05構造(力学計算編)

01.静定・不静定

この部分は,構造科目を苦手にしている人にとっては,非常にとっつきにくい部分です.全てを完璧に理解しようとすると非常に多くの時間も労力もかかりますので,まずは,一通り広く,浅く勉強していきましょう.
では「静定・不静定」の問題を解く前に,合格ロケットに収録されている00基礎知識の解説を一読してみましょう.特に,00-2「力」の解説①~00-6「力の流れ」の解説(補足編)の部分は力学計算全体に関して基本となる部分です.
00-7「N図,Q図,M図」の解説,00-8「M図,Q図のイメージ」の解説で,N図,Q図,M図の基本となる部分を説明してあります.


■学習のポイント

ポイント1.「「外力系の力の釣り合い」→「内力系の力の釣り合い」で攻める!
「N図,Q図,M図」を描く場合やトラスの問題などで共通している考え方として,『「外力系の力の釣り合い」→「内力系の力の釣り合い」を考える』ということがあります.
具体的には,「外力系の力の釣り合い」を考えて,外力によって生じる『支点反力』を計算します.次に,「内力系の力の釣り合い」を考えて,外力や支点反力によって部材内部に生じる『内力』を計算します.
言葉で書くと,これだけのことなんですが,これが難しいのですよね.
 
M図に関しては,「単純梁や片持ち梁のM図は描けるのだけど,門型ラーメンの形になると間違えてしまう(モーメントの描く側が逆になる等)」という質問がよくあります.
「M図の描き方」のインプットのコツを補足で行いますので,M図の描き方に関しては,そちらを参考にしてください.


ポイント2.「「構造物の判別式」は万能ではない!
「合格ロケット」の01「静定・不静定」項目に進みます.
構造物が安定か不安定か,静定構造物か不静定構造物かに関してですが,この部分に関しても,まずは,広く・浅く勉強しましょう.
テキストなどによっては,外的静定構造物や内的不静定構造物など詳しく説明しているものもありますが,まずは「構造物が安定か不安定か」について判別します.次に,安定構造物に関しては,「不静定構造物なのか静定構造物なのか」に関して判別できるようになりましょう.
その際,「構造物の判別式」を用いる場合があるかと思いますが,この「構造物の判別式」は万能ではないことを覚えておいて下さい.
1層1スパンの構造物に関しては「構造物の判別式」は有効ですが,2層2スパンなどの構造物に関して「構造物の判別式」を適用しようとすると,テクニックが必要になります.


ポイント3.「「静定構造物」の基本形は4パターン!
「静定構造物」の基本形としては,以下の4パターンがあることを認識してください.

単純梁系,片持ち梁(キャンチ)系,門型ラーメン系(ピン・ローラー支点),3ヒンジラーメン系の4パターンです(門型ラーメン系(ピン・ローラー支点)も単純梁系の一種と見なせば3パターン!).
単純梁系や片持ち梁系は,上図のような直線だけでなく,下図の様な形も含まれます.
3ヒンジラーメン系は,下図の様に,3つ目のピンと思える所で2つに分離可能(下図上の図)の場合は3ヒンジラーメン系ですが,3つ目のピンと思える所で2つに分離不可能(下図下の図)の場合は3ヒンジラーメン系とは言わないことを覚えてくださいね.


ポイント4.「「基本的な数値」は覚えてしまおう!
次に01「静定・不静定の解説」の「静定構造物の暗記事項」に関してですが,長さLの単純梁の中央に集中荷重Pが作用する際の,材中央部のモーメントMがM=PL/4であること,及び等分布荷重ωが作用する際の,材中央部のモーメントMがM=ωL^2/8であることは,ぜひ暗記してしまうことをオススメします.
また01「静定・不静定の解説」の「不静定構造物の暗記事項」に関してですが,長さLの両端固定梁の中央に集中荷重Pが作用する際の,材端部におけるモーメント反力MがM=PL/8であること,及び材中央部のモーメントMはM=PL/4-PL/8=PL/8であること,また,等分布荷重ωが作用する際の,材端部におけるモーメント反力MがM=ωL^2/12であること,及び材中央部のモーメントMはM=ωL^2/8-ωL^2/12=ωL^2/24であることは,ぜひ暗記してしまうことをオススメします.
勿論,暗記することが嫌な人は,計算から求めても構いません.

ここまで勉強したら,過去問題に入っていきましょう.
 
問題コード01031についてですが,このような不静定構造物の問題は,静定構造物のように,「外力系の力の釣り合い」→「内力系の力の釣り合い」,具体的に説明すると,「外力より支点反力を求めて,部材に生じる内力を求める」という考え方では解くことができません.
支点反力を「外力系の力の釣り合い」のみでは求めることができないからです.そこで,不静定構造物の問題を解く際には,たわみ角法や固定モーメント法などの解法を使うことになります.合格ロケットでは,固定モーメント法をオススメしております(01「静定・不静定の解説」の「固定モーメント法」を参照).これは「不静定問題」のインプットのコツで補足説明いたしますので,そちらを参考にして下さい.
なお,構造科目が非常に不得意の人は,この不静定問題は「捨て問」扱いにしても結構です.ここで悩むよりは,まずは全体を勉強して,時間的・能力的に余力がある場合には,「不静定問題」のインプットのコツを学習して下さい.
 
問題コード30041,23041についてですが,初めてこの種の問題を目にした際は非常に難しく感じる問題ですが,解説を一読してください.外力(水平荷重のみの場合がほとんどです)によって,梁に生じる内力(軸方向力,せん断力,曲げモーメント)が,上層から下層に伝わってきます.それぞれの場所で,「力は釣り合っている」ことが理解できるかと思います.
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