科目
材料力学
章
断面の性質
図番
04 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 4 / 22

同じ重さでも、H形は正方形の10倍曲がりにくい断面二次モーメント

曲がりにくさを決める「形」の量。遠い材料ほど効くので、同じ重さでも、H形は正方形の10倍。長方形の高さが3乗で効く理由。

机の上の2つの本の山に、同じ定規を2本渡してある。手前の平らな定規は指で押されて大きくたわみ、奥の立てた定規はまっすぐなまま

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
  1. 同じ定規なのに、立てると曲がらない
  2. 遠い帯ほど、2乗で効く
  3. 長方形の I を、帯を足して作る
  4. 立てた定規は、何倍?
  5. 同じ材料の量で、形を比べる
  6. 動かしてみよう
  7. よくある勘違い
  8. よく使う形の I
  9. この単元で使う前提
  10. 例題

この単元のポイント

  1. 断面二次モーメント I\sI は、断面を帯に切って、帯の面積 × 中立軸からの距離の2乗を全部足したもの。
  2. 2乗になるのは、帯の力も、回す腕も、距離に比例するから。長方形なら I=bh3/12\sI = \sb\sh^3/12 で、高さは3乗で効く。定規は、立てるだけで225倍曲がりにくくなる。
  3. 同じ材料の量でも、遠くへ置くほど I\sI は大きい。H形は、同じ面積の正方形の約10倍。

同じ定規なのに、立てると曲がらない

プラスチックの定規を、2つの台に平らに渡して、真ん中を指で押します。定規は、ぐにゃりと曲がります。

今度は、同じ定規を、長い軸のまわりに 90° 回して、立てて渡します。同じ力で押しても、びくともしません。

同じ定規を、平らにして指で押すと大きく曲がり、立てて同じ力で押すとほとんど曲がらない。それぞれの横に、定規の断面(平らは横長、立てるは縦長の長方形)
図 4-01同じ定規でも、立てると曲がりにくくなります。

材料も、長さも、重さも、同じです。ちがうのは、置き方だけです。

置き方で変わる、この曲がりにくさを、1つの数にしたものが、断面二次モーメント I\sI です。

立てるだけで、曲がりにくさは何倍にもなります。その倍率は、どこから来るのでしょうか。

予想してから読む幅 30 mm・厚さ 2 mm の定規。平らに置いたときと比べて、立てると、曲がりにくさは何倍?

遠い帯ほど、2乗で効く

まず、図心(断面の中心) の単元のおさらいです。

はりを曲げると、上のほうは縮み、下のほうは伸びます。その間の、長さの変わらない線が中立軸でした。中立軸は図心を通ります。長方形なら、高さの真ん中です。

断面を、横に薄い帯に切ると、中立軸から遠い帯ほど、大きく伸び縮みします。だから、1本の帯が受け持つ力は、「距離 × 面積」に比例しました。

はりを曲げると、上の面は縮み、下の面は伸びる。中立軸の線は伸びも縮みもしない。中立軸から遠いところほど、伸び縮みの矢印が長い
図 4-04中立軸の上は縮み、下は伸びます。中立軸から遠いほど、伸び縮みが大きくなります。

ここからが、この単元の話です。

はりの切り口を、横から見ます。曲げると、切り口は、中立軸を支点にして少し回ります。縦に立てたシーソーと同じです。

帯の力は、この切り口を押したり引いたりして、回そうとします。

シーソーの決まりを思い出してください。同じおもりでも、支点から遠くに置くほど、シーソーを強く回します。回す効き目は、力 × 距離です。図心の単元で 2×1=1×22 \times 1 = 1 \times 2 が釣り合ったのも、この決まりでした。

では、切り口のシーソーに、帯を置いてみます。同じ面積の帯を3本、中立軸の下に置きます。距離は 1、2、3 です。

帯の力は距離に比例するので、1、2、3 です。回す効き目は、力 × 距離です。

1×1=1,2×2=4,3×3=9\htmlClass{q-force}{1} \times 1 = 1,\qquad \htmlClass{q-force}{2} \times 2 = 4,\qquad \htmlClass{q-force}{3} \times 3 = 9 切り口は、縦に立てたシーソー中立軸(支点)111222333距離回る向き回す効き目 = 力 × 距離1 × 1 = 12 × 2 = 43 × 3 = 9距離 3 倍 → 効き目 9 倍距離が2回かかる(力と腕)ので、2乗

距離が3倍になると、効き目は9倍です。

力にも距離がかかり、回す腕にも距離がかかります。距離が2回かかるので、2乗になるのです。

y⏟力×y⏟腕=y2\underbrace{y}_{\text{力}} \times \underbrace{y}_{\text{腕}} = y^2

上の側の帯も同じです。図心の単元では、上の押す力と下の引く力が、つり合いました。でも、回す向きは、上も下も同じです。上は押して、下は引いて、同じ向きに切り口を回します。だから、回す効き目は、上と下で足し合わさります。

帯の面積が広ければ、力も、そのぶん大きくなります。だから、1本の帯の効き目は、面積 × 距離の2乗です。この効き目を、断面のすべての帯について、全部足します。

I=∑ΔA⏟帯の面積 y2⏟距離の2乗\sI = \sum \underbrace{\Delta A}_{\text{帯の面積}}\,\underbrace{y^2}_{\text{距離の2乗}}

これが、断面二次モーメント I\sI です。ΔA\Delta A は帯の面積、yy は中立軸から帯までの距離です。遠い材料ほど、2乗で効く。I\sI は、このことを1つの数にしたものです。

面積は長さの2乗です。そこに距離の2乗をかけるので、単位は長さの4乗です。mm で測れば mm⁴ になります。

長方形の I を、帯を足して作る

では、長方形の断面で、I\sI を作ってみます。幅を b\sb、高さを h\sh とします。

まず、いちばん粗く、上と下の2本の帯に切ります。図心の単元と同じように、帯の面積は、帯の真ん中に集まっていると見ます。

使う式は、「面積 × 距離の2乗」を2本ぶん足す、です。

I≈ΔA y2+ΔA y2\sI \approx \Delta A\,y^2 + \Delta A\,y^2

1本の帯の面積は、全体の半分で bh/2\sb\sh/2。距離は、中立軸から帯の真ん中までで、高さの 1/4 です。数を式の枠に入れます。

I≈2×bh2×(h4)2=2×132 bh3=116 bh3\sI \approx 2 \times \dfrac{\sb\sh}{2} \times \left(\dfrac{\sh}{4}\right)^2 = 2 \times \dfrac{1}{32}\,\sb\sh^3 = \dfrac{1}{16}\,\sb\sh^3

面積から b\sb と h\sh、距離の2乗から h2\sh^2。かけ合わせると、bh3\sb\sh^3 が出てきます。

次に、4本に切ります。帯の面積は、どれも bh/4\sb\sh/4。距離は、近い2本が h/8\sh/8、遠い2本が 3h/83\sh/8 です。2乗すると、近い帯が 1、遠い帯が 9。シーソーのとおり、遠い帯は9倍効きます。

I≈2×bh4×12+3282 h2=2×14×1064 bh3=564 bh3\sI \approx 2 \times \dfrac{\sb\sh}{4} \times \dfrac{1^2 + 3^2}{8^2}\,\sh^2 = 2 \times \dfrac{1}{4} \times \dfrac{10}{64}\,\sb\sh^3 = \dfrac{5}{64}\,\sb\sh^3

帯を細かくするほど、答えは少しずつ大きくなります。帯を1点に集めると、帯の中の、遠いほうの材料を取りこぼすからです。

2本1/164本5/6410本33/400帯を足して、長方形の I を作る数は bh³ の何倍か(濃い帯ほどよく効く)1/1275%2本94%4本99%10本99.99%100本1/12 に対する割合

10本で、もう 99%。限りなく細かく切ると、ぴったり 1/12 になります。ぴったりの値は、積分という計算で出せます(下の「式の導き方」)。

I=b h312\sI = \dfrac{\sb\,\sh^3}{12}

12 という数は、帯を細かく足していった行き着く先です。形が変われば、この数も変わります。

式を、かたまりに分けて読む

I=b⏟幅(1乗)×h3⏟高さ(3乗)×112⏟帯を足した行き着く先\sI = \underbrace{\sb}_{\text{幅(1乗)}} \times \underbrace{\sh^3}_{\text{高さ(3乗)}} \times \underbrace{\dfrac{1}{12}}_{\text{帯を足した行き着く先}}
  1. 幅 b\sb(1乗) 幅を2倍にするのは、同じ長方形を横に2つ並べるのと同じです。I\sI も2倍です。
  2. 高さ h3\sh^3(3乗) 高さを2倍にすると、帯の面積が2倍になります。しかも、どの帯も中立軸から2倍遠くなります。シーソーの腕が2倍なので、効き目は2乗で4倍。面積の2倍と合わせて、8倍です。
  3. 係数 1/12 帯を細かく足していった行き着く先です。長方形の形で決まる数です。

高さを2倍にしたときを、式と数で確かめます。

h→2h  ⇒  I→23 I=8 I(h=1→13=1,h=2→23=8)\sh \to 2\sh \;\Rightarrow\; \sI \to 2^3\,\sI = 8\,\sI \qquad (\sh = 1 \to 1^3 = 1,\quad \sh = 2 \to 2^3 = 8)

立てた定規は、何倍?

冒頭の定規に戻ります。幅 30 mm、厚さ 2 mm です。使う式は、長方形の式です。平らなときと、立てたときの2つを並べます。

平らに置くと、幅が 30 mm、高さが 2 mm です。

I平ら=30×2312=30×812=20 mm4\sI_{\text{平ら}} = \dfrac{30 \times 2^3}{12} = \dfrac{30 \times 8}{12} = 20\ \mathrm{mm^4}

立てると、幅と高さが入れかわります。幅が 2 mm、高さが 30 mm です。

I立てる=2×30312=2×27,00012=4,500 mm4\sI_{\text{立てる}} = \dfrac{2 \times 30^3}{12} = \dfrac{2 \times 27{,}000}{12} = 4{,}500\ \mathrm{mm^4}

20 と 4,500。立てるだけで、225倍曲がりにくくなります。

平らに置くI = 30 × 2³ ÷ 1220 mm⁴腕 1 mm立てるI = 2 × 30³ ÷ 124,500 mm⁴腕 15 mm中立軸× 225

225 は、15 の2乗です。幅と厚さの比は 15 倍。高さは3乗、幅は1乗で効くので、差し引き 15 の2乗が残ります。

2×30330×23=30222=152=225\dfrac{2 \times 30^3}{30 \times 2^3} = \dfrac{30^2}{2^2} = 15^2 = 225

シーソーで見ると、こうです。立てた定規は、材料が中立軸から 15 mm のところまで広がっています。平らな定規は、1 mm までです。腕が短くて、回す効き目が小さいのです。

同じ材料の量で、形を比べる

次は、材料の量を同じにして、形だけを変えます。断面積は、どれも 1,800 mm²。同じ重さの棒です。比べるのは3つ。正方形、立てた長方形、H形です。

まず、正方形。一辺は 42.4 mm です。長方形の式に、幅も高さも 42.4 を入れると、I\sI は 270,000 mm⁴ です。これを、基準の 1 にします。

次に、幅 30 mm、高さ 60 mm の、立てた長方形です。I\sI は 540,000 mm⁴。正方形の2倍です。

最後に、H形。高さ 100 mm、幅 60 mm、上と下の板(フランジ)の厚さ 10 mm、まん中の板(ウェブ)の厚さ 7.5 mm です。

H形の I\sI は、大きな長方形から、左右のすき間を引いて求めます。図心の単元で、穴の面積を引いたのと同じ考え方です。左右のすき間は、寄せると、幅 60−7.5=52.560 - 7.5 = 52.5 mm、高さ 100−2×10=80100 - 2 \times 10 = 80 mm の1つの長方形になります。

I=60×100312⏟外側−52.5×80312⏟すき間=5,000,000−2,240,000=2,760,000 mm4\sI = \underbrace{\dfrac{60 \times 100^3}{12}}_{\text{外側}} - \underbrace{\dfrac{52.5 \times 80^3}{12}}_{\text{すき間}} = 5{,}000{,}000 - 2{,}240{,}000 = 2{,}760{,}000\ \mathrm{mm^4}

正方形の 270,000 と比べると、およそ10倍です(2,760,000÷270,000=10.22{,}760{,}000 \div 270{,}000 = 10.2)。

正方形一辺 42.4立てた長方形30 × 60H形高さ 100・幅 60中立軸断面積はどれも 1,800 mm²(同じ重さ)。単位 mm×1正方形×2立てた長方形×10.2H形I(正方形を 1 とした比)

材料は、少しも足していません。正方形の中ほどの材料を、上と下へ移しただけです。それだけで、10倍になりました。

シーソーで言えば、おもりを、支点の近くから遠くの端へ置きなおしたのです。効き目は距離の2乗なので、遠くへ移した材料ほど、大きく効きます。

建物のはりが H形なのも、自転車のフレームが太くて薄いパイプなのも、同じ理由です。

H形鋼、丸いパイプ、自転車のフレームのパイプ。どれも、断面の中立軸から遠いところに材料が集まっている
図 4-03H形鋼もパイプも、材料は中立軸から遠いところにあります。

ただし、板を薄くしすぎると、その部分がへこんだり、ねじれたりします。冒頭の定規も、立てて強く押すと、横へねじれて倒れようとします。薄くするのには、限度があります(くわしくは オイラーの座屈荷重 の単元)。

動かしてみよう

H形の寸法を動かして、同じ断面積の正方形と比べてみてください。ウェブ(中ほどの板)を薄く、フランジ(上下の板)を厚くすると、棒グラフの差がどう変わるでしょうか。

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. ウェブの厚さ tw を 5 mm に薄くして、正方形との比を見る(まだ)
  2. tw をフランジの幅と同じ 60 mm にして、60 × 100 mm の長方形にする(まだ)
  3. 長方形のまま(tw 60 mm)、高さ H を2倍の 200 mm にする(まだ)
mm
mm
mm
mm
中立軸HBH形同じ断面積の正方形断面積 1,800 mm²一辺 42.4 mm2,760,000270,000H形の I正方形の II は 10.2 倍(単位 mm⁴。同じ材料の量で比べる)
I の比(H形 ÷ 正方形)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

η=II正方形\htmlClass{q-material}{\eta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{I}}{\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}}}=2,760,000270,000= \dfrac{2{,}760{,}000}{270{,}000}=10.22 倍= 10.22\ \text{倍}
断面積
A=1,800 mm2\htmlClass{q-geometry}{A} = 1{,}800\ \mathrm{mm^2}
断面二次モーメント
I=2,760,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = 2{,}760{,}000\ \mathrm{mm^4}
同じ断面積の正方形の I
I正方形=270,000 mm4\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}} = 270{,}000\ \mathrm{mm^4}
I の比(H形 ÷ 正方形)
η=10.22 \htmlClass{q-material}{\eta} = 10.22\
途中の計算(導出)を見る
  1. ウェブの内のり高さ(上下のフランジを除いた高さ)

    h=H−2 tf=100−2×10=80 mmh = \htmlClass{q-geometry}{H} - 2\,\htmlClass{q-geometry}{t_f} = 100 - 2 \times 10 = 80\ \mathrm{mm}
  2. 断面積(フランジ2枚+ウェブ)

    A=2 B tf+h tw=2×60×10+80×7.5=1,800 mm2\htmlClass{q-geometry}{A} = 2\,\htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{t_f} + h\,\htmlClass{q-geometry}{t_w} = 2 \times 60 \times 10 + 80 \times 7.5 = 1{,}800\ \mathrm{mm^2}
  3. 断面二次モーメント(大きな長方形から、両側のすき間を引く)

    I=B H3−(B−tw) h312=60×1003−(60−7.5)×80312=2,760,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{H}^3 - (\htmlClass{q-geometry}{B} - \htmlClass{q-geometry}{t_w})\,h^3}{12} = \dfrac{60 \times 100^3 - (60 - 7.5) \times 80^3}{12} = 2{,}760{,}000\ \mathrm{mm^4}
  4. 同じ断面積の正方形の I(一辺 √A、I = (√A)⁴/12 = A²/12)

    I正方形=A212=1,800212(一辺 42.43 mm)=270,000 mm4\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{A}^2}{12} = \dfrac{1{,}800^2}{12}\quad (\text{一辺 } 42.43\ \mathrm{mm}) = 270{,}000\ \mathrm{mm^4}
  5. I の比(同じ材料の量で、何倍曲がりにくいか)

    η=II正方形=2,760,000270,000=10.22 倍\htmlClass{q-material}{\eta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{I}}{\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}}} = \dfrac{2{,}760{,}000}{270{,}000} = 10.22\ \text{倍}

つまり、ものを作るときは

曲がりにくい部材は、材料を、中立軸から遠いところに集めます。H形鋼、パイプ、箱形の断面が使われるのは、このためです。

同じ重さなら、太く薄い管は、細い丸棒よりずっと曲がりにくくなります。外径 60 mm、肉厚 3 mm の管(断面積は約 537 mm²)は、同じ断面積の丸棒(直径約 26.2 mm)の約 9.5 倍曲がりにくくなります。

板を使うなら、立てて使います。たわむ棚板の前の縁に、細い板を縦に貼って補強するのも、同じ考え方です。

同じ重さの細い丸棒と太く薄い管を、同じおもりで曲げる。細い丸棒は大きく曲がり、太い管はほとんど曲がらない
図 4-06同じ重さでも、太い管は細い丸棒よりずっと曲がりにくくなります。

よくある勘違い

「面積が同じなら、I も同じ」

ちがいます。上の3つは、どれも同じ面積でした。それでも、I\sI は10倍ちがいました。

「材料を 10% 増やせば、I も 10% 増える」

足す場所で変わります。30 × 60 mm の立てた長方形で比べます。どちらも、断面積は 10% 増えます。

  • 幅を 10% 広げると、I\sI も 10% 増えます。幅は1乗だからです。
  • 高さを 10% 伸ばすと、I\sI は 33% 増えます。1.13=1.3311.1^3 = 1.331 です。

中立軸から遠ざかる向きに足した材料ほど、よく効きます。ほかの寸法も並べると、次のとおりです(丸棒は直径 60 mm、管は外径 60 mm・内径 54 mm)。

変えるもの I\sI の変化 理由
長方形の高さ h\sh を10%高く +33% 3乗(1.1³ ≒ 1.33)
長方形の高さ h\sh を10%低く −27% 0.9³ ≒ 0.73
長方形の幅 b\sb を10%広く +10% 1乗
丸棒の直径 dd を10%太く +46% 4乗(1.1⁴ ≒ 1.46)
管の外径を10%太く(肉厚は同じ) +35%(断面積は +11%) 材料を外へ広げる
管の肉厚を10%厚く(外径は同じ) +8%(断面積は +9%) 内側に足しても、あまり効かない

「I が大きいほど、壊れにくい」

I\sI が表すのは、曲がりにくさ(たわみにくさ)です。壊れにくさは、材料の強さと、断面係数という別の量で決まります。断面係数は、はりの章の 断面係数(形の効率) の単元で扱います。

よく使う形の I

断面 断面積 A\sA I\sI
長方形 b h\sb\,\sh b h3/12\sb\,\sh^3/12
丸棒 πd2/4\pi d^2/4 πd4/64\pi d^4/64
丸管 π(D2−d2)/4\pi (D^2 - d^2)/4 π(D4−d4)/64\pi (D^4 - d^4)/64
箱形 BH−bh\sB\sH - \sb\sh (BH3−bh3)/12(\sB\sH^3 - \sb\sh^3)/12
H形 2Btf+htw2\sB\stf + h\stw (BH3−(B−tw)h3)/12\bigl(\sB\sH^3 - (\sB - \stw)h^3\bigr)/12

記号は、長方形が幅 b\sb・高さ h\sh、丸棒が直径 dd、丸管が外径 DD・内径 dd、箱形が外側の幅 B\sB・高さ H\sH と内側の幅 b\sb・高さ h\sh。H形は、高さ H\sH、フランジの幅 B\sB・厚さ tf\stf、ウェブの厚さ tw\stw、ウェブの内のり高さ h=H−2tfh = \sH - 2\stf です。箱形・丸管・H形は、どれも「外側の形から、すき間の形を引く」考え方です。

この単元で使う前提

  • 中立軸は、断面の図心を通る、水平な線(曲げの軸)
  • 断面は、上下対称(長方形、H形、円など)。非対称な断面は、図心の位置を先に求める
  • 長さの単位をそろえる(mm で入れると、I\sI は mm⁴ で出る)

図心からずれた軸のまわりの I\sI は、平行軸の定理 の単元で求めます。

式の導き方(くわしく知りたい人へ)

定義:帯を限りなく細くすると、足し算 ∑ΔA y2\sum \Delta A\,y^2 は積分になります。

I=∫y2 dA\sI = \int y^2\,dA

長方形:中立軸から yy の位置にある帯(厚さ dydy)の面積は b dy\sb\,dy です。

I=∫−h/2h/2y2 b dy=b⋅23(h2)3=b h312\sI = \int_{-\sh/2}^{\sh/2} y^2\,\sb\,dy = \sb\cdot\dfrac{2}{3}\left(\dfrac{\sh}{2}\right)^3 = \dfrac{\sb\,\sh^3}{12}

帯 n 本の足し算が 1/12 に近づくこと:帯 n 本の真ん中に面積を集めた足し算は、112(1−1n2)bh3\dfrac{1}{12}\left(1 - \dfrac{1}{n^2}\right)\sb\sh^3 です。足りない bh3/(12n2)\sb\sh^3/(12 n^2) は、帯それぞれが自分の真ん中のまわりに持つ I\sI(高さ h/n\sh/n の長方形 n 本ぶん)です。n = 2 で 1/16、n = 4 で 5/64、n = 10 で 33/400 です。

丸棒:中心から距離 rr の、薄い輪(厚さ drdr)の面積は 2πr dr2\pi r\,dr です。中心のまわりで r2r^2 をかけて足した量を JJ とすると、

J=∫0d/2r2⋅2πr dr=2π⋅(d/2)44=πd432J = \int_0^{d/2} r^2 \cdot 2\pi r\,dr = 2\pi\cdot\dfrac{(d/2)^4}{4} = \dfrac{\pi d^4}{32}

r2=y2+z2r^2 = y^2 + z^2 で、円はどの向きにも同じなので、水平な軸まわりの I\sI と垂直な軸まわりの I\sI が等しく、J=2IJ = 2\sI です。よって、

I=J2=πd464\sI = \dfrac{J}{2} = \dfrac{\pi d^4}{64}

中空・箱形・H形:外側の形の I\sI から、すき間の形の I\sI を引きます。H形は、高さ H\sH・幅 B\sB の長方形から、左右に1つずつ、すき間(幅 (B−tw)/2(\sB - \stw)/2、高さ hh)を引きます。2つのすき間は、どちらも中立軸をはさんで上下対称なので、まとめて幅 B−tw\sB - \stw、高さ hh の1つの長方形として引けます。

I=B H312−(B−tw) h312\sI = \dfrac{\sB\,\sH^3}{12} - \dfrac{(\sB - \stw)\,h^3}{12}

例題

例題1 小型の H形鋼

高さ 100 mm、フランジ(上下の板)の幅 50 mm、厚さ 6 mm、ウェブ(中ほどの板)の厚さ 4 mm の H形鋼があります。

(1) 断面積。(2) 断面二次モーメント I。(3) 同じ断面積の正方形の棒と比べて、I は何倍ですか。

ヒント 1 / 2

大きな長方形(50×10050 \times 100 mm)から、左右のすき間を引きます。I={BH3−(B−tw)h3}/12I = \{BH^3 - (B - t_w)h^3\}/12 です。

ヒント 2 / 2

ウェブの内のり高さは h=100−2×6h = 100 - 2 \times 6 mm、すき間の幅は 50−450 - 4 mm です。

答えと解き方を見る
(1) A=952 mm2(1)\ \sA = 952\ \mathrm{mm^2}
(2) I=1,554,357 mm4(2)\ \sI = 1{,}554{,}357\ \mathrm{mm^4}
(3) 20.58 倍  (正方形の I=75,525 mm4)(3)\ 20.58\ \text{倍}\ \ (\text{正方形の } \sI = 75{,}525\ \mathrm{mm^4})
  1. ウェブの内のり高さ(上下のフランジを除いた高さ)

    h=H−2 tf=100−2×6=88 mmh = \htmlClass{q-geometry}{H} - 2\,\htmlClass{q-geometry}{t_f} = 100 - 2 \times 6 = 88\ \mathrm{mm}
  2. 断面積(フランジ2枚+ウェブ)

    A=2 B tf+h tw=2×50×6+88×4=952 mm2\htmlClass{q-geometry}{A} = 2\,\htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{t_f} + h\,\htmlClass{q-geometry}{t_w} = 2 \times 50 \times 6 + 88 \times 4 = 952\ \mathrm{mm^2}
  3. 断面二次モーメント(大きな長方形から、両側のすき間を引く)

    I=B H3−(B−tw) h312=50×1003−(50−4)×88312=1,554,357 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{B}\,\htmlClass{q-geometry}{H}^3 - (\htmlClass{q-geometry}{B} - \htmlClass{q-geometry}{t_w})\,h^3}{12} = \dfrac{50 \times 100^3 - (50 - 4) \times 88^3}{12} = 1{,}554{,}357\ \mathrm{mm^4}
  4. 同じ断面積の正方形の I(一辺 √A、I = (√A)⁴/12 = A²/12)

    I正方形=A212=952212(一辺 30.85 mm)=75,525.33 mm4\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{A}^2}{12} = \dfrac{952^2}{12}\quad (\text{一辺 } 30.85\ \mathrm{mm}) = 75{,}525.33\ \mathrm{mm^4}
  5. I の比(同じ材料の量で、何倍曲がりにくいか)

    η=II正方形=1,554,35775,525.33=20.58 倍\htmlClass{q-material}{\eta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{I}}{\htmlClass{q-material}{I_{\text{正方形}}}} = \dfrac{1{,}554{,}357}{75{,}525.33} = 20.58\ \text{倍}

同じ高さ・同じ幅の長方形(50 × 100 mm)の I は 4,166,667 mm⁴ です。H形鋼は、材料の量が約 5分の1(952 ÷ 5,000)なのに、I は 37% あります。

材料を、中立軸から遠い上下のフランジに集めているからです。

例題2 丸棒と、同じ重さの角棒

直径 40 mm の丸棒と、同じ断面積(同じ重さ)の正方形の棒があります。

(1) 丸棒の I。(2) 正方形の一辺。(3) 正方形の I は、丸棒の I の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

丸棒は I=πd4/64I = \pi d^4/64、正方形は I=a4/12I = a^4/12。一辺 aa は、断面積が丸棒と同じになるように決めます。

ヒント 2 / 2

丸棒の断面積は π×402/4\pi \times 40^2/4 mm²。正方形の一辺は、その平方根です。

答えと解き方を見る
(1) 125,664 mm4(1)\ 125{,}664\ \mathrm{mm^4}
(2) 35.45 mm(2)\ 35.45\ \mathrm{mm}
(3) 1.047 倍(3)\ 1.047\ \text{倍}

丸い断面は、中立軸から遠い上下の材料が少ないので、同じ面積の正方形より、約 5% 小さい I です。

正方形は、どの向きに曲げても I が同じです(対角線の向きでも同じ)。

例題3 パイプと、同じ重さの丸棒

外径 60 mm、内径 48 mm の中空の丸管(パイプ)と、同じ断面積(同じ重さ)の中身の詰まった丸棒があります。

(1) パイプの I。(2) 丸棒の直径。(3) パイプの I は、丸棒の I の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

パイプは、外側の円から内側の円を引いて、I=π(D4−d4)/64I = \pi(D^4 - d^4)/64 です。丸棒は πd4/64\pi d^4/64。

ヒント 2 / 2

パイプの断面積は π(602−482)/4\pi(60^2 - 48^2)/4 mm²。同じ面積の丸棒の直径を、ここから出します。

答えと解き方を見る
(1) 375,596 mm4(1)\ 375{,}596\ \mathrm{mm^4}
(2) 36 mm(2)\ 36\ \mathrm{mm}
(3) 4.556 倍(3)\ 4.556\ \text{倍}

同じ重さのまま、材料を中空にして外側へ広げると、曲がりにくさが 4.6 倍になります。

自転車のフレームや、足場のパイプ、釣り竿の太い部分が、中空なのは、このためです。