科目
材料力学
章
はりのたわみ
図番
16 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 16 / 22

先を柱で支えるだけで、たわみは23分の1不静定ばり(一端固定・他端支持)

壁に固定して先端を柱で支えると、力のつり合いだけでは反力が決まらない。余分な支えを外して解く方法と、片持ちのたわみが約 1/23 になる理由。

壁に固定した棚板の先に、手が床から細い柱を立てて当てている
このページの内容
  1. 片持ちの棚の先を、柱で支える
  2. シーソーの決まりだけでは、足りない
  3. 足りない1本を、重ね合わせで出す
  4. 結果
  5. たわみの式を、3つのかたまりで読む
  6. 曲げモーメントの形
  7. どの数字がいちばん効く?
  8. 柱を立てた棚に戻ると
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この公式が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. 片持ちの先に支えを1つ足すと、シーソーの決まり1・2だけでは、支える力が決まらない(不静定)。足りない1本は、「支えの位置で、はりは下がらない」というたわみの条件。
  2. 解き方は重ね合わせ。支えを外して下がった量を、支えの力で押し戻して 0 にする。
  3. 等分布荷重なら、支えが受けるのは荷重の 3/8、壁が 5/8。支えを1つ足すだけで、たわみは約 1/23 になる。

前の単元との違い片持ちばりの先に、支えを1つ足します。支える力が、つり合いだけでは決まらなくなります。

片持ちの棚の先を、柱で支える

壁に固定した棚板の先を、床から立てた柱で受けた収納。先端を柱で支えた手すり。片方の端は壁に固定され、もう片方の端は下から支えられています。

壁に固定して、先端を柱で支えた例。作業台の天板受け、柱で支えた手すり、突っ張り棒付きの棚
図 16-01どれも、片方の端が壁に固定され、もう片方の端が下から支えられています。

こういうはりを、一端固定・他端支持のはりといいます。片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の片持ちばりの先に、支えを1つ足した形です。

左:壁に固定しただけの片持ちの棚。先端が大きく下がる。右:同じ棚の先端を柱で支えると、棚板のたわみはずっと小さくなる
図 16-02同じ棚、同じ荷重。支えを1つ足すだけで、たわみは大きく減ります。

この単元では、次の棚で考えます。鋼の角棒(幅 30 mm、高さ 60 mm)を、壁から 1,500 mm 突き出します。全体に、1 mm あたり 2 N(合計 3,000 N)の荷重がかかります。

柱が無ければ、ただの片持ちです。先端は 11.4 mm 下がります(片持ちばりのたわみ(等分布荷重) の式)。

先端に柱を立てると、どうなるでしょうか。柱と壁は、3,000 N をどれだけずつ受け持つのでしょうか。

予想してから読む棚の先に柱を立てると、柱が受け持つのは、全体の 3,000 N のうちどれだけ?

シーソーの決まりだけでは、足りない

せん断力図と曲げモーメント図 で使った、シーソーの2つの決まりを当ててみます。

  • 決まり1:上向きの力 = 下向きの力
  • 決まり2:力 × 距離が、逆向きどうしで同じ

分からない量は、3つあります。

  • 柱が押し上げる力 R支え\sRprop
  • 壁が押し上げる力 R固定\sRwall
  • 壁が、棒の根元を回らないように押さえる力 × 距離。これを固定端モーメント M固定\sMwall といいます

決まり1から、1本の式が立ちます。

R支え+R固定=3,000\sRprop + \sRwall = 3{,}000

決まり2は、壁を支点と見ます。荷重 3,000 N は、まとめると真ん中の 750 mm の位置にかかります。柱の力は、壁から 1,500 mm です。

M固定+R支え×1,500=3,000×750=2,250,000\sMwall + \sRprop \times 1{,}500 = 3{,}000 \times 750 = 2{,}250{,}000

式は2本、分からない量は3つです。これでは決まりません。

試しに、数を入れてみます。

柱の力 R支え\sRprop 壁の力 R固定\sRwall 固定端モーメント M固定\sMwall
0 N(柱が触れているだけ) 3,000 N 2,250,000 N·mm
1,500 N(半分ずつ) 1,500 N 0 N·mm

どちらの組も、決まり1と決まり2を満たします。決まりだけでは、組をいくらでも作れます。

このように、シーソーの決まりだけでは支える力が決まらないはりを、不静定なはりといいます。余分な支え(この棚では柱)が1つあるので、「1次不静定」です。

片持ちや、両端を支えただけのはりは、決まりだけで支える力が決まります。これを静定なはりといいます。これまでの単元は、すべて静定なはりでした。

足りない1本の式は、はりの変形から出します。「柱の位置では、はりは下がらない」という条件です。

足りない1本を、重ね合わせで出す

重ね合わせの原理 の重ね合わせを使います。手順は4つです。

  1. 柱を、いったん外す。はりは片持ちになる
  2. 荷重だけで、先端がどれだけ下がるかを求める(片持ちばりのたわみ(等分布荷重) の式)
  3. 柱の力 R支え\sRprop だけで、先端がどれだけ上がるかを求める(片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の式。荷重の向きが上になるだけ)
  4. 2 と 3 を足すと、先端の下がりが 0 になるように、R支え\sRprop を決める
左:柱を外した片持ちは先端が下がる。中:柱の反力だけが先端を上へ押すと、先端は上がる。右:2つを足すと、先端はちょうど元の高さに戻る
図 16-03下がった量と、押し上げた量が等しくなる力が、柱の受ける力です。

下がる量と、上がる量が等しい、という式を書きます。

w L48 E I⏟荷重で下がる量=R支え L33 E I⏟柱の力で上がる量\underbrace{\dfrac{\sw\,\sL^4}{8\,\sE\,\sI}}_{\text{荷重で下がる量}} = \underbrace{\dfrac{\sRprop\,\sL^3}{3\,\sE\,\sI}}_{\text{柱の力で上がる量}}

1段ずつ解きます。

両辺に E I\sE\,\sI を掛けます。E I\sE\,\sI が両辺から消えます。

w L48=R支え L33\dfrac{\sw\,\sL^4}{8} = \dfrac{\sRprop\,\sL^3}{3}

両辺を L3\sL^3 で割ります。

w L8=R支え3\dfrac{\sw\,\sL}{8} = \dfrac{\sRprop}{3}

両辺に 3 を掛けます。

R支え=3 w L8\sRprop = \dfrac{3\,\sw\,\sL}{8}

w L\sw\,\sL は、荷重の合計です。柱は、荷重の合計の 3/8 を受け持ちます。

材料の硬さ E\sE も、断面の形 I\sI も、途中で消えました。柱の受け持ちの割合は、棒の太さや材料によりません。

棚の数で確かめる

使う式に、棚の数を入れます。

R支え=3×2×1,5008=1,125 N\sRprop = \dfrac{3 \times 2 \times 1{,}500}{8} = 1{,}125\ \mathrm{N}

残りは、決まり1と決まり2で出ます。

R固定=3,000−1,125=1,875 N\sRwall = 3{,}000 - 1{,}125 = 1{,}875\ \mathrm{N} M固定=2,250,000−1,125×1,500=562,500 N⋅mm\sMwall = 2{,}250{,}000 - 1{,}125 \times 1{,}500 = 562{,}500\ \mathrm{N\cdot mm}

柱が 3/8、壁が 5/8 です。壁は、柱の 5/3 倍を受け持ちます。

結果

等分布荷重と、真ん中に集中荷重がかかるときの結果です。集中荷重のときも、同じ手順で出せます。

等分布荷重 w\sw(全長) 中央に集中荷重 P\sP
柱(支え側)の力 R支え\sRprop 3wL/83\sw\sL/8 5P/165\sP/16
壁(固定端)の力 R固定\sRwall 5wL/85\sw\sL/8 11P/1611\sP/16
固定端モーメント M固定\sMwall wL2/8\sw\sL^2/8 3PL/163\sP\sL/16
スパンの中の最大曲げモーメント M中\sMspan 9wL2/1289\sw\sL^2/128(柱から 3L/83\sL/8 の位置) 5PL/325\sP\sL/32(荷重の位置)
最大たわみ δmax⁡\sdeltaMax 約 wL4/(185 EI)\sw\sL^4/(185\,\sE\sI) PL3/(485 EI)\sP\sL^3/(48\sqrt{5}\,\sE\sI)(約 PL3/(107 EI)\sP\sL^3/(107\,\sE\sI))
最大たわみの位置(柱から) 0.4215L0.4215\sL 0.447L0.447\sL

どちらの荷重でも、最大の曲げモーメントは固定端に出ます。最大の曲げ応力が出る場所も、壁のそばです。

棚の数(鋼 30×60 mm、E\sE = 206 GPa、長さ 1,500 mm、2 N/mm)では、次のとおりです。

量 値
柱の力 R支え\sRprop 1,125 N
壁の力 R固定\sRwall 1,875 N
固定端モーメント M固定\sMwall 562,500 N·mm
スパンの中の最大曲げモーメント M中\sMspan 316,406 N·mm
固定端の最大曲げ応力(Z\sZ = 18,000 mm³) 31.3 MPa
最大たわみ(柱から 632 mm の位置) 0.49 mm

たわみの式を、3つのかたまりで読む

等分布荷重の最大たわみは、荷重の合計 W=w L\sW = \sw\,\sL を使うと、こう書けます。

δmax⁡≈W L3⏟荷重と長さ×1E I⏟曲がりやすさ×1185⏟支え方で決まる係数\sdeltaMax \approx \underbrace{\sW\,\sL^3}_{\text{荷重と長さ}} \times \underbrace{\dfrac{1}{\sE\,\sI}}_{\text{曲がりやすさ}} \times \underbrace{\dfrac{1}{185}}_{\text{支え方で決まる係数}}
  1. 荷重と長さ W L3\sW\,\sL^3 重いほど、長いほど、たわみます。長さは3乗で効きます。
  2. 曲がりやすさ 1/E I1/\sE\,\sI 材料の硬さ E\sE と断面の形 I\sI が大きいほど、たわみません。ほかの単元と同じです。
  3. 支え方で決まる係数 1/185 同じ棒・同じ荷重の合計でも、支え方を変えると、この係数だけが変わります。

1/185 は、きりのよい分数ではありません。いちばん下がる位置(柱から 0.4215 L\sL)が、根号の入った数になるからです(くわしくは下の導き方)。

支え方ごとの係数を並べると、支え方の効き目が見えます。

支え方 係数(δmax⁡=W L3/EI\sdeltaMax = \sW\,\sL^3/\sE\sI に掛ける) 棚の棒(1,500 mm・2 N/mm)の最大たわみ
片持ち 1/8 11.4 mm
単純支持(両端を支える) 5/384(約 1/77) 1.19 mm
一端固定・他端支持 約 1/185 0.49 mm
両端固定(くわしくは 両端固定ばり の単元) 1/384 0.24 mm
同じ棒に同じ荷重をかけた4本のはり。片持ちは大きく下がり、単純支持、一端固定・他端支持、両端固定の順に、下がりは小さくなる
図 16-04下がりの大きさは、片持ち、単純支持、一端固定・他端支持、両端固定の順に小さくなります。

片持ちに柱を1本足すと、たわみは約 23倍小さくなります(185 ÷ 8)。

両端を支えただけの単純支持と比べても、根元を壁で固定したぶん、約 2.4倍 小さくなります。両端を固定すれば、さらに約 2.1倍 小さくなります。

支えが増えるほど、はりは動きにくくなります。係数が小さくなるのは、そのためです。

曲げモーメントの形

曲げモーメントは、片持ちのように根元だけで大きいのでも、単純支持のように真ん中で最大なのでもありません。

等分布荷重では、次のようになります。

  • 固定端で最大。大きさは wL2/8\sw\sL^2/8 で、はりを上に凸に曲げる向き
  • 固定端から L/4\sL/4 の位置で 0。ここで、曲がる向きが逆になる
  • 柱から 3L/83\sL/8 の位置で、逆向きの最大 9wL2/1289\sw\sL^2/128(固定端の 0.56 倍)
  • 柱の上で 0
w上に凸下に凸反曲点(壁から L/4)曲げモーメント(軸の上が、下に凸に曲げる向き)9wL²/128(柱から 3L/8)固定端 wL²/8 が最大(上に凸に曲げる向き)柱の上で 0

曲がる向きが変わる点を、反曲点といいます。固定端の近くは「上に凸」、スパンの中は「下に凸」に曲がっています。

固定端のモーメントは、柱の無い片持ちの根元(wL2/2\sw\sL^2/2)の 1/4 です。柱の力 1,125 N が、壁から 1,500 mm の位置で、根元を逆向きに回すからです。

どの数字がいちばん効く?

1割ずつ変えたときの効き方は、片持ちばりのたわみ(等分布荷重) の表と同じです(等分布荷重で、長さ +46%、高さ −25%、荷重・硬さは ±9〜10%)。支えを1つ足して変わるのは、上の表の係数(1/8 → 約 1/185)だけです。どの数字がどれだけ効くかは、変わりません。

柱を立てた棚に戻ると

最初の問いに答えます。鋼の角棒の棚(1,500 mm、全体に 3,000 N)の先に、柱を立てたときです。

  • 柱は 1,125 N(3/8)、壁は 1,875 N(5/8)を受け持ちます。半分ずつではありません。
  • 先端の下がりは、片持ちの 11.4 mm から、いちばん下がる所でも 0.49 mm になります。約 1/23 です。
  • 根元の曲げモーメントは、片持ちの 1/4 になります。

つまり、ものを作るときは

先端が下がって困る片持ちには、先端に支えを1つ足すのが、たわみを減らす安い手です。同じ約 1/23 を断面の高さだけで得ようとすると、高さを約 2.8倍にしなければなりません。

ただし、支えが受ける力(3/8)と、壁の根元の曲げモーメントの両方を、設計の数字で確かめます。

手すり、棚、足場の張り出し、配管の受け金具など、「根元を壁に固定して、先を柱で受ける」形は、身のまわりにたくさんあります。

動かしてみよう

荷重の種類(全体に等分布/中央に集中荷重)を選んで、長さ L\sL と高さ h\sh を動かしてみてください。

  • 柱の力 R支え\sRprop が、荷重の合計の何割かを見てください(等分布なら 3/8、中央に集中なら 5/16)。荷重・長さ・材料を変えても、この割合は変わりません。
  • 図の破線が、柱を外した片持ちの曲線です。同じ倍率で描いてあるので、柱1本の効き目が、そのまま見えます。結果の欄の「柱を外すと、何倍下がるか」が、その比です。

図の上半分は、はりのたわみ曲線と、2つの支える力、固定端モーメントです。下半分は曲げモーメントの図です。軸より下の部分(固定端のそば)が、はりを上に凸に曲げる向きです。

結果の欄には、同じ荷重で、片持ち・単純支持・両端固定にしたときのたわみも出ます。支え方で、たわみがどれだけ変わるか比べてください。

たわみは実際にはとても小さいので、図では拡大して描いています。図の下の「たわみの描き方」で、描き方を切り替えられます。「倍率を固定」では、数字を変えたときの変化が、そのまま図に出ます。「実寸」では、拡大しない本当の大きさになります。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 荷重 w を2倍の 4 N/mm にして、柱の力 R支え を見る(まだ)
  2. 長さ L を2倍の 3,000 mm にして、片持ちにしたときのたわみ δ片持ち と比べる(まだ)
  3. 長さを戻して、高さ h を約2.8倍の 170 mm にし、δ片持ち を見る(まだ)
N/mm
mm
GPa
mm
mm
柱なしwR固R支M固δL曲げモーメント M(軸の上が、下に凸に曲げる向き)0固定端 M固 が最大スパンの中の最大 0.563×M固単元一端固定・他端支持尺度たわみ ×53材料E = 206 GPabh断面
最大たわみは、初期値の ×1
たわみの描き方いまの倍率 ×53

たわみは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×53 のまま変えないので、数字を変えると、たわみの大きさが、そのまま図に出ます。

いまの式(数字を入れた形)

δmax⁡≈w L4185 E I\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\max}} \approx \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{185\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}}=2×1,5004185×206,000×540,000= \dfrac{2 \times 1{,}500^4}{185 \times 206{,}000 \times 540{,}000}=0.493 mm (位置 632.3 mm)= 0.493\ \mathrm{mm}\ \text{(位置 }632.3\ \mathrm{mm}\text{)}
最大たわみ
δmax⁡=0.493 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\max}} = 0.493\ \mathrm{mm}
同じ荷重で片持ちにしたとき
δ片持ち=11.38 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\text{片持ち}}} = 11.38\ \mathrm{mm}
柱を外すと、何倍下がるか
δ片持ち/δ=23.1 \htmlClass{q-displacement}{\delta_{\text{片持ち}}/\delta} = 23.1\
支え側の反力
R支え=1,125 N\htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = 1{,}125\ \mathrm{N}
固定端の反力
R固定=1,875 N\htmlClass{q-force}{R_{\text{固定}}} = 1{,}875\ \mathrm{N}
固定端モーメント
M固定=562,500 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}} = 562{,}500\ \mathrm{N\cdot mm}
ほかの値(7 個)
断面二次モーメント
I=540,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = 540{,}000\ \mathrm{mm^4}
スパンの中の最大曲げモーメント
M中=316,400 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\text{中}}} = 316{,}400\ \mathrm{N\cdot mm}
最大たわみの位置(支えから)
xm=632.3 mm\htmlClass{q-geometry}{x_m} = 632.3\ \mathrm{mm}
断面係数
Z=18,000 mm3\htmlClass{q-material}{Z} = 18{,}000\ \mathrm{mm^3}
最大曲げ応力
σmax⁡=31.25 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = 31.25\ \mathrm{MPa}
同じ荷重で単純支持にしたとき
δ単純=1.185 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\text{単純}}} = 1.185\ \mathrm{mm}
同じ荷重で両端固定にしたとき
δ両固定=0.237 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\text{両固定}}} = 0.237\ \mathrm{mm}
途中の計算(導出)を見る
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=30×60312=540,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{30 \times 60^3}{12} = 540{,}000\ \mathrm{mm^4}
  2. 支えを外した片持ちの、先端の下がり

    w L48 E I=2×1,50048×206,000×540,000=11.38 mm\dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{2 \times 1{,}500^4}{8 \times 206{,}000 \times 540{,}000} = 11.38\ \mathrm{mm}
  3. 支えが先端を押し戻して、下がりを 0 にする力(支え側の反力)

    R支え L33 E I=w L48 E I ⇒ R支え=3 w L8=3×2×1,5008=1,125 N\dfrac{\htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} \ \Rightarrow\ \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{3\,\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{8} = \dfrac{3 \times 2 \times 1{,}500}{8} = 1{,}125\ \mathrm{N}
  4. 固定端の反力と、固定端モーメント

    R固定=w L−R支え=5 w L8,M固定=w L28=1,875 N,2×1,50028=562,500 N⋅mm\htmlClass{q-force}{R_{\text{固定}}} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} - \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{5\,\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{8},\quad \htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^2}{8} = 1{,}875\ \mathrm{N},\quad \dfrac{2 \times 1{,}500^2}{8} = 562{,}500\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 最大たわみ(支えから 0.4215L の位置)

    δmax⁡≈w L4185 E I=2×1,5004185×206,000×540,000=0.493 mm (位置 632.3 mm)\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\max}} \approx \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{185\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{2 \times 1{,}500^4}{185 \times 206{,}000 \times 540{,}000} = 0.493\ \mathrm{mm}\ \text{(位置 }632.3\ \mathrm{mm}\text{)}
  6. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=M固定Z,Z=b h26=562,50018,000=31.25 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{562{,}500}{18{,}000} = 31.25\ \mathrm{MPa}

よくある勘違い

「柱の側と壁の側で、荷重は半分ずつ」

柱 1/2、壁 1/2 → 等分布荷重なら、柱 3/8、壁 5/8 です。

半分ずつの組も、シーソーの決まり1・2は満たします。でも、そのときは固定端モーメントが 0 で、根元が回れることになります。壁は根元を回らないように押さえているので、たわみの条件を足すと、壁の受け持ちが大きくなります。

中央に集中荷重なら、柱が 5/16(31%)、壁が 11/16(69%)です。両端を支えただけの単純支持なら、半分ずつ(50%)です。

「支えを足せば、柱はいつも決まった力を受ける」

柱の力は、柱が沈まないことを前提にしています。柱や床が荷重で少し沈むと、柱の受け持ちは減ります。

左:柱が棚板の先をしっかり支えていて、板はほぼ水平。中:柱が少し沈み、板の先も柱に載ったまま一緒に下がる。右:柱がさらに沈んで板から離れ、板は根元が水平で先がいちばん低い片持ちの形になり、柱の頭との間に小さなすき間ができる
図 16-05柱が沈むと、柱の受け持ちが減り、壁の受け持ちが増えます。沈みが大きいと、柱は棒から離れてしまいます。

重ね合わせの式で、先端の下がりを 0 でなく「柱の沈み」とおけば、出せます。棚の棒では、柱が 1 mm 沈むと、柱の力は約 99 N(1,125 N の約 9%)減ります。そのぶん、壁の力と固定端モーメントが増えます。

沈みが、柱が無いときの先端の下がり(11.4 mm)に届くと、柱の力は 0 になります。すき間ができて、ただの片持ちに戻ります。

不静定なはりでは、支えの硬さや沈み方が、力の配分に効きます。静定なはりでは、支えが少し沈んでも、支える力は変わりません。

この公式が使える条件

  • たわみが、はりの長さに比べて十分小さい(長さの1割くらいまで)
  • 荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
  • 壁は、はりの根元を完全に固定し、回らない・沈まない
  • 柱(支え)は、はりと同じ高さにあって、沈まない
  • はりの重さは、等分布荷重として入れる。太さは根元から先まで同じ
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

本文の重ね合わせとは別に、たわみの式を直接積分しても、同じ答えが出ます。出発点は、曲がり具合と曲げモーメントの関係 E I d2v/dx2=−M\sE\,\sI\,d^2\sv/d\sx^2 = -\sM です(出どころは 曲げ応力の式 と たわみの微分方程式と積分法)。

固定端を x=0\sx = 0、柱を x=L\sx = \sL とし、柱の力を R\sR(上向き)とします。切り口の柱の側を見ると、決まり2から、位置 x\sx の曲げモーメントは次のとおりです。

M(x)=R (L−x)−w (L−x)22\sM(\sx) = \sR\,(\sL - \sx) - \dfrac{\sw\,(\sL - \sx)^2}{2}

2回積分します。

E I v′=R (L−x)22−w (L−x)36+C1\sE\,\sI\,\sv' = \dfrac{\sR\,(\sL - \sx)^2}{2} - \dfrac{\sw\,(\sL - \sx)^3}{6} + C_1E I v=−R (L−x)36+w (L−x)424+C1 x+C2\sE\,\sI\,\sv = -\dfrac{\sR\,(\sL - \sx)^3}{6} + \dfrac{\sw\,(\sL - \sx)^4}{24} + C_1\,\sx + C_2

条件は3つです。固定端でたわみが 0(v(0)=0\sv(0) = 0)、傾きが 0(v′(0)=0\sv'(0) = 0)、柱の位置でたわみが 0(v(L)=0\sv(\sL) = 0)。

前の2つから、C1=−RL2/2+wL3/6C_1 = -\sR\sL^2/2 + \sw\sL^3/6、C2=RL3/6−wL4/24C_2 = \sR\sL^3/6 - \sw\sL^4/24 が出ます。3つ目に入れると、

−R L33+w L48=0⇒R=3 w L8-\dfrac{\sR\,\sL^3}{3} + \dfrac{\sw\,\sL^4}{8} = 0 \quad\Rightarrow\quad \sR = \dfrac{3\,\sw\,\sL}{8}

です。本文で重ね合わせから出した式と同じです。シーソーの決まりで足りなかった1本を、柱の位置の条件 v(L)=0\sv(\sL) = 0 が補っています。

壁の力は wL−R=5wL/8\sw\sL - \sR = 5\sw\sL/8、固定端モーメントは M(0)=RL−wL2/2=−wL2/8\sM(0) = \sR\sL - \sw\sL^2/2 = -\sw\sL^2/8(符号が負=上に凸)です。

いちばん下がる位置は、傾き v′=0\sv' = 0 から出ます。R\sR を入れて、柱からの距離 u=L−xu = \sL - \sx で書くと、

E I v′=w48 (u−L)(−8u2+L u+L2)\sE\,\sI\,\sv' = \dfrac{\sw}{48}\,(u - \sL)(-8u^2 + \sL\,u + \sL^2)

です。u=Lu = \sL は固定端(傾き 0 の条件そのもの)なので、−8u2+Lu+L2=0-8u^2 + \sL u + \sL^2 = 0 を解きます。u=L(1+33)/16≈0.4215 Lu = \sL(1 + \sqrt{33})/16 \approx 0.4215\,\sL(柱から)です。

この位置のたわみは、約 0.005416 wL4/(EI)0.005416\,\sw\sL^4/(\sE\sI)、つまり wL4/(184.6 EI)\sw\sL^4/(184.6\,\sE\sI) です。本文では丸めて 185 と書きました。

中央に集中荷重 P\sP のときも、本文と同じ重ね合わせで出せます。片持ちの先端の下がりは、真ん中の荷重で 5PL3/(48 EI)5\sP\sL^3/(48\,\sE\sI) です(P a2(3L−a)/(6 E I)\sP\,\sa^2(3\sL - \sa)/(6\,\sE\,\sI) に a=L/2\sa = \sL/2 を入れる)。これを R L3/(3 EI)\sR\,\sL^3/(3\,\sE\sI) と等しくおくと、R=5P/16\sR = 5\sP/16 です。

例題

例題1 作業台の天板を支える角棒

壁から 1,200 mm 張り出した鋼の角棒に、作業台の天板が載っています。角棒の根元は壁に固定され、先端は柱で下から支えられています。

天板と荷物の重さは、全体で 1,500 N(長さ 1 mm あたり 1.25 N)で、角棒の全長に均等にかかります。角棒の断面は幅 25 mm・高さ 50 mm(高さの向きが上下)、鋼の縦弾性係数は 206 GPa です。棒の重さは考えません。

(1) 柱が受ける力はいくらですか。(2) 壁の固定端で、棒の上の面に生じる曲げ応力はいくらですか。(3) 棒のたわみは、最大でいくらですか。

ヒント 1 / 2

結果の表(等分布荷重)を使います。柱の力は R支え=3wL/8\sRprop = 3\sw\sL/8、固定端のモーメントは wL2/8\sw\sL^2/8、最大たわみは約 wL4/(185 EI)\sw\sL^4/(185\,\sE\sI) です。

ヒント 2 / 2

断面二次モーメントは I=25×503/12\sI = 25 \times 50^3/12 mm⁴、断面係数は Z=25×502/6\sZ = 25 \times 50^2/6 mm³ です。

答えと解き方を見る
(1) R支え=3 w L8=562.5 N(1)\ \sRprop = \dfrac{3\,\sw\,\sL}{8} = 562.5\ \mathrm{N}
(2) σmax⁡=M固定Z=21.6 MPa(2)\ \ssigma = \dfrac{\sMwall}{\sZ} = 21.6\ \mathrm{MPa}
(3) δmax⁡=0.262 mm(3)\ \sdeltaMax = 0.262\ \mathrm{mm}
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=25×50312=260,417 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{25 \times 50^3}{12} = 260{,}417\ \mathrm{mm^4}
  2. 支えを外した片持ちの、先端の下がり

    w L48 E I=1.25×1,20048×206,000×260,417=6.04 mm\dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{1.25 \times 1{,}200^4}{8 \times 206{,}000 \times 260{,}417} = 6.04\ \mathrm{mm}
  3. 支えが先端を押し戻して、下がりを 0 にする力(支え側の反力)

    R支え L33 E I=w L48 E I ⇒ R支え=3 w L8=3×1.25×1,2008=562.5 N\dfrac{\htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} \ \Rightarrow\ \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{3\,\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{8} = \dfrac{3 \times 1.25 \times 1{,}200}{8} = 562.5\ \mathrm{N}
  4. 固定端の反力と、固定端モーメント

    R固定=w L−R支え=5 w L8,M固定=w L28=937.5 N,1.25×1,20028=225,000 N⋅mm\htmlClass{q-force}{R_{\text{固定}}} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} - \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{5\,\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{8},\quad \htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^2}{8} = 937.5\ \mathrm{N},\quad \dfrac{1.25 \times 1{,}200^2}{8} = 225{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 最大たわみ(支えから 0.4215L の位置)

    δmax⁡≈w L4185 E I=1.25×1,2004185×206,000×260,417=0.2617 mm (位置 505.8 mm)\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\max}} \approx \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{185\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{1.25 \times 1{,}200^4}{185 \times 206{,}000 \times 260{,}417} = 0.2617\ \mathrm{mm}\ \text{(位置 }505.8\ \mathrm{mm}\text{)}
  6. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=M固定Z,Z=b h26=225,00010,420=21.6 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{225{,}000}{10{,}420} = 21.6\ \mathrm{MPa}

柱は、荷重の全体(1,500 N)の 3/8(37.5%)を受けます。残りの 5/8 は壁が受けます。

壁の固定端では、棒の上の面が引っ張られ、下の面が押し縮められます。スパンの中の曲げモーメント(最大 126,563 N·mm)より、固定端のモーメント(225,000 N·mm)のほうが大きいので、いちばん応力が高いのは壁のそばです。

例題2 柱を取り外したら

例題1の角棒から、先端の柱を取り外します。棒は壁に固定された片持ちばりになり、荷重は変わらず全長にかかります。

最大のたわみは、柱があったときの何倍になりますか。また、壁の固定端のモーメントは何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

柱が無ければ片持ちです。先端のたわみ wL4/(8 EI)\sw\sL^4/(8\,\sE\sI) と根元のモーメント wL2/2\sw\sL^2/2 を、柱があるときの値で割ります。

ヒント 2 / 2

割り算すると w\sw・L\sL・EI\sE\sI は消え、係数どうしの比だけが残ります。

答えと解き方を見る
6.04 mm0.262 mm=23.1 倍\dfrac{6.04\ \mathrm{mm}}{0.262\ \mathrm{mm}} = 23.1\ \text{倍}
w L2/2w L2/8=4 倍\dfrac{\sw\,\sL^2/2}{\sw\,\sL^2/8} = 4\ \text{倍}

片持ちの先端のたわみは wL⁴/(8EI)、柱があるときの最大たわみは約 wL⁴/(185EI) なので、185 ÷ 8 で約 23 倍です。

片持ちの固定端のモーメントは wL²/2、柱があるときは wL²/8 で、4倍です。柱を1本足すだけで、たわみは 23 分の 1、根元の曲げモーメントは 4 分の 1 になります。

例題3 突っ張り棒付きの棚

壁に固定した木の棚板(長さ 900 mm、幅 250 mm、厚さ 24 mm、縦弾性係数 10 GPa)の先端を、床から立てた突っ張り棒で支えています。

棚板の真ん中に、植木鉢(重さ 200 N、約 20 kg)を置きました。棚板の重さは考えません。

(1) 突っ張り棒が受ける力は、植木鉢の重さの何 % ですか。(2) 棚板の最大のたわみはいくらですか。(3) 突っ張り棒がなかったら、たわみは何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

結果の表(中央に集中荷重)を使います。柱の力は 5P/165\sP/16、最大たわみは PL3/(485 EI)\sP\sL^3/(48\sqrt{5}\,\sE\sI) です。

ヒント 2 / 2

棚板の断面は幅 250 mm・厚さ 24 mm なので、I=250×243/12\sI = 250 \times 24^3/12 mm⁴ です。

答えと解き方を見る
(1) R支え=5 P16=62.5 N(31.25%)(1)\ \sRprop = \dfrac{5\,\sP}{16} = 62.5\ \mathrm{N}\quad(31.25\%)
(2) δmax⁡=0.472 mm(2)\ \sdeltaMax = 0.472\ \mathrm{mm}
(3) 5.27 mm0.472 mm=11.2 倍(3)\ \dfrac{5.27\ \mathrm{mm}}{0.472\ \mathrm{mm}} = 11.2\ \text{倍}
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=250×24312=288,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{250 \times 24^3}{12} = 288{,}000\ \mathrm{mm^4}
  2. 支えを外した片持ちの、先端の下がり(荷重は中央)

    5 P L348 E I=5×200×900348×10,000×288,000=5.273 mm\dfrac{5\,\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{48\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{5 \times 200 \times 900^3}{48 \times 10{,}000 \times 288{,}000} = 5.273\ \mathrm{mm}
  3. 支えが先端を押し戻して、下がりを 0 にする力(支え側の反力)

    R支え L33 E I=5 P L348 E I ⇒ R支え=5 P16=5×20016=62.5 N\dfrac{\htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{5\,\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{48\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} \ \Rightarrow\ \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{5\,\htmlClass{q-force}{P}}{16} = \dfrac{5 \times 200}{16} = 62.5\ \mathrm{N}
  4. 固定端の反力と、固定端モーメント

    R固定=P−R支え=11 P16,M固定=3 P L16=137.5 N,3×200×90016=33,750 N⋅mm\htmlClass{q-force}{R_{\text{固定}}} = \htmlClass{q-force}{P} - \htmlClass{q-force}{R_{\text{支え}}} = \dfrac{11\,\htmlClass{q-force}{P}}{16},\quad \htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}} = \dfrac{3\,\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{16} = 137.5\ \mathrm{N},\quad \dfrac{3 \times 200 \times 900}{16} = 33{,}750\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 最大たわみ(支えから 0.447L の位置)

    δmax⁡=P L3485 E I=200×9003485×10,000×288,000=0.4717 mm (位置 402.5 mm)\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{48\sqrt{5}\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{200 \times 900^3}{48\sqrt{5} \times 10{,}000 \times 288{,}000} = 0.4717\ \mathrm{mm}\ \text{(位置 }402.5\ \mathrm{mm}\text{)}
  6. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=M固定Z,Z=b h26=33,75024,000=1.406 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\text{固定}}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{33{,}750}{24{,}000} = 1.406\ \mathrm{MPa}

棚板の両端を支えた(単純支持の)場合は、支えが半分(50%)を受けます。壁で根元を固定されている分、突っ張り棒が受けるのは 31.25% に減ります。

突っ張り棒がない棚は、片持ちばりです。荷重が中央にあるときの先端のたわみは 5PL³/(48EI)、突っ張り棒があるときの最大たわみは PL³/(48√5 EI) で、比は 5√5 ≒ 11.2 倍です。