片側ピン・片側固定柱の座屈荷重の計算式と導出方法

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長柱は座屈に注意しないと、部材の圧縮強度より小さな外力で壊れてしまいます。今回は、片側固定で、片側ピンの境界条件における座屈荷重を算定しましょう。

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記事を書いた人

ハナダユキヒロ／建築学生が学ぶ「構造力学」

難解な構造力学、建築構造の用語を分かりやすく解説する専門家。高等専門学校在学中から建築学生が学ぶ「構造力学」を運営。その後、国立大学大学院⇒組織設計事務所⇒弊サイト運営に従事している。

著書：「わかる構造力学/工学社」、「わかる構造力学改訂版/工学社」

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オイラー座屈荷重の理論展開

さて、次の図を見てください。この長柱に圧縮荷重を作用させた場合の状態です。この柱は座屈を起こし、yの変形をおこしているとします。この状態で弾性曲線式を解き、座屈荷重を求めましょう。また、この図では下方向を正のy、右方向を正のxとしています。

まず、両端ピンの柱に集中荷重Pと点Aのたわみ角が0となるような曲げモーメントMが作用している場合と考えます。この場合、釣り合いが成立するように両端に作用する垂直反力

Q=T/L

が作用します。この場合、赤点での曲げモーメントは、

です。弾性曲線式は以下のように示されます。

曲げモーメントは

です。よって、

計算を行いやすくするために、

とします。このような微分方程式（斉次方程式）を解く場合、解のyを以下のように仮定して解きます。

既に、解き方は示しているのでここでは計算過程を省略しますね。一般解は、

さて、目的は座屈荷重を求めることです。まずは境界条件によって定数を求めましょう。

境界条件は

です。以上より、

また、x=L、y=0より座屈条件式を求めます。

です。よって、以上の式を満たすklは次のように

4.493、7.725、10.904…

ですから、以上の最小値をとって座屈荷重は

以上の式が、片持ち梁の座屈荷重です。基本的な計算過程は両端ピンの場合と同じですが、曲げモーメントや境界条件等が異なってきます。また、kの求め方が少し違うので戸惑ってしまうかもしれませんね。また、一般解の求め方は省略していますが、要望があればのせたいと思います。計算過程は同じなので、自分で解いてみてくださいね。