- 科目
- 材料力学
- 章
- はりのたわみ
- 図番
- 18 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
壊れなくても、たわみすぎたら失敗たわみの制限と、はりの設計
許される量(L/300 など)から逆算して、はりの高さを決める。たわみから決まる高さと応力から決まる高さのうち、大きい値を採る。細長いはりはたわみで、短くて太いはりは応力で決まる。

このページの内容
この単元のポイント
- たわみは、「許される量」を先に決めて、そこから逆算する。許される量は、スパンの (L/300 など)か、0.05 mm のような絶対値で言う。
- 必要な高さは、たわみからと応力からの2通りを出して、大きい値を採る。許容たわみを2倍厳しくしても、高さは +26% ですむ。
- 細長いはりはたわみで、短くて太いはりは応力で高さが決まる。境目は、スパン÷高さ。鋼の中央荷重(L/300)なら、およそ 26。
前の単元との違い前の単元までは、寸法からたわみを出しました。この単元では逆に、許されるたわみから寸法を決めます。
壊れていないのに、使えない
棚板に重い箱を載せると、真ん中がたわんで、箱が中央に寄ってきます。工作機械のテーブルが 0.1 mm たわむと、削った面が平らになりません。ロボットの腕の先が 1 mm 下がれば、部品をつかみそこないます。
どれも、折れてはいません。荷重を外せば、元に戻ります。それでも、「使えない」のです。

この単元では、壁から突き出した鋼の腕を、例にします。幅 30 mm、長さ 800 mm で、先に 300 N(約 30 kg)の荷物を下げます。
この腕の高さを、何 mm にすればよいでしょうか。
予想してから読む腕の先が下がってよい量を、半分に厳しくします。たわみから決まる腕の高さは、何倍になる?
ここまでの単元では、荷重・スパン・断面から、たわみを計算してきました。この単元では、向きを逆にします。「このくらいまでなら、たわんでよい」を先に決めて、必要な断面を後から決めるのです。これが、はりの設計です。
許されるたわみ(許容たわみ)の言い方
「たわんでよい量」を許容たわみ といいます。言い方は2通りあります。
- スパンに対する比 スパン の 以下、つまり 。「L/300」「L/500」のように書きます。
- 絶対値 「0.05 mm 以下」のように、長さそのもので決めます。

比で言うのは、棚・床・橋のように、スパンが場面によって違うものです。L/300 なら、スパン 600 mm で 2 mm、1,800 mm で 6 mm、3,000 mm で 10 mm。見た目のたわみ具合が、どの大きさでも同じになります。
絶対値で言うのは、機械です。加工の精度や、物をつかむ位置の精度は、スパンとは関係なく決まるからです。
では、「L/300」や「0.05 mm」という数字は、誰がどう決めているのでしょうか。
| 場面 | 許容たわみ | 出どころ |
|---|---|---|
| 建築の床のはり(木造) | 計算したたわみ × 2 が L/250 以下。計算上は L/500 | 建築基準法施行令第82条第4号に基づく告示(平成12年建設省告示第1459号) |
| 建築の床のはり(鉄骨造) | 計算したたわみ × 1 が L/250 以下。計算上は L/250 | 同じ告示 |
| 棚・一般のはり | L/300 前後 | 目安(規格の値ではありません) |
| 機械のテーブル・送り | 0.01〜0.1 mm 程度 | 目安。製品に必要な精度で、設計する人が決めます |
| ロボットの腕の先 | 0.1〜1 mm 程度 | 目安。つかむ物の許容位置ずれで決まります |
建築の2行は、告示の文面で確認した数字です。告示は、計算したたわみに変形増大係数を掛けてから、スパンの 1/250 以下かどうかを確かめます。長い間かかる荷重で、変形が少しずつ増えることを見込むためです。
係数は、木造のはりで 2、鉄骨造のはりで 1 です。木は、重さをかけ続けると変形がじわじわ増えるので、係数が大きくなっています。

下の3行は、規格から引いた数字ではなく、設計の現場で使われる目安です。機械の許容たわみには、全部に通じる決まりはありません。「何 mm 狂うと、製品が不良になるか」から、自分で決めます。
同じ告示には、もう1つ条件があります。せい(はりの高さのこと)がスパンの 1/12(木造)、1/15(鉄骨造)より大きければ、たわみの確認を省いてよい、というものです。背が高いはりなら、たわみを計算しなくてよいのです。
この「スパンに対する高さ」が、あとで大事になります。
設計の手順
はりの設計は、5つの手順です。
- 荷重と支え方を決める。どこに、どれだけ、どうかかるか。
- 許容たわみ を決める。
- たわみの式を、 について解く。たわみが ちょうどになる が、「必要な 」です。
- 断面を選ぶ。長方形で幅 を決めたら、 から、必要な高さ が出ます。
- 曲げ応力も確かめる。 が許容応力 以下になる高さ を出して、2つのうち大きい値を採ります。
鋼の腕で、やってみる
最初の腕で、手順をたどります。許容たわみは L/300、許容応力は 156.7 MPa とします。
手順2。許容たわみ。先端は、2.67 mm まで下がってよいことになります。
手順3。必要な 。片持ちの先端のたわみ (片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重))を、 と等しくおきます。両辺に を掛けて、 で割ると、 について解けます。
必要な は 93,204 mm⁴ です。
手順4。高さ。 を、 について解きます。
手順5。応力から決まる高さ。根元の曲げモーメントは = 300 × 800 = 240,000 N·mm です。(断面係数(形の効率))を使って、 を について解きます。
2つのうち大きい値で、必要な高さは 33.4 mm。たわみで決まります。
高さを 34 mm にすると、たわみは 2.53 mm(許容の 95%)、応力は 41.5 MPa(許容の 26%)です。応力には、まだたっぷり余裕があります。
3つの基本の形
同じ手順を、3つの基本の形について、文字のまま行った結果です。許容たわみは です。
| 支え方 | たわみの式 | たわみから決まる高さ () | 最大曲げモーメント |
|---|---|---|---|
| 片持ち・先端に | |||
| 単純支持・中央に | |||
| 単純支持・全長に |
たわみの式は、片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重)・単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重)・単純支持ばりのたわみ(等分布荷重) のものです。応力から決まる高さは、どの支え方でも です。
たわみで決まるか、応力で決まるか
なぜ、腕の例では、応力の高さ(17.5 mm)よりずっと大きな高さが、たわみから出てきたのでしょうか。
たわみと応力の関係を、1段ずつ出してみます。式の形が簡単な、単純支持・中央荷重で考えます。
まず、たわみです。 を入れます。12 と 48 が約分されて、4 が残ります。
次に、応力です。 を、 で割ります。6/4 は 3/2 です。
応力の式を、 について解きます。
これを、たわみの式に入れます。 が消え、 は1つだけ残ります。
両辺を で割ると、たわみと応力が、1本の式でつながります。
単純支持・中央荷重では です。同じやり方で、片持ち・先端荷重は 2/3、単純支持・等分布は 5/24 になります。
- は、材料が伸び縮みする割合(ひずみ)です。応力が許容いっぱいでも、鋼は 156.7/206,000 ≒ 0.00076。0.076% しか伸びません。
- は、はりの細長さです。細長いほど、わずかなひずみが、スパン全体で積み重なって大きなたわみになります。
境目のスパン÷高さ
応力を許容いっぱい()にしたとき、たわみがちょうど許容いっぱい()になる細長さを探します。
について解きます。
- スパン÷高さが、この値より大きい(細長い)と、応力が許容に届く前に、たわみが先に許容に届きます。たわみで高さが決まります。
- この値より小さい(短くて太い)と、たわみが余っているのに、応力が先に許容に届きます。応力で高さが決まります。
数を入れます。鋼(206 GPa・許容応力 156.7 MPa)、単純支持・中央荷重()、許容たわみ L/300 です。
図は、応力をちょうど許容いっぱいにしたはりで、たわみが許容の何%になるかを描いたものです。スパン÷高さに比例して、まっすぐ増えます。100% の線を越えるところが、境目です。

3つの支え方の境目は、次のとおりです(鋼、L/300)。
| 支え方 | 境目のスパン÷高さ | たとえば |
|---|---|---|
| 片持ち・先端荷重 | 6.6 | スパン 800 mm なら、高さが約 122 mm より低いと、たわみで決まる |
| 単純支持・中央荷重 | 26 | スパン 1,000 mm なら、高さが約 38 mm より低いと、たわみで決まる |
| 単純支持・等分布 | 21 | スパン 1,200 mm なら、高さが約 57 mm より低いと、たわみで決まる |
材料で比べると、境目は に比例します。中央荷重・L/300 では、鋼で 26、アルミ(70 GPa、許容応力 70 MPa は目安)で 20、木(9 GPa、許容応力 6 MPa は目安)で 30 です。
許容応力いっぱいのときのひずみ は、鋼で 0.076%、アルミで 0.10%、木で 0.067% です。ひずみが小さい材料ほど、境目が大きく、応力で決まる範囲が広くなります。
機械では、たわみが先に決める
機械の許容たわみは、絶対値で言います。要求がとても小さいので、はりは大きな断面になります。

スパン 600 mm、幅 50 mm の鋼の横ばりの真ん中に、3,000 N がかかるとします。
- 許容たわみが 0.05 mm(L/12,000)のとき、必要な高さは 68 mm。応力は、許容の約 7.5% しか使われません。
- 許容たわみを L/300(2 mm)に緩めると、必要な高さは 19.9 mm。3.4分の 1 です。
要求が精密になるほど、はりは「壊れない太さ」から「たわまない太さ」へ変わります。精度が要る機械の部品が、見た目より大きく重いのは、このためです。
どの数字がいちばん効く?
必要な高さが、それぞれの数字を10%変えたとき、どう変わるかを並べます。たわみから決まる高さ と、応力から決まる高さ で、効き方が違います。
| 変えるもの(10%) | たわみから決まる高さ | 応力から決まる高さ |
|---|---|---|
| 許容たわみを、10%厳しく( を10%大きく) | +3.2% | 変わらない |
| スパン を10%長く(集中荷重) | +6.6% | +4.9% |
| スパン を10%長く(等分布で、 は同じ) | +10% | +10% |
| 荷重を10%大きく | +3.2% | +4.9% |
| 幅 を10%広く | −3.1% | −4.7% |
| 材料の硬さ を10%上げる | −3.1% | 変わらない |
| 許容応力 を10%上げる | 変わらない | −4.7% |
たわみは、高さの3乗に反比例します。だから、高さの側から見ると、ほかの数字は 1/3 乗でしか効きません。
許容たわみを L/300 から L/500 に厳しくすると( が 5/3 倍)、たわみから決まる高さは +18.6% です。半分(2倍厳しく)にしても、+26% です。
もう1つ、表から読み取れることがあります。強い材料に替えて許容応力を上げても、たわみから決まる高さは1ミリも変わりません。変わるのは、硬さ だけです(片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の「強さと硬さ」と同じ話です)。
鋼の腕に戻ると
最初の問いに答えます。幅 30 mm、長さ 800 mm の鋼の腕に、300 N を下げるときです。
- 応力だけで決めると 17.5 mm。たわみを L/300 に収めるには 33.4 mm。必要な高さは 33.4 mm です。
- 腕のスパン÷高さは、800 ÷ 33 ≒ 24。片持ちの境目 6.6 を大きく超えた、細長いはりです。だから、たわみで決まりました。
- ロボットの腕のように 1 mm 以下を求めるなら、さらに高さが要ります。
つまり、ものを作るときは
はりの高さは、2回計算して、大きい値を採ります。たわみから、応力から。細長いはり(棚板、床ばり、長い橋のけた)は、応力だけで決めると、たわみ過ぎます。
機械は逆に、応力の余裕がたっぷりあっても、たわみの要求が高さを決めます。「壊れない」と「使える」は、別の条件です。
はじめに、スパン÷高さを見積もります。境目(鋼なら 6〜26 くらい)より大きければ、たわみから。小さければ、応力から。
動かしてみよう
まず、「支え方」と「材料」を選びます。次に、荷重・スパン・許容たわみ()・幅を入れると、必要な高さが出ます。
- 許容たわみの を 300 から 1,000 に動かすと、たわみから決まる高さだけが増えます。
- 支え方を「単純支持・中央に集中荷重」にして、スパン を 300 mm まで短くすると、境目を越えて、決めている条件が「たわみ」から「応力」に入れ替わります(片持ちの初期値では、スパンを短くしても入れ替わりません。許容応力を下げるか、荷重を増やすと入れ替わります)。
- 「試す高さ」を必要な高さより小さくすると、ものさしの棒が 100% を越えて、NG になります。たわみだけが NG になる高さも、応力だけが NG になる高さもあります。
許容応力 156.7 MPa は、建築用の鋼 SS400 の長期の値(F/1.5)。アルミの許容応力 70 MPa は目安です。合金と調質で大きく変わります。木の E と許容応力 6 MPa は目安です。樹種と等級で大きく変わります。許容応力 σa の欄は、自分で書き換えられます。断面は、幅 b を決めた長方形です。片持ちの盤には「試してみよう」があります。
試してみよう0 / 3
- 許容たわみの n を2倍の 600 にして(L/600)、たわみから決まる高さ hδ を見る(まだ)
- 許容たわみを戻して、許容応力 σa だけを 40 MPa まで下げる(まだ)
- 材料の「鋼」のボタンで許容応力を戻して、試す高さ h だけを 30 mm に下げる(まだ)
たわみは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×20 のまま変えないので、数字を変えると、たわみの大きさが、そのまま図に出ます。
いまの式(数字を入れた形)
- 必要な高さ(大きい値)
- たわみから決まる高さ
- 応力から決まる高さ
- 許容たわみ
- 試した高さでの最大たわみ
- 試した高さでの最大曲げ応力
ほかの値(5 個)
- 最大曲げモーメント
- 必要な I(たわみから)
- たわみの使用率(たわみ ÷ 許容たわみ)
- 応力の使用率(応力 ÷ 許容応力)
- 境目のスパン÷高さ
途中の計算(導出)を見る
許容たわみ(スパンの 1/n)
最大曲げモーメント
たわみが許容値になるための I(たわみの式を I について解く)
たわみから決まる高さ(長方形:I = b h³/12 を h について解く)
応力から決まる高さ(σa = M/Z、Z = b h²/6 を h について解く)
必要な高さ(2つのうち大きい値)
試す高さでの最大たわみ
試す高さでの最大曲げ応力
よくある勘違い
「応力が許容以下なら、安全で使える」
応力が合格なら、使える → たわみは別に確かめます。
鋼の腕で、高さを 30 mm にすると、応力は許容の 34% で、とても余裕があります。でも、たわみは許容の 1.38 倍です。壊れはしませんが、使えません。
「たわみが許容以内なら、壊れない」
たわみが合格なら、壊れない → 応力も別に確かめます。
スパンが短くて太いはりは、たわみが許容に収まっていても、応力が許容を超えることがあります。鋼・中央荷重で、スパン 300 mm、幅 20 mm、高さ 45 mm に 20,000 N をかけると、たわみは許容の 36% で OK、応力は許容の 1.42 倍で NG です。
「強い鋼にすれば、細くできる」
応力から決まる高さは、許容応力が上がれば小さくなります。でも、たわみから決まる高さは、硬さ でしか変わりません。
高強度の鋼の は、普通の鋼とほぼ同じです。細長いはりは、強い鋼に替えても、細くできません。
「許容たわみは、法律で決まっている」
決まっているのは、建築のはりの一部(床のはりなど)だけです。機械の許容たわみには、全部に通じる決まりがありません。製品の要求から、設計する人が決めます。
この設計が使える条件
- たわみが、スパンに比べて十分小さい(スパンの1割くらいまで)
- 荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
- はり自身の重さは、荷重に含めて考える(この単元の計算には入れていない)
- 断面は、端から端まで同じ長方形で、荷重は高さの方向にかかる
- 高さが、スパンの 1/5 を超えるような、背の高いはりは、せん断によるたわみも出て、この式は合わなくなる(目安)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
必要な高さの式は、たわみの公式を について解いて、 を代入するだけです。等分布荷重(単純支持)では、たわみを許容たわみと等しくおきます。
これを について解きます。
高さにすると、 なので、 で次のようになります。
・・・ は 1/3 乗で効きます。許容たわみを L/300 から L/500 に厳しくすると、 倍です。
応力の側は、 を について解きます。
本文の は、ほかの支え方でも同じ手順で出ます。片持ち・先端荷重では、、 なので、 を消すと です。単純支持・等分布では、、 から、 になります。
例題
例題1 部品置き場の鋼の棚板
作業場の部品置き場に、鋼の板を水平に渡して棚板にします。板は、幅 300 mm、両端を支えられたスパンが 1,200 mm。縦弾性係数は 206 GPa、許容応力は 156.7 MPa とします。板の重さは考えません。
板の全体に均等に、合わせて 1,800 N(約 180 kg)の部品を載せます。たわみは、スパンの 1/300 以下に収めたいとします。
(1) 板の厚さ(高さ)は、少なくとも何 mm 必要ですか。(2) その厚さを決めているのは、たわみと応力のどちらですか。(3) 厚さを 13 mm にしたとき、たわみと応力は、許容の何%ですか。
ヒント 1 / 2
「単純支持・全長に等分布」の行を使います。 を について解き、 から高さを出します。応力から決まる高さも出して、大きいほうを採ります。
ヒント 2 / 2
許容たわみは mm、1 mm あたりの荷重は N/mm です。
答えと解き方を見る
許容たわみ(スパンの 1/n)
最大曲げモーメント
たわみが許容値になるための I(たわみの式を I について解く)
たわみから決まる高さ(長方形:I = b h³/12 を h について解く)
応力から決まる高さ(σa = M/Z、Z = b h²/6 を h について解く)
必要な高さ(2つのうち大きい値)
許容たわみは 1200/300 = 4 mm。たわみの式を I について解いて、必要な高さを出します。応力から決まる高さは 5.87 mm なので、たわみから決まる高さは、応力から決まる高さの2倍以上です。
細長いはり(この棚板はスパンが厚さの約 100 倍)では、強さの計算だけで厚さを決めると、たわみすぎる棚になります。
例題2 作業小屋の木の床ばり
作業小屋の床を支える木のはりを考えます。1本のはりは、幅 60 mm、スパン 2,700 mm、両端で支えられています。縦弾性係数は 9 GPa、許容応力は 6 MPa とします(どちらも、この問題で決めた値です)。はりが受け持つ荷重は、全体に均等で、1 mm あたり 1.0 N(スパン全体で 2,700 N)です。
建築基準法の考え方では、木造の床のはりは、計算したたわみを2倍(長い間かかる荷重で変形が増える分)にして、スパンの 1/250 以下になることを確かめます。つまり、計算上の許容たわみは、スパンの 1/500 です。
(1) 計算上の許容たわみは何 mm ですか。(2) はりの高さは、少なくとも何 mm 必要ですか。(3) 2倍の割り増しを考えず、許容を 1/250 としたら、必要な高さは何 mm ですか。
ヒント 1 / 2
許容たわみはスパンの 1/500。等分布荷重のたわみの式をそれと等しくおき、 について解きます。応力から決まる高さ とも比べます。
ヒント 2 / 2
最大曲げモーメントは N·mm です。
答えと解き方を見る
許容たわみ(スパンの 1/n)
最大曲げモーメント
たわみが許容値になるための I(たわみの式を I について解く)
たわみから決まる高さ(長方形:I = b h³/12 を h について解く)
応力から決まる高さ(σa = M/Z、Z = b h²/6 を h について解く)
必要な高さ(2つのうち大きい値)
許容たわみ 2700/500 = 5.4 mm。たわみから決まる高さと、応力から決まる高さが近いので、どちらも気を抜けない設計です。
許容たわみを 2 倍に緩めると、必要な高さは 2 の 3 乗根(約 1.26)分の 1、つまり 0.794 倍になります。許す量を2倍にしても、高さは約 21% しか減りません。たわみは高さの 3 乗に反比例するので、高さの側から見ると 1/3 乗でしか効かないからです。
例題3 工作機械の送りテーブルを支える横ばり
工作機械の送りテーブルを、鋼の横ばりが両端で支えています。スパンは 600 mm、はりの幅は 50 mm です。加工中の荷重は、はりの真ん中に 3,000 N かかるとします。縦弾性係数は 206 GPa、許容応力は 156.7 MPa です。
加工の精度のため、はりの真ん中のたわみは 0.05 mm 以下にしたいとします(この問題で決めた要求です)。0.05 mm は、スパンの 1/12,000 にあたります。
(1) はりの高さは、少なくとも何 mm 必要ですか。(2) 高さを 70 mm にしたとき、応力は許容の何%ですか。(3) 許容たわみを、建築のはりのようにスパンの 1/300 まで緩めると、必要な高さは何 mm になりますか。また、そのとき決めているのは、たわみと応力のどちらですか。
ヒント 1 / 2
「単純支持・中央に集中荷重」の式 を、 mm と等しくおいて、 について解きます。
ヒント 2 / 2
最大曲げモーメントは N·mm。(3) では、許容たわみが mm になります。
答えと解き方を見る
許容たわみ(スパンの 1/n)
最大曲げモーメント
たわみが許容値になるための I(たわみの式を I について解く)
たわみから決まる高さ(長方形:I = b h³/12 を h について解く)
応力から決まる高さ(σa = M/Z、Z = b h²/6 を h について解く)
必要な高さ(2つのうち大きい値)
要求が 0.05 mm のときは、応力が許容の 7% しか使われていません。精度が必要な機械では、壊れないための余裕より、たわまないための高さが、はりの大きさを決めます。
許容を 1/300 に緩めると、高さは 3 分の 1 以下の約 20 mm になります。ここでは、たわみから決まる高さ(19.9 mm)と応力から決まる高さ(18.6 mm)がほぼ同じで、境目の近くです。スパン÷高さは、(1) の高さで約 8.8、(3) の高さで約 30 です。