構造力学

I

プロローグ

古代から人類は、さまざまな材料をくみあわせて構造物を創造してきたが、そこには直感と経験にもとづいて、安定して倒壊しないように、巧みに荷重を分散する方法がつかわれてきた。

II

構造力学の対象領域

構造力学は、力学を応用して、複数の部材によって構成されているビルディング、橋、飛行機、船舶などの構造体について、強度、応力分布、荷重による変形などを解析する学問分野で、断面積に比較して長さが大きい柱や梁(はり)などをくみあわせた骨組構造を対象とする。

さまざまな形状の単一部材について外力による変形などを解析する材料力学、面や3次元の連続体をあつかう弾性学、振動による材料の変形をあつかう振動学とは密接に関連しているが、分野としては区別されている。

III

解析する上での仮定

実際に解析する対象は、ほとんどの場合は3次元の構造をもっているが、2次元に単純化して解析することが多く、トラス、ラーメン、アーチなどの典型的な構造を基礎にして解析する。平面に単純化して解析の結果を合成したときに誤差が大きくなったり、構造的に立体としてしかあつかえないような対象は、3次元で解析したり、有限要素法という手法で適当な単位に分割してコンピューターで数値計算して解析する。

実際の材料は、外力によってさまざまな応力を発生して変形するが、構造力学では荷重の大きさと応力とが比例関係にある小さな弾性変形の範囲内でとりあつかい、実際は変形する前の形状にもとづいて解析する。また、細長い部材といえども幅や厚さをもっているが、重心線で単純化して線によって構成されているものとして考えることが多い。

IV

支点

梁などの部材を支持している点を支点といい、構造物が他の構造物を支持していたり、基礎と構造物の接点が支点にあたる。支点の種類としては、次の3種類を考える。

(1)ローラー支点(移動端ともいう)といい、鋼球やころでささえているような支点。支持部に対して水平方向の力に対しては自由に移動できるようにしてある。橋の橋脚で橋桁(はしげた)をささえる部分などによくつかわれる。反力は支持台に対して垂直方向の1つだけとなる。

(2)ピン支点(回転端ともいう)は、ボルト1本で固定しているような支点で、ピンを中心に回転できる。反力は、水平方向と鉛直方向の2つになる。

(3)固定端といい、まったく移動したり変形しないものと仮定する支点。さまざまな構造物の基礎や岩盤への取り付け部分に相当し、反力は水平と鉛直にくわえて固定部に対するモーメント(ある点に作用する曲げや回転力)の3方向になる。