構造力学においては支点について理解しておくことが非常に重要です。
支点が違えば力の伝わり方が違います。
例えば、橋梁について考えてみると、支承と呼ばれる部材が橋脚と桁との間に位置し、これが支点となります。
橋脚この支承の種類によって桁から橋脚、桁から桁への力の伝達の仕方が大きく変わりますし、各部材の設計上も支承による固定のされ方は安全性の評価に大きな影響を与えます。
大学等で学ぶ構造力学では、支点の種類は問題を解く前提となっており、これらの性質をしっかり理解しておくことが重要です。
本記事では、支点や節点によって力の伝わり方がどのように異なるのか、断面力図においてどのような影響があるのかなどについてまとめました。
支点・節点とは？
まず、支点と節点とはどのような意味なのかについて説明します。
支点
支点とは、部材と部材や構造物と地盤とを接合する点のことです。
橋梁の桁を評価する際は、下図のように橋脚と桁を接合する部分が支承と呼ばれる部材で、ここを支点として考えます。
節点
節点も部材と部材の接合点のことを言うのですが、一体の構造モデルとして評価を行う際の部材と部材を結ぶ接合点のことを言います。
橋梁の場合で言うと、桁のみを評価する（モデル化する）場合は支承部を支点として考えますが、例えば桁と橋脚を一緒に評価する際は支承は節点となります。
支点・節点の種類
ピン支点・ヒンジ支点
ピン支点・ヒンジ支点とは、鉛直方向、水平方向の移動は拘束しますが、回転は拘束しないような支点のことを言います。
支点反力は拘束される方向に生じるので、鉛直方向、水平方向の成分があります。曲げモーメントは発生しません。
モデル化すると以下のようになります。
ローラー支点
ローラー支点とは、鉛直方向は拘束しますが、水平方向は自由、回転も自由となる支点です。
支点反力は鉛直方向のみです。
モデル化すると下図のようになります。
固定端
固定端は鉛直方向、水平方向、回転全てを拘束するような端部のことを言います。
そのため支点反力としては、鉛直方向、水平方向、曲げモーメントのすべてが発生することになります。
モデル化すると下図のようになります。
ヒンジ
ヒンジとは部材と部材を繋げる節点のことで、鉛直方向、水平方向の力は伝達しますが、曲げモーメントを伝達しません。
そのため、ヒンジの部分で曲げモーメントはゼロになるというのが特徴です。
モデル化すると下図のようになります。
剛結
ヒンジと違い、鉛直方向、水平方向の力や曲げモーメントなど全てを伝達します。
要はモデル上完全に一体となっていることを示します。
支点による力の伝わり方の違い
前述したように、支点・節点の種類によって力やモーメントの伝わり方は大きく異なります。
どのように力が伝わるのか、実構造物の設計に関わったことのある方ならイメージしやすいと思いますが、構造物の設計をなかなかやったことのない学生さんはあまりイメージできないかもしれません。
なので、どのような力の伝わり方をするのか以下の表にまとめてみました。断面力図を描くときに役立てられるように書きましたので、以下の記事と一緒に確認してみてください！
断面力を伝達しない部分を赤線で囲みました。他の部分は断面力を普通に伝達するので、赤枠の部分をしっかり覚えておきましょう。