 / 2
管の断面係数は 、縁の応力は です。丸棒の直径は、断面積が同じになるように決めます。
ヒント 2 / 2
断面積は から出します。
答えと解き方を見る
丸棒の縁の応力は、管の 4.18 倍です。同じ重さで、材料を外側へ広げた管のほうが、壊れにくくなっています。
丸棒の直径は 21 mm ほどで、管の外径の半分以下です。縁までの距離が短いので、同じ曲げモーメントに対して、材料が遠くで働けません。
例題2 板は、立てて使うか、寝かせて使うか
幅 24 mm、厚さ 6 mm の木の板があります。長さ 400 mm の板の両端を支えて、真ん中に 200 N の荷重をかけます。真ん中の曲げモーメントは M = PL/4 = 200 × 400 ÷ 4 = 20,000 N·mm です。
(1) 幅 6 mm・高さ 24 mm に立てて使うときの Z と縁の応力。(2) 幅 24 mm・高さ 6 mm に寝かせて使うときの Z と縁の応力。(3) 縁の応力は、何倍違いますか。(4) たわみにくさ I は、何倍違いますか。
ヒント 1 / 2
長方形の に、立てたときと寝かせたときの b と h を入れて比べます。縁の応力は 、I は です。
ヒント 2 / 2
立てると 、寝かせると です。
答えと解き方を見る
壊れにくさ(Z)の差は、高さと幅の比の 24÷6=4 倍。たわみにくさ(I)の差は、その2乗の 16 倍です。
同じ向きを変えるだけでも、Z と I の効き方は違います。「壊れにくさ」と「たわみにくさ」は、別の量です。
例題3 T形の、上の縁と下の縁
上のフランジが幅 60 mm・厚さ 10 mm、下のウェブが厚さ 10 mm・高さ 50 mm の T形の断面(全体の高さ 60 mm)があります。この断面のはりに、せん断力図の単元のはり(長さ 1.5 m、左から 0.5 m に 3 kN)と同じ荷重をかけます。おもりの真下の曲げモーメントは 1 kN·m = 1,000,000 N·mm で、下の面が引張になる向きです。
(1) 図心の位置(下の縁から)。(2) 図心まわりの I。(3) 上の縁・下の縁の断面係数。(4) 上の縁・下の縁の応力。
ヒント 1 / 2
図心は、図心の単元の「面積 × 距離」の釣り合いで出します。I は平行軸の定理で、2つの長方形を図心まわりに足します。
ヒント 2 / 2
フランジは 600 mm²(中心は下から 55 mm)、ウェブは 500 mm²(中心は下から 25 mm)です。
答えと解き方を見る
図心は、材料の多いフランジ側に寄ります。そのぶん、下の縁は遠くなり、下の縁の応力は上の縁の 2.22 倍です。
引張に弱い材料(鋳鉄など)で T形を使うときは、遠い縁が引張になる向きを避けて、近い縁が引張になるように置きます。