科目
材料力学
章
断面の性質
図番
03 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 3 / 22

断面の中心は、真ん中とはかぎらない図心(断面の中心)

断面の「面積の釣り合い点」。分けて、面積×位置を足して、全体の面積で割る。T形・L形のように上下が非対称だと、図心から上の縁・下の縁までの距離がちがい、応力もちがう。

机の上で、T形に切り抜いた厚紙の板が、真ん中ではなく幅の広い側に寄った1点で針の先に支えられ、水平に止まっている。支えていた指がそっと離れたところ
このページの内容
  1. 針の先で支えた、T形の板
  2. 図心は、面積の釣り合い点
  3. シーソーの決まりから、式を作る
  4. T形で確かめる
  5. どの寸法が、図心を動かす?
  6. 中立軸は、図心を通る
  7. 遠い縁ほど、大きく伸びる
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この単元で使う前提
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 図心は、断面の面積の釣り合い点。シーソーと同じく、「面積 × 距離」が上と下で同じになる点です。高さ 70 mm の例の T形では、下の縁から 47.5 mm。真ん中(35 mm)より上にあります。
  2. 求め方は3つの手順。部品に分ける → 「面積 × 位置」を足す → 全体の面積でわる。例の T形なら、(600 × 65 + 600 × 30) ÷ 1,200 = 47.5 mm。
  3. 曲げても伸び縮みしない線(中立軸)は、図心を通ります。例の T形では、下の縁が上の縁より2.1 倍遠く、応力も 2.1 倍です。

針の先で支えた、T形の板

T形に切り抜いた板を、針の先の1点で支えます。どこで支えれば、水平に止まるでしょうか。

予想してから読む上の板(幅 60 mm・厚さ 10 mm)と、下の板(高さ 60 mm・厚さ 10 mm)でできた、高さ 70 mm の T形。釣り合う点は、下の縁から何 mm?

T形に切り抜いた板を、下から針の先の1点で支えて、水平に止めている。針が当たる点は、T の縦棒の上寄りで、横棒のすぐ下
図 3-03T形の板が水平に止まる点は、高さの真ん中より上にあります。

高さの真ん中で支えると、板は傾きます。釣り合う点は、真ん中より上にあります。

この釣り合う点を、図心と言います。

この単元で答える問いは3つです。なぜ、真ん中ではないのか。どうやって、位置を計算するのか。そして、なぜ、その位置を知らないといけないのか。

T形鋼、L字金具、アングル材、鉄道のレール。身のまわりには、上と下、右と左で形がちがう断面がたくさんあります。どれも、図心は真ん中にありません。

T字定規、L字金具、アングル材、鉄道のレール。どれも、上下や左右で形が違う断面を持っている
図 3-02身のまわりの、形が非対称な断面。

図心は、面積の釣り合い点

まず、長方形の板です。長方形は、上下も左右も同じ形なので、真ん中で釣り合います。

次に、T形の板を、上の板と下の板の2枚に分けます。どちらも長方形なので、それぞれの釣り合う点は、それぞれの真ん中です。1枚の板の重さは、その真ん中の1点にかかっていると考えてかまいません。

ここで、高さの向きを横に倒して見ます。すると T形の板は、2つのおもりを乗せたシーソーと同じです。

例の T形では、2枚の板は同じ大きさです。おもりも同じ重さなので、シーソーは、2つのおもりのちょうど真ん中で釣り合います。上の板のほうが高い位置にあるので、図心は、高さの真ん中より上に来ます。これが、1つ目の問いの答えです。

均一な板なら、図心は重心と同じ場所です。ただ、重心は重さの釣り合い点、図心は面積の釣り合い点です。材料力学では断面の形だけを考えるので、面積で考えて、図心と呼びます。

シーソーの決まりから、式を作る

おもりの重さがちがうときは、どうでしょうか。左に 2 kg、右に 1 kg のおもりを乗せると、釣り合う支点は、重いほうへ寄ります。左のおもりから支点まで 1 m、右のおもりまで 2 m です。

2 kg1 kg1 m2 m2 kg × 1 m = 1 kg × 2 m

釣り合いの決まりは、重さ × 距離が、左右で同じになることです。

2 kg×1 m=1 kg×2 m2\ \mathrm{kg} \times 1\ \mathrm{m} = 1\ \mathrm{kg} \times 2\ \mathrm{m}

この決まりを、断面に使います。部品の面積 A1A_1、A2A_2 を、おもりの重さと見るのです。

部品の位置は、下の縁に引いた基準の線から測ります。上の部品の中心は高さ y1y_1、下の部品の中心は高さ y2y_2、図心は高さ yˉ\syc です。図心からの距離は、上の部品が y1−yˉy_1 - \syc、下の部品が yˉ−y2\syc - y_2 になります。

シーソーの決まりを、式に書きます。面積 × 図心からの距離が、上と下で同じです。

A1 (y1−yˉ)=A2 (yˉ−y2)A_1\,(y_1 - \syc) = A_2\,(\syc - y_2)

この式を、yˉ\syc について解きます。まず、かっこを外します。

A1y1−A1yˉ=A2yˉ−A2y2A_1 y_1 - A_1 \syc = A_2 \syc - A_2 y_2

yˉ\syc のつく項を右へ、つかない項を左へ集めます。

A1y1+A2y2=(A1+A2) yˉA_1 y_1 + A_2 y_2 = (A_1 + A_2)\,\syc

両辺を A1+A2A_1 + A_2 でわると、図心の式ができます。

yˉ=A1y1+A2y2⏞面積 × 位置を足すA1+A2⏟面積を足す\syc = \dfrac{\overbrace{A_1 y_1 + A_2 y_2}^{\text{面積 × 位置を足す}}}{\underbrace{A_1 + A_2}_{\text{面積を足す}}}

式を、かたまりに分けて読む

  1. 分子:面積 × 位置を足したもの シーソーの「おもり × 距離」と同じ形です。面積の大きい部品ほど、図心を自分の側へ引き寄せます。重いおもりが、支点を自分の側へ寄せるのと同じです。
  2. 分母:面積を足したもの 断面全体の面積です。分子をこれでわるので、図心は、部品の位置を面積の重みで平均した場所になります。面積が同じ2つの部品なら、図心は、2つの中心のちょうど真ん中です。
  3. 部品が3つ以上でも、同じ 分子も分母も、部品の数だけ足していきます。∑\textstyle\sum は「全部足す」という記号です。
yˉ=∑Ai yi∑Ai\syc = \dfrac{\sum A_i\,y_i}{\sum A_i}

分子の「面積 × 位置を足したもの」には、断面一次モーメントという名前がついています。

手順にまとめると、3つです。

  1. 部品に分ける(長方形など、中心が分かる形に)
  2. 面積 × 位置を足す
  3. 全体の面積でわる

基準の線は、どこに置いてもかまいません。ただし、すべての部品の位置を、同じ基準の線から測ります。

よく使う形の図心は、次のとおりです。

形 図心の位置
長方形(高さ h\sh) 底辺から h/2\sh/2
三角形(高さ h\sh) 底辺から h/3\sh/3
半円(半径 rr) 直径から 4r/(3π)≈0.424 r4r/(3\pi) \approx 0.424\,r

T形で確かめる

この式で、例の T形の図心を求めます。上の板(フランジ)は、幅 60 mm、厚さ 10 mm。下の板(ウェブ)は、高さ 60 mm、厚さ 10 mm。全体の高さは 70 mm です。基準の線は、下の縁にします。

使う式は、これです。フランジの項を朱、ウェブの項を青で書きます。

yˉ=Af yf+Aw ywAf+Aw\syc = \dfrac{\htmlClass{q-force}{A_f\,y_f} + \htmlClass{q-displacement}{A_w\,y_w}}{\htmlClass{q-force}{A_f} + \htmlClass{q-displacement}{A_w}}

数を、表で1つずつ出します。

フランジ ウェブ
面積 [mm²] 60 × 10 = 600 10 × 60 = 600
位置 [mm](下の縁から中心まで) 60 + 10/2 = 65 60/2 = 30
面積 × 位置 [mm³] 39,000 18,000

フランジの位置は、ウェブの高さ 60 mm に、フランジの厚さの半分 5 mm を足した 65 mm です。

数を、式の枠に入れます。

yˉ=600×65+600×30600+600=57,0001,200=47.5 mm\syc = \dfrac{\htmlClass{q-force}{600 \times 65} + \htmlClass{q-displacement}{600 \times 30}}{\htmlClass{q-force}{600} + \htmlClass{q-displacement}{600}} = \dfrac{57{,}000}{1{,}200} = 47.5\ \mathrm{mm}

面積は 1,200 mm²、面積 × 位置は 57,000 mm³ です。図心は、下の縁から 47.5 mm。

基準の線(下の縁)653047.5(図心)22.5面積 × 位置 を足すフランジ 600 × 65 = 39,000ウェブ  600 × 30 = 18,000合計 57,000 ÷ 面積 1,200図心は下から 47.5 mm単位:面積 mm²、位置 mm(65 と 30 の、ちょうど真ん中)

シーソーのとおり、65 mm と 30 mm のちょうど真ん中です。2枚の面積が同じだからです。

高さの真ん中は 35 mm です。図心は、それより 12.5 mm 上にあります。上の縁までは、70−47.5=22.570 - 47.5 = 22.5 mm です。

基準の線を上の縁に置いても、答えは同じです。上から測ると、フランジの位置は 5 mm、ウェブの位置は 10 + 30 = 40 mm。(600×5+600×40)/1,200=22.5(600 \times 5 + 600 \times 40)/1{,}200 = 22.5 mm で、上の縁から 22.5 mm になります。

穴は、面積をマイナスにして足す

試験で引っかかりやすいのが、穴のあいた断面です。穴は、面積をマイナスにして、部品の1つとして足します。

幅 60 mm、高さ 100 mm の板に、20 × 20 mm の四角い穴があいているとします。穴の中心は、下の縁から 75 mm です。板は面積 6,000 mm²、位置 50 mm。穴は面積 −400 mm²、位置 75 mm です。

yˉ=6,000×50+(−400)×756,000+(−400)=270,0005,600=48.2 mm\syc = \dfrac{6{,}000 \times 50 + (-400) \times 75}{6{,}000 + (-400)} = \dfrac{270{,}000}{5{,}600} = 48.2\ \mathrm{mm}

穴の分だけ、図心は、真ん中の 50 mm より下へ動きます。上の材料が減ったからです。

穴の面積をプラスで足すと、51.6 mm になり、逆に上へずれてしまいます。

どの寸法が、図心を動かす?

T形の寸法を1つずつ 10% 増やして、図心の動きを見ます。基準は、上の T形です(図心は下の縁から 47.5 mm、上の縁まで 22.5 mm、その比は 2.11)。

10% 増やす 図心 yˉ\syc 下 ÷ 上
(基準) 47.5 mm 2.11
フランジの厚さ 48.6 mm(+1.1 mm) 2.17
ウェブの高さ 51.1 mm(+3.6 mm) 2.05
フランジの幅 48.3 mm(+0.8 mm) 2.23
ウェブの厚さ 46.7 mm(−0.8 mm) 2.00

フランジを厚くしても、幅を広げても、上が重くなるので、図心は上へ動きます。ウェブを厚くすると、下が重くなるので、図心は下へ動きます。図心は、材料を足した側へ動きます。シーソーで、片側のおもりを重くしたのと同じです。

いちばん動くのは、ウェブの高さです。フランジが持ち上がるからです。ただし、断面全体も高くなるので、上の縁までの距離も一緒にのびます(22.5 → 24.9 mm)。上下のアンバランス(下 ÷ 上)は、むしろ 2.11 から 2.05 へ小さくなります。

つまり、ものを作るときは

上下の縁を、図心から同じ距離にしたいときは、上下の材料を同じ量にします。H形鋼が上下対称なのは、このためです。

T形のように、わざと非対称にするなら、図心から遠い縁がどちらの側かを考えます。理由は、この先の「遠い縁ほど、大きく伸びる」の節で見ます。

L字金具やアングル材のように、2つの方向に非対称な断面では、図心は縦と横の2つの位置で決まります。図心が、材料のない場所に入ることもあります。

中立軸は、図心を通る

ここからは、図心を知らないといけない理由です。

T形のはりを、両端で支えて、真ん中を押します。はりは下へ曲がります。曲がると、はりの上のほうは縮み、下のほうは伸びます。

T形の鋼材のはり。横棒を上にして、縦棒の下端を両端の2つの台に載せ、真ん中の真上から朱の矢印で押している。はりは真ん中がわずかに下がっている
図 3-06両端で支えたT形のはりを、真ん中で押します。

縮むところと伸びるところの間に、長さの変わらない線が1本あります。これを、中立軸と言います。

この線は、断面のどこを通るのでしょうか。1段ずつ見ていきます。

  1. 伸び縮みは、中立軸から遠いほど大きい。扇を開くと、外側ほど大きく広がるのと同じです。伸び縮みは、中立軸からの距離に比例します。
  2. 応力も、距離に比例する。フックの法則と縦弾性係数 のとおり、伸び縮み(ひずみ)が大きいほど、応力も大きくなるからです。
  3. 帯の力は「距離 × 面積」に比例する。断面を、横に薄い帯に切ります。1本の帯が受け持つ力は、応力 × 面積です。応力が距離に比例するので、帯の力は「中立軸からの距離 × 面積」に比例します。
  4. 押す力の合計と、引っぱる力の合計は同じ。はりは、上から押されて曲がっているだけです。横に引っぱられてはいません。だから、中立軸より上の帯が押す力の合計と、下の帯が引っぱる力の合計は、同じ大きさです。
  5. それは、シーソーの決まりと同じ式。「距離 × 面積」が、中立軸の上と下でつり合います。断面を横に倒すと、中立軸を支点にしたシーソーです。

つまり、中立軸は、面積の釣り合い点、図心を通るのです。

例の T形の中立軸は、高さの真ん中の 35 mm ではなく、図心の 47.5 mm を通ります。

遠い縁ほど、大きく伸びる

中立軸が図心を通ると、何が起きるか。上の縁と下の縁を比べます。

図心から、上の縁までは 22.5 mm。下の縁までは 47.5 mm です。下の縁は、上の縁よりおよそ 2.1 倍遠いのです。

47.5÷22.5=2.1147.5 \div 22.5 = 2.11

伸び縮みは、中立軸からの距離に比例しました。だから、下の縁は、上の縁の 2.1 倍伸びます。応力も、同じ 2.1 倍です。この断面で、いちばん大きな応力がかかるのは、下の縁です。

中立軸(図心を通る)22.5 mm47.5 mm縮む伸びる伸び縮みと応力T形の断面下の縁は 47.5 ÷ 22.5 = 2.11 倍遠く、2.11 倍伸びる

もし、図心を高さの真ん中だと思いこむと、上と下の縁は、どちらも中立軸から 35 mm に見えます。すると、下の縁の応力を、実際のおよそ 3/4 に小さく見積もってしまいます。

35÷47.5=0.7435 \div 47.5 = 0.74

図心をまちがえると、いちばん危ない場所を見落とすのです。

この差は、材料の置き方にも使います。鋳鉄は、引っぱりに弱く、押しつぶしに強い材料です。下へ曲がるはりでは、下の縁が伸びます。そこで、フランジを下にして置くと、伸びる下の縁が図心に近くなり、伸びが小さくてすみます。

縁の応力の大きさそのものは、断面の形と曲げの強さで決まります。式は、曲げ応力の式 の単元で求めます。この単元で分かるのは、上と下の縁の比が、図心からの距離の比になることです。

動かしてみよう

T形の寸法を動かして、図心 yˉ\syc がどう動くかを見てください。右の内訳は、フランジ(朱)とウェブ(青)の「面積 × 位置」です。フランジの幅を広げると、朱の棒が長くなり、図心は上へ動きます。ウェブの高さを増やすと、どうなるでしょうか。

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. 上の板の幅 B を2倍の 120 mm にして、釣り合い点(図心)の動きを見る(まだ)
  2. B を 60 mm に戻し、下の板の厚さ tw を2倍の 20 mm にして、右の内訳の棒を見る(まだ)
  3. 下の板の厚さ tw を、上の板の幅 B と同じにして、長方形にする(まだ)
mm
mm
mm
mm
T形断面と図心基準の線(下の縁)高さの真ん中 35ȳ47.5y上22.56530面積 × 位置 を足すフランジ(上の板)600 × 65 = 39,000ウェブ(下の板)600 × 30 = 18,000単位:mm² × mm = mm³合計 57,000 mm³÷ 全体の面積 1,200 mm²図心は下から 47.5 mm上の縁まで 22.5 mm 下の縁まで 47.5 mm下の縁までは、上の縁までの 2.11 倍
図心の位置(下の縁から)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

yˉ=GA\htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{G}}{\htmlClass{q-geometry}{A}}=57,0001,200= \dfrac{57{,}000}{1{,}200}=47.5 mm= 47.5\ \mathrm{mm}
断面積
A=1,200 mm2\htmlClass{q-geometry}{A} = 1{,}200\ \mathrm{mm^2}
フランジの 面積×位置
Gf=39,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_f} = 39{,}000\ \mathrm{mm^3}
ウェブの 面積×位置
Gw=18,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_w} = 18{,}000\ \mathrm{mm^3}
断面一次モーメント(面積×位置の和)
G=57,000 mm3\htmlClass{q-material}{G} = 57{,}000\ \mathrm{mm^3}
図心の位置(下の縁から)
yˉ=47.5 mm\htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = 47.5\ \mathrm{mm}
図心から上の縁までの距離
y上=22.5 mm\htmlClass{q-geometry}{y_{\text{上}}} = 22.5\ \mathrm{mm}
途中の計算(導出)を見る
  1. フランジ(上の板):面積 × 位置(下の縁から板の中心まで)

    Gf=Af yf=B tf(hw+tf2)=60×10×(60+102)=600×65=39,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_f} = \htmlClass{q-geometry}{A_f}\,y_f = \htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{t_f}\left(\htmlClass{q-geometry}{h_w} + \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{t_f}}{2}\right) = 60 \times 10 \times \left(60 + \dfrac{10}{2}\right) = 600 \times 65 = 39{,}000\ \mathrm{mm^3}
  2. ウェブ(縦の板):面積 × 位置(下の縁から板の中心まで)

    Gw=Aw yw=tw hw⋅hw2=10×60×602=600×30=18,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_w} = \htmlClass{q-geometry}{A_w}\,y_w = \htmlClass{q-geometry}{t_w}\,\htmlClass{q-geometry}{h_w}\cdot\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{h_w}}{2} = 10 \times 60 \times \dfrac{60}{2} = 600 \times 30 = 18{,}000\ \mathrm{mm^3}
  3. 足す(断面一次モーメント)と、全体の面積

    G=Gf+Gw,A=Af+Aw=39,000+18,000=57,000,600+600=1,200=57,000, 1,200\htmlClass{q-material}{G} = \htmlClass{q-material}{G_f} + \htmlClass{q-material}{G_w},\quad \htmlClass{q-geometry}{A} = \htmlClass{q-geometry}{A_f} + \htmlClass{q-geometry}{A_w} = 39{,}000 + 18{,}000 = 57{,}000,\quad 600 + 600 = 1{,}200 = 57{,}000,\ 1{,}200
  4. 全体の面積で割る(図心の位置。下の縁から)

    yˉ=GA=57,0001,200=47.5 mm\htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{G}}{\htmlClass{q-geometry}{A}} = \dfrac{57{,}000}{1{,}200} = 47.5\ \mathrm{mm}
  5. 図心から上の縁までの距離(全体の高さ − ȳ)

    y上=(tf+hw)−yˉ=70−47.5=22.5 mm\htmlClass{q-geometry}{y_{\text{上}}} = (\htmlClass{q-geometry}{t_f} + \htmlClass{q-geometry}{h_w}) - \htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = 70 - 47.5 = 22.5\ \mathrm{mm}

よくある勘違い

「図心は、いつも断面の真ん中にある」

上下左右が対称な断面(長方形・円・H形)なら、図心は真ん中です。T形のような非対称な断面では、真ん中から外れます。例の T形では、高さの真ん中 35 mm に対して、図心は 47.5 mm でした。

「図心は、材料のある場所にある」

図心は、面積の釣り合い点です。材料がある点とは限りません。

L字金具(縦 60 mm、横 40 mm、厚さ 10 mm)を、縦の脚と横の脚に分けて、図心の式で計算します。図心は、外側の角から横に 11.67 mm、縦に 21.67 mm のところです。どちらも脚の厚さ 10 mm より外なので、2本の脚のすき間(何もない場所)に入ります。

「重心と図心は、同じ言葉」

均一な板なら、同じ場所です。でも、材料の重さが場所によってちがえば、重心は図心からずれます。図心は、形だけで決まります。

この単元で使う前提

  • 断面は、長方形などの、中心の場所が分かる部品に分けられる
  • 位置は、すべての部品を同じ基準の線から、同じ長さの単位(mm など)で測る
  • 中立軸が図心を通るのは、材料が一様で、伸びも縮みも同じフックの法則に従い、はりが横に引っぱられていない(曲げているだけの)場合。2種類の材料を貼り合わせたはりでは、図心をそのまま使えない
  • この単元の T形は左右が対称。なので、図心の左右の位置は真ん中で、求めるのは高さ yˉ\syc だけ

図心からずれた軸を使う計算は、平行軸の定理 の単元で扱います。

式の導き方(くわしく知りたい人へ)

図心の定義:断面を、面積 dAdA の細い帯に分けます。基準の線から帯までの距離を yy とすると、シーソーの決まり「面積 × 図心からの距離の合計が 0」は、

∫(y−yˉ) dA=0\int (y - \syc)\,dA = 0

∫yˉ dA=yˉ A\int \syc\,dA = \syc\,\sA なので、∫y dA−yˉ A=0\int y\,dA - \syc\,\sA = 0。両辺を A\sA でわって、

yˉ=∫y dAA\syc = \dfrac{\int y\,dA}{\sA}

長方形(高さ h\sh、幅 b\sb)なら、∫0hy b dy=bh2/2\int_0^{\sh} y\,\sb\,dy = \sb\sh^2/2、面積は bh\sb\sh なので、yˉ=h/2\syc = \sh/2 です。

部品に分けた式:全体の積分は、部品ごとの積分の合計です。部品 ii の中での ∫y dA\int y\,dA は、その部品の図心の定義から Ai yiA_i\,y_i です。したがって、

yˉ=∑Ai yi∑Ai\syc = \dfrac{\sum A_i\,y_i}{\sum A_i}

中立軸が図心を通る理由:中立軸からの距離を y′y' とします。ひずみは y′y' に比例するので、ある定数 kk を使って ε=k y′\varepsilon = k\,y'。フックの法則から、応力は σ=E ε=E k y′\sigma = E\,\varepsilon = E\,k\,y' です。はりは横に引っぱられていないので、断面の力の合計は 0 です。

∫σ dA=E k∫y′ dA=0\int \sigma\,dA = E\,k\int y'\,dA = 0

つまり、∫y′ dA=0\int y'\,dA = 0。これは、上の「図心の定義」の式と同じ形です。この式が成り立つ線は、図心を通る線だけです。したがって、中立軸は図心を通ります。

例題

例題1 T形の図心

幅 60 mm、厚さ 10 mm の板(フランジ)の下の真ん中に、高さ 40 mm、厚さ 10 mm の板(ウェブ)をつけた T形の断面があります。

(1) 断面積。(2) 下の縁から測った、図心の位置 ȳ。(3) 図心から上の縁までの距離。

ヒント 1 / 2

フランジとウェブの2つの長方形に分けて、「面積 × 位置」を足し、全体の面積でわります(yˉ=∑Aiyi/∑Ai\bar{y} = \sum A_i y_i / \sum A_i)。

ヒント 2 / 2

位置は下の縁から測ります。フランジの中心は 40+10/240 + 10/2 mm、ウェブの中心は 40/240/2 mm の高さです。

答えと解き方を見る
(1) A=1,000 mm2(1)\ \sA = 1{,}000\ \mathrm{mm^2}
(2) G=35,000 mm3,  yˉ=35 mm(2)\ \sG = 35{,}000\ \mathrm{mm^3},\ \ \syc = 35\ \mathrm{mm}
(3) y上=15 mm(3)\ \sytop = 15\ \mathrm{mm}
  1. フランジ(上の板):面積 × 位置(下の縁から板の中心まで)

    Gf=Af yf=B tf(hw+tf2)=60×10×(40+102)=600×45=27,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_f} = \htmlClass{q-geometry}{A_f}\,y_f = \htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{t_f}\left(\htmlClass{q-geometry}{h_w} + \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{t_f}}{2}\right) = 60 \times 10 \times \left(40 + \dfrac{10}{2}\right) = 600 \times 45 = 27{,}000\ \mathrm{mm^3}
  2. ウェブ(縦の板):面積 × 位置(下の縁から板の中心まで)

    Gw=Aw yw=tw hw⋅hw2=10×40×402=400×20=8,000 mm3\htmlClass{q-material}{G_w} = \htmlClass{q-geometry}{A_w}\,y_w = \htmlClass{q-geometry}{t_w}\,\htmlClass{q-geometry}{h_w}\cdot\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{h_w}}{2} = 10 \times 40 \times \dfrac{40}{2} = 400 \times 20 = 8{,}000\ \mathrm{mm^3}
  3. 足す(断面一次モーメント)と、全体の面積

    G=Gf+Gw,A=Af+Aw=27,000+8,000=35,000,600+400=1,000=35,000, 1,000\htmlClass{q-material}{G} = \htmlClass{q-material}{G_f} + \htmlClass{q-material}{G_w},\quad \htmlClass{q-geometry}{A} = \htmlClass{q-geometry}{A_f} + \htmlClass{q-geometry}{A_w} = 27{,}000 + 8{,}000 = 35{,}000,\quad 600 + 400 = 1{,}000 = 35{,}000,\ 1{,}000
  4. 全体の面積で割る(図心の位置。下の縁から)

    yˉ=GA=35,0001,000=35 mm\htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{G}}{\htmlClass{q-geometry}{A}} = \dfrac{35{,}000}{1{,}000} = 35\ \mathrm{mm}
  5. 図心から上の縁までの距離(全体の高さ − ȳ)

    y上=(tf+hw)−yˉ=50−35=15 mm\htmlClass{q-geometry}{y_{\text{上}}} = (\htmlClass{q-geometry}{t_f} + \htmlClass{q-geometry}{h_w}) - \htmlClass{q-geometry}{\bar{y}} = 50 - 35 = 15\ \mathrm{mm}

図心は、ウェブの中にあります。フランジは面積が大きい(600 mm²)うえに、位置が高い(45 mm)ので、図心を上へ引っぱります。

下の縁までの 35 mm は、上の縁までの 15 mm の、2.33倍です。

例題2 L字金具(アングル)の図心

棚を支える L字の金具の断面です。縦の脚の高さ 60 mm、横の脚の全幅 40 mm、板の厚さはどちらも 10 mm です。

外側の角(左下)から測って、(1) 断面積。(2) 図心の位置 x̄(横)と ȳ(縦)。(3) 図心は、材料の中にありますか。

ヒント 1 / 2

縦の脚と横の脚の2つの長方形に分けて、横の位置 x と縦の位置 y のそれぞれで、図心の式を使います。

ヒント 2 / 2

重ならないように分けます。縦の脚は 10×6010 \times 60、横の脚は残りの 30×1030 \times 10 mm です。

答えと解き方を見る
(1) A=900 mm2(1)\ \sA = 900\ \mathrm{mm^2}
(2) xˉ=11.67 mm,  yˉ=21.67 mm(2)\ \sxc = 11.67\ \mathrm{mm},\ \ \syc = 21.67\ \mathrm{mm}
(3) 材料の外(2つの脚のすき間)にあります(3)\ \text{材料の外(2つの脚のすき間)にあります}

縦の脚(10 × 60 = 600 mm²、中心は (5, 30))と、横の脚(30 × 10 = 300 mm²、中心は (25, 5))に分けます。x 方向は (600 × 5 + 300 × 25) ÷ 900、y 方向は (600 × 30 + 300 × 5) ÷ 900 です。

図心の x̄ = 11.67 mm は、縦の脚の厚さ(10 mm)より外側、ȳ = 21.67 mm は、横の脚の厚さ(10 mm)より上です。だから、図心は L の内側の、何もない場所にあります。

図心は、「面積の釣り合い点」であって、材料がある点とは限りません。

例題3 上の縁と下の縁で、応力は何倍違う?

例題1の T形のはりを、フランジが上になるように置き、下へ曲げます(上の縁が縮み、下の縁が伸びます)。

(1) 図心を通る中立軸から、上の縁・下の縁までの距離。(2) 下の縁の応力は、上の縁の応力の何倍ですか。(3) はりを逆さにして(フランジを下にして)同じように曲げると、伸びる下の縁の応力は、元の何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

応力は、中立軸(図心)からの距離に比例します。応力の比は、距離の比です。

ヒント 2 / 2

距離は例題1の答えを使います。下の縁までは yˉ\bar{y}、上の縁までは 50−yˉ50 - \bar{y} mm です。

答えと解き方を見る
(1) 上の縁まで 15 mm,  下の縁まで 35 mm(1)\ \text{上の縁まで } 15\ \mathrm{mm},\ \ \text{下の縁まで } 35\ \mathrm{mm}
(2) 35÷15=2.33 倍(2)\ 35 \div 15 = 2.33\ \text{倍}
(3) 15÷35=0.43 倍(3)\ 15 \div 35 = 0.43\ \text{倍}

応力は、中立軸(図心)からの距離に比例します。下の縁は図心から 35 mm、上の縁は 15 mm なので、下の縁の応力は上の縁の 35 ÷ 15 = 2.33倍です。

逆さにすると、伸びる下の縁はフランジの側になり、図心からの距離は 15 mm です。応力は元の 15 ÷ 35 = 0.43倍(半分より小さい)になります。鋳鉄のように、引っぱりに弱く、押しつぶしに強い材料なら、フランジを下にして使います。

応力の大きさそのものは、曲げ応力の式の単元で求めます。比だけなら、図心からの距離で決まります。