- 科目
- 材料力学
- 章
- 柱の座屈
- 図番
- 22 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ柱でも、支え方で強さが16倍ちがう支持条件と有効座屈長さ
柱の座屈荷重は、端の支え方で変わる。座屈したときの半波1つぶんの長さ(有効座屈長さ KL)を使えば、両端ピンの式がそのまま使える。一端固定・他端自由と両端固定では、同じ柱で耐える荷重が16倍ちがう。

まず触ってみる
数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。
このページの内容
この単元のポイント
- 柱の座屈荷重は、支え方で決まります。式は 。両端ピンの式の を、有効座屈長さ に替えるだけです。
- は、座屈したときの柱の形で、曲がる向きが入れ替わる2つの点(変曲点)の間の長さ。変曲点では、曲げる効き目も戻す効き目も 0 なので、ピンで支えたのと同じです。
- 係数 は、一端固定・他端自由で 2、両端ピンで 1、一端固定・他端ピンで約 0.7、両端固定で 0.5。座屈荷重は に比例し、両端ピンを 1 とすると 1/4、1、約 2.05、4。同じ柱でも、支え方だけで、耐える荷重が16 倍ちがいます。
同じ棒でも、支え方で強さが変わる
庭の旗ざお、道ばたの街灯のポール。どちらも、根元は地面にしっかり固定されていて、先端は何にも支えられていません。
突っ張り棒は、両端を押しつけているだけです。テーブルの脚は、上が天板に、下が床に押さえられています。
どれも、上から押される細長い棒、つまり柱です。

同じ長さ・同じ太さの棒でも、どう支えるかで、曲がり出す荷重(座屈荷重)が大きく変わります。
ここで問いを置きます。根元だけを固定した棒と、上下の両端を固定した棒。曲がり出す荷重は、何倍ちがうでしょうか。
予想してから読む同じ長さ・同じ太さの棒。根元だけを固定した棒と、上下の両端を固定した棒では、曲がり出す荷重は何倍ちがう?
両端ピンの座屈荷重は、オイラーの座屈荷重 で求めました。その式を、ほかの支え方にも使えるようにするのが、この単元です。
定規を立てて、手で押してみる
30 cm のプラスチックの定規を、机の上に縦に立てて、上から手のひらで押します。やり方を3通り試します。
- 下の端を机に押しつけて固定し、上の端は手のひらをのせるだけ。定規は、ほんの少し押しただけで、ぐにゃりと曲がります。
- 下の端も上の端も、指先でつまんで、回転できるようにする。1 よりは、しっかり押せます。
- 下の端も上の端も、手のひらで握りこんで、向きが変わらないようにする。かなり強く押さないと、曲がりません。
定規は同じ、押す力のかけ方も同じです。変えたのは、両端をどう押さえるかだけです。
この「押さえ方」を、材料力学では支持条件といいます。端の支え方には3種類あります。
- 固定 ずれも、向きの変化(回転)も許さない
- ピン ずれは許さないが、向きは自由に変わる
- 自由 何も支えない
柱の下の端と上の端に、この3つを組み合わせます。この単元で扱うのは、よく出てくる4通りです。
変曲点は、ピンと同じ
前の単元のシーソーを思い出します。曲がった柱の各断面で、2つの効き目が釣り合っていました。
- 曲げる効き目:荷重 × その断面のずれ
- 戻す効き目: × その断面の曲がり具合
両端ピンの柱は、全体が1つの弓(正弦曲線の半波)になりました。その半波の長さ が、式の分母 に入っていました。
ほかの支え方では、座屈した形が、弓1つにはなりません。ところどころで、曲がる向きが入れ替わります。この点を変曲点と呼びます。
変曲点では、曲がり具合が 0 です。だから、戻す効き目も 0 です。シーソーが釣り合っているので、曲げる効き目も 0 です。
曲げる効き目が 0 の点は、ピンと同じです。ピンは、向きを自由に変えられるので、曲げる効き目を受け持たないからです。
変曲点で柱を切って、ピンで支え直しても、曲がり方は変わりません。変曲点の間は、両端ピンの柱と同じ半波で曲がっています。
4つの支え方の、半波の長さ
4つの支え方で、変曲点の間(半波1つぶん)の長さを見ます。
- 両端ピン 両端が変曲点です。半波の長さは、柱の長さ そのままです。
- 両端固定 両端で向きが変わらないので、中ほどがふくらみ、両端の近くは逆向きに曲がります。変曲点は、柱の長さの 1/4 と 3/4 のところ。変曲点の間は、柱の半分です。
- 一端固定・他端自由 自由な先端は、何も支えていないので、曲げる効き目が 0 の変曲点です。柱は、半波のちょうど半分にあたります。固定端のまわりに折り返した形(点線)を足すと、変曲点の間は、柱の長さの 2 倍になります。
- 一端固定・他端ピン ピンの端は変曲点です。もう1つの変曲点は、固定端から 0.301 L のところ。変曲点の間は、0.699 L になります。
この半波1つぶんの長さを有効座屈長さ と呼びます。柱の長さとの比 を有効長さ係数と呼びます。
前の単元の式 の は、半波の長さでした。そこを に置きかえます。
どの支え方でも、この1つの式で座屈荷重が出ます。
公式を、かたまりに分けて読む
- 曲がりにくさ 材料の硬さ()と、断面の形()の積です。戻す効き目の大きさにあたります。
- 半波1つぶんの長さ 半波が長いほど、同じずれでもゆるやかにしか曲がらず、戻す効き目が小さくなります。座屈荷重は、この長さの2乗に反比例します。
- 半波の形で決まる数 半波1つぶんの正弦曲線から出てくる数です。支え方が変わっても、この数は変わりません。変わるのは だけです。
支え方ごとの K と座屈荷重
支え方ごとの と、座屈荷重の比を並べます。荷重の比は、 です。
長さ 1,000 mm、断面 10 × 20 mm の鋼の板(ヤング率 206 GPa)が、薄い向きに曲がる場合の座屈荷重も並べました。
| 支え方 | 座屈荷重の比(両端ピン=1) | 鋼の板の座屈荷重 | |
|---|---|---|---|
| 一端固定・他端自由 | 2 | 1/4 | 847 N |
| 両端ピン | 1 | 1 | 3,389 N |
| 一端固定・他端ピン | 0.699(≒ 0.7) | 2.05 | 6,932 N |
| 両端固定 | 0.5 | 4 | 13,554 N |
両端ピンの行を、式で確かめます。板の弱い向きの は、20 × 10³ ÷ 12 = 1,667 mm⁴ です。
一端固定・他端自由では、 が 2,000 mm になります。分母が 4 倍になり、座屈荷重は 847 N です。
支え方を変えるだけで、16 倍
冒頭の問いに答えます。表の、いちばん上といちばん下を見てください。
一端固定・他端自由は 1/4、両端固定は 4 です。同じ柱なのに、耐えられる荷重が 4 ÷ (1/4) = 16 倍ちがいます。
が 2 と 0.5 で 4 倍ちがい、荷重は の2乗に反比例するからです。柱の長さを 4 倍にすると、座屈荷重が 1/16 になるのと同じことが、支え方だけで起きます。

どの数字がいちばん効くか
座屈荷重を、各変数だけ 10% 変えたときの変化です(長さ 1,000 mm、断面 10 × 20 mm の鋼の板、両端ピンを基準にしました)。
| 変える量 | 座屈荷重 | 比 |
|---|---|---|
| 薄い辺 を 10% 厚く | 4,510 N(+33.1%) | 1.331 |
| 長さ を 10% 長く | 2,800 N(−17.4%) | 0.826 |
| 有効長さ係数 を 10% 大きく(支えがゆるむ) | 2,800 N(−17.4%) | 0.826 |
| もう一方の辺 を 10% 大きく | 3,727 N(+10%) | 1.10 |
| ヤング率 を 10% 大きく | 3,727 N(+10%) | 1.10 |
いちばん効くのは、薄い辺 です。 が に比例するからです。
次が、 と です。2乗で効きます。 と は、 という積でしか式に入りません。だから、支えがゆるんで が 1 割大きくなるのは、柱が 1 割長くなるのと同じです。
ヤング率は、10% の変化では、いちばん小さい効きです(材料を鋼からアルミに替えると、1/3 になります)。
つまり、ものを作るときは
柱を長くせずに、座屈荷重を上げたいなら、端を固定に近づけます。旗ざおの根元を深く埋める。突っ張り棒の端を、回転しない受けにする。柱の上端を、梁や天板に固く結ぶ。どれも を小さくする工夫です。
ただし、柱の上の端が横にずれないことが前提です。天板ごと横に揺れるテーブルの脚は、上を天板に固く結んでも、 は 1 より小さくなりません。横ずれは、筋かいや壁で止めます。
逆に、端が思ったより回転したり、ずれたりすれば、 は大きくなり、座屈荷重は 2乗で下がります。固定のつもりで作った支えが、実際にはゆるんでいた、という事故につながります。
柱の途中を、横から押さえる手もあります。押さえた点で、柱は横に動けなくなるので、半波の長さが短くなります。
理論値と、設計で使う値は、ちがう
ここまでの は、端が理想の固定・ピン・自由になっている場合の値(理論値)です。
現実の固定は、どれだけ固く作っても、少しは回転します。ピンも、摩擦で完全には回転しません。
そのため、実際の設計では、理論値よりも大きめの を使う決まりになっています。たとえば、米国鋼構造協会(AISC)の設計基準の解説(AISC 360 の付録7の解説)は、理論値と、設計に推奨する値を並べた表を載せています。推奨値が理論値より少し大きいのは、接合部の固定が完全になることが、めったにないからです。設計に使う数値は、建築や機械など、使う分野の規格で確認してください。

動かしてみよう
支え方(4種類)を選んで、長さ・断面・材料を動かしてください。曲線は座屈したときの形、白い丸は変曲点、その間の長さが です。
まず、支え方だけを順に切り替えて、 の長さと座屈荷重を見比べます。次に、 を倍にすると座屈荷重が何倍になるか(8 倍のはずです)、確かめてみてください。
試してみよう0 / 3
- 「両端ピン」で、長さ L を2倍の 2,000 mm にして、座屈荷重を初期値と比べる(まだ)
- 長さを 1,000 mm に戻し、「両端固定」に切り替えて、図の白い丸(変曲点)の間の長さを見る(まだ)
- 「一端固定・他端ピン」に切り替えて、下の表の比を見る(まだ)
柱の断面は長方形(薄いほうの辺 、もう一方の辺 )。薄い向きに曲がるので、 を使います。
いまの式(数字を入れた形)
- 有効長さ係数
- 有効座屈長さ
- 断面二次モーメント
- 座屈荷重(この支持条件)
- 両端ピンの座屈荷重(同じ柱)
- 座屈荷重の比(両端ピン=1)
- 細長比(有効座屈長さ ÷ 断面の回転半径)
- 座屈するときの平均の応力(座屈荷重 ÷ 断面積)
同じ柱を、4つの支え方にしたときの比(いまの長さ・断面・材料で)
| 支え方 | K | 有効座屈長さ KL | 座屈荷重 Pcr | 比(両端ピン=1) |
|---|---|---|---|---|
| 固定-自由 | 2 | 2,000 mm | 847.1 N | 0.25 |
| ピン-ピン | 1 | 1,000 mm | 3,389 N | 1 |
| 固定-ピン | 0.6992 | 699.2 mm | 6,932 N | 2.05 |
| 固定-固定 | 0.5 | 500 mm | 13,550 N | 4 |
途中の計算(導出)を見る(一端固定・他端自由)
座屈形の条件から、kL を決める(一端固定・他端自由。k² = P/(EI))
有効長さ係数(両端ピンの kL = π を基準にした比)
有効座屈長さ(半波1つぶんの長さ)
断面二次モーメント(弱い軸=薄いほうの辺 b のまわり)
座屈荷重
同じ柱を両端ピンにしたときとの比(K² の逆数)
細長比と、座屈するときの平均の応力
よくある勘違い
「固定は、ピンより必ず強い」
座屈荷重だけを見れば、両端を固定した柱の値が大きくなります(4倍)。ただし、これは、固定端が理想どおり、まったく回転しない場合の値です。
固定端には、壁や土台に、曲げる効き目を受け止める強さが要ります。受け止める側が弱ければ、固定のつもりが、ピンと同じになります。
「 は材料で決まる」
は、端の支え方だけで決まる数です。鋼でも木でも、両端ピンなら 1 です。材料の硬さは に入り、 には入りません。
「有効座屈長さは、柱の本当の長さのことだ」
柱の本当の長さは です。有効座屈長さ は、半波1つぶんの長さで、座屈の計算のために両端ピンの柱に置きかえたときの長さです。一端固定・他端自由では、柱の 2 倍。両端固定では、半分になります。
この単元で使う前提
- 柱は、まっすぐで、荷重は柱の軸に沿って、断面の図心にかかる
- 材料は、一様で、フックの法則に従う範囲(弾性)で曲がる
- 支え方は、理想の固定・ピン・自由。一端固定・他端自由のほかは、柱の上の端と下の端が、横にずれ合わない
- 曲がる向きは、断面の弱い軸のまわり(薄い辺 の向き)。長方形では を使う
- 柱が十分に細長いこと。細長比 ( は断面二次半径)が小さい、太くて短い柱では、座屈の前に材料が押しつぶされるので、オイラーの式は答えが大きすぎます。鋼では、細長比が 100 より小さいときは、使えないと考えます(目安)
K の導き方(くわしく知りたい人へ)
柱が曲がったときの、釣り合いの式は、次のとおりです(オイラーの座屈荷重 の導出の式を、2回微分した形)。
とおくと、一般の解は、次の形です。
4つの定数 を、両端の条件で決めます。支え方が変わると、条件が変わり、解けるときの の最小値が変わる、というのが、この単元の中心です。
| 端の条件 | 式 |
|---|---|
| 固定端 | たわみ 、向き |
| ピン | たわみ 、曲げモーメント |
| 自由端 | 曲げモーメント 、横向きの力 |
これを、4つの支え方に当てはめると、 以外の解が出る条件(特性方程式)は、次のようになります。
| 支え方 | 特性方程式 | 最小の | |
|---|---|---|---|
| 一端固定・他端自由 | 2 | ||
| 両端ピン | 1 | ||
| 一端固定・他端ピン | 4.4934 | 0.6992 | |
| 両端固定 | 0.5 |
一端固定・他端ピンの は、式を解いて閉じた形では書けません。数値で解くと、最小の正の根が 4.4934 です。
座屈荷重は 。両端ピンでは なので、 です。どの支え方でも、 と書けば、次の式になります。
このサイトでの確かめ:特性方程式を解くのとは別に、柱をはり要素に分けて、座屈荷重を固有値問題として数値的に解く方法(有限要素法)でも を求めました。4つの支え方すべてで、特性方程式の答えと 6 桁一致しています。
例題
例題1 突っ張り棒の座屈
玄関の鴨居と床のあいだに、長さ 1,000 mm の鋼の丸棒(直径 12 mm、ヤング率 206 GPa)を突っ張らせます。両端は、棒が回転できる受けにはまっているだけです。
(1) 断面二次モーメント I。(2) 座屈荷重。(3) 同じ棒の両端を、ずれも回転もしないように固定したら、座屈荷重はいくつになりますか。
ヒント 1 / 2
丸棒の I は 。座屈荷重は で、回転できる受けは両端ピン()、両端固定は です。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
回転できる受けは、両端ピンです。K = 1 なので、有効座屈長さは棒の長さと同じ 1,000 mm です。 に、E = 206,000 N/mm²、I = 1,018 mm⁴、L = 1,000 mm を入れます。
両端固定は K = 0.5 です。有効座屈長さが半分になるので、荷重は 1/0.5² = 4 倍になります。
2.07 kN は、質量でいえば約 211 kg の物をのせる重さにあたります。理論値です。実際の棒は、まっすぐでも、荷重が真ん中に通ってもいないので、これより小さい荷重で曲がります。
例題2 旗ざおと、両端を固定した柱
庭に、30 mm 角の木の角材(長さ 2,000 mm、ヤング率は目安の 9 GPa)を、根元を地面にしっかり固定して立てます。先端は自由です。
(1) 有効座屈長さ。(2) 先端にまっすぐ下向きにかけたときの座屈荷重。(3) 同じ角材の両端(根元と先端)をどちらも固定したら、座屈荷重は何倍になりますか。
ヒント 1 / 2
根元だけ固定・先端自由は です。有効座屈長さ を出してから、 に入れます。
ヒント 2 / 2
正方形なので 。9 GPa = 9,000 N/mm² です。
答えと解き方を見る
座屈形の条件から、kL を決める(一端固定・他端自由。k² = P/(EI))
有効長さ係数(両端ピンの kL = π を基準にした比)
有効座屈長さ(半波1つぶんの長さ)
断面二次モーメント(弱い軸=薄いほうの辺 b のまわり)
座屈荷重
正方形の断面なので、どちらの向きに曲がっても I は同じ(30⁴/12 = 67,500 mm⁴)です。
根元だけ固定の K は 2、両端固定の K は 0.5。K が 4 倍ちがうので、荷重は 4² = 16 倍ちがいます。
先端を自由のままにしておくか、横に動かないように押さえるか。それだけで、同じ角材が耐える荷重は 16 倍変わります。
例題3 座屈しない長さの限界
鋼の板(厚さ 10 mm、幅 20 mm、ヤング率 206 GPa)を柱にして、5 kN の荷重を支えます。
座屈荷重がちょうど 5 kN になる長さを、(1) 両端ピン、(2) 一端固定・他端ピン、(3) 両端固定、(4) 一端固定・他端自由、のそれぞれで求めてください(理論値です)。
ヒント 1 / 2
を L について解くと、 です。
ヒント 2 / 2
弱い軸の 、 N として、先に両端ピン()の長さを出します。
答えと解き方を見る
座屈荷重の式 を、L について解きます。L = π √(E I / P) / K。弱い軸の I = 20 × 10³/12 = 1,667 mm⁴ です。
π √(E I / P) は、両端ピンの長さ(823 mm)です。他の支え方は、これを K で割るだけです。
支え方を変えるだけで、同じ荷重に耐える長さが、412 mm から 1,646 mm まで 4 倍変わります。荷重は長さの 2 乗に反比例するので、長さが 4 倍なら荷重は 16 倍です。
実際の設計では、理想の固定やピンにならない分と安全率を見込むので、これより短い柱にします。