構造の計算問題が苦手な人は、公式を覚える前に止まってしまうことがあります。
その原因の一つが、
今、何の力を見ているのか分からない
という状態です。
荷重、反力、応力、軸力、せん断力、曲げモーメント。
まずは、この言葉同士の関係を整理していきます。
構造計算は「力の流れ」を追う
構造計算では、いきなり計算式から始めるのではなく、
力がどこから来て、どこへ流れていくのか
を見ると理解しやすくなります。
基本的な流れは、
荷重がかかる ↓ 支点で支える ↓ 支点に反力が生じる ↓ 部材の内部に力が生じる
です。
この流れを頭に置いてから用語を見ていきます。
荷重は「外からかかる力」
荷重は、建物や部材に外から作用する力です。
例えば、
- 建物自身の重さ
- 人や家具などの重さ
- 雪
- 風
- 地震による力
があります。
最初は細かな分類より、
荷重＝外からかかる力
と理解すれば十分です。
梁の上に物を置けば、梁には下向きの力がかかります。
それが構造計算の出発点になります。
反力は「支点から返ってくる力」
梁に荷重がかかっているのに、梁がそのまま下へ落ちないのは、支点が支えているからです。
支点が部材を支えるときに生じる力を、反力と考えます。
荷重が下向きにかかり、それを支点が支える。
構造計算では、まずこの外側の力のつり合いを確認する場面が多くあります。
支点の種類で反力が変わる
反力は、支点がどの方向の動きを止めるかによって変わります。
- ローラー支点：垂直反力
- ピン支点：垂直反力＋水平反力
- 固定支点：垂直反力＋水平反力＋モーメント反力
最初は細かな計算より、支点が動けない方向に反力が生じると理解しておけば十分です。
応力は「部材の中に生じる力」
外から荷重がかかると、部材の内部にも力が生じます。
この内部の力を考えるときに出てくるのが応力です。
試験では代表的に、
- 軸力
- せん断力
- 曲げモーメント
を扱います。
まずは「部材の中の力」という大きな箱を作り、その中に3つあると考えてください。
軸力は「部材の軸方向の力」
軸力は、部材を長さ方向に、
- 引っ張る
- 押す
力です。
柱やトラス部材をイメージすると分かりやすくなります。
引張力が働けば部材は伸びようとし、圧縮力が働けば縮もうとします。
せん断力は「ずらそうとする力」
せん断力は、部材の一部を別の部分に対してずらそうとする力です。
紙をはさみで切るようなイメージを持つと入りやすいかもしれません。
梁の問題では、荷重や反力からせん断力を求め、その変化を確認する問題があります。
曲げモーメントは「曲げようとする作用」
梁に荷重がかかると、梁は曲がろうとします。
この曲げようとする作用を表すのが曲げモーメントです。
「モーメント」という言葉が出てくると難しく感じるかもしれませんが、最初は、
部材を回転・曲げさせようとする作用
と考えてください。
「荷重・反力」と「応力」を分ける
構造計算で混乱しやすいのは、すべてを同じ「力」として見てしまうことです。
大きく分けると、
部材の外側
- 荷重
- 反力
部材の内側
- 軸力
- せん断力
- 曲げモーメント
と整理できます。
これだけでも、問題文や解説を読むときに、
今は外側の力を求めているのか それとも部材内部の力を見ているのか
を判断しやすくなります。
構造計算の基本的な順番
初歩的な梁の問題なら、考え方は次のような順番になります。
- 荷重を確認する
- 支点条件を確認する
- 力のつり合いから反力を求める
- 部材の中を見てせん断力や曲げモーメントを考える
- 必要な値を計算する
公式を覚えるときも、この順番のどこで使う公式なのかを意識してください。
式だけを覚えるより、役割が分かりやすくなります。
最初から公式を全部覚えなくていい
構造計算を勉強し始めると、公式がたくさん並んでいるように見えます。
でも、公式を暗記する前に、
- 何が外からかかっているのか
- どこが支えているのか
- 部材の中にどんな力が生じるのか
を言葉で説明できるようにしてください。
例えば問題を見て、
この荷重を支点が支えて、梁の中にせん断力と曲げモーメントが生じる
と説明できれば、計算式の意味も見えやすくなります。
言葉が分かると、解説が読めるようになる
構造計算の最初の目標は、難しい問題をすぐ解けるようになることではありません。
まずは解説に書いてある言葉を理解できる状態を作ることです。
荷重 → 反力 → 部材内部の応力
という流れを押さえ、
軸力・せん断力・曲げモーメント
の違いをざっくり説明できるようにする。
そこから、力のつり合い、梁、トラスなどへ進んでいけば、構造計算の見え方はかなり変わってきます。