Vintage】1960年代 アメリカ軍のベイカーパンツ | 昭和最終世代ベイカーパンツ 米軍の中古/未使用品 - メルカリ人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 70'S アメリカ軍 US ARMY ベイカーパンツ 米軍の中古/未使用品 - メルカリVintage】1960年代 アメリカ軍のベイカーパンツ | 昭和最終世代ベイカーパンツ 米軍の中古/未使用品 - メルカリ70'S アメリカ軍 US ARMY 人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 ベイカーパンツ 米軍の中古/未使用品 - メルカリ人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 Vintage】1960年代 アメリカ軍のベイカーパンツ | 昭和最終世代人気新品入荷 ビンテージ army us 70s ミリタリー 古着 軍物 米軍 ベイカーパンツ 米軍の中古/未使用品 - メルカリ70'S アメリカ軍 US ARMY 70'S アメリカ軍 US ARMY Vintage】1960年代 アメリカ軍のベイカーパンツ | 昭和最終世代Vintage】1960年代 アメリカ軍のベイカーパンツ | 昭和最終世代
本稿では,断面二次モーメントについて説明したのち,様々な断面形状の断面二次モーメントを導出する。
曲げモーメントに対するはりの部材の変形のしにくさを表した量である。物体の断面(大きさや形状)を変えると,断面二次モーメント(area moment of inertia, 2nd moment of area, second area moment, quadratic moment of alea)の値も変化するので,設計上の指標として用いられる。
中立丸軸や角形などの単純な形状において,中立軸は断面図形の図心(centroid of area)を通過する。
下図に示すような図形において,その重心 G を図心という。したがって,図のように図心 G を原点とする直角座標系 $(y,z)$ を考える。
断面の微小面積要素 $\text{d}A$ と微小要素の $z$ 軸から距離 $y$ とすると,$z$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ は次式で求められる。
\[ I_z = \int_{A}{y^2}\text{d}A \]断面の微小面積要素 $\text{d}A$ と微小要素の $y$ 軸から距離 $z$ とすると,$y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_y$ は次式で求められる。
\[ I_y = \int_{A}{z^2}\text{d}A \]なお,断面二次モーメントの量記号,次元,SI 単位は次表で表される。
項目 | 記号,次元,単位 | 説明 |
---|---|---|
量記号 | $I$ | 大文字のアイ |
次元 | $L^4$ | 長さの 4 乗 |
SI 単位 | m4 | メートルの 4 乗 |
ピエール・ヴァリニョン(Pierre Varignon,1654 年 - 1722 年)はフランスの数学者である。静力学の分野でのヴァリニョンの定理(バリニオンの定理)で知られる。
下図に示すウェブの幅 $t_1$,フランジの幅 $B$,フランジ厚さ $t_2$,高さ $H$ の I 形断面(I-beam)の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ を求める。
ウェブ部の微小要素の面積 $\text{d}A$ は次式で表される。
\[ \text{d}A=t_1 \text{d}y \]フランジ部の微小要素の面積 $\text{d}A$ は次式で表される。
\[ \text{d}A=B \text{d}y \]I 形断面の図心 G を通り,各辺に平行な座標系 $(y, z)$ を考える。$z$ 軸に関する対称性を考慮し,$y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ を求める。
\[ I_z=\int_A y^2 \text{d}A \] \[ I_z=2\int^{\frac{H}{2}-t_2}_{0} y^2 \cdot t_1 \text{d}y +2\int^{\frac{H}{2}}_{\frac{H}{2}-t_2} y^2 \cdot B\text{d}y \] \[ I_z=2t_1[\frac{y^3}{3}]^{\frac{H}{2}-t_2}_{0} +2B[\frac{y^3}{3}]^{\frac{H}{2}}_{\frac{H}{2}-t_2} \] \[ I_z=2t_1 \times \frac{1}{3}\times(\frac{H}{2}-t_2)^3 +2B \times \frac{1}{3}\times(\frac{H}{2})^3 -2B \times \frac{1}{3}\times(\frac{H}{2}-t_2)^3 \] \[ I_z=\frac{t_1}{12}(H-2t_2)^3+\frac{BH^3}{12} -\frac{B}{12}(H-2t_2)^3 \] \[ I_z=\frac{BH^3-(H-2t_2)^3(B-t_1)}{12} \]図に示す直径が $d$ である円形(中実丸棒)断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ を求める。
赤色で示した微小要素の面積 $\text{d}A$ は次式で表される。
\[ \text{d}A = 2 \sqrt{\frac{d^2}{4}-y^2}\cdot \text{d}y \]円形断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ は次式で求められる。
\[ I_z=\int_{A} y^2 \text{d}A=\int^{\frac{d}{2}}_{-\frac{d}{2}} y^2 \cdot 2 \sqrt{\frac{d^2}{4}-y^2}\cdot \text{d}y \]ここで,$\displaystyle y=\frac{d}{2}\sin{\theta}$ とおく。
\[ \frac{\text{d}y}{\text{d}\theta}=\frac{d}{2}\cos{\theta} \] \[ \text{d}y=\frac{d}{2}\cos{\theta} \text{d}\theta \]$y$ | $\displaystyle -\frac{d}{2}$ | 0 | $\displaystyle \frac{d}{2}$ |
---|---|---|---|
$\theta$ | $\displaystyle -\frac{\pi}{2}$ | 0 | $\displaystyle \frac{\pi}{2}$ |
断面二次モーメント $I_z$ は,次式のように変形できる。
\[ I_z=\int^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \frac{d^2}{4} \sin^2 \theta \cdot 2 \cdot \sqrt{\frac{d^2}{4}-\frac{d^2}{4}\sin^2 \theta} \cdot \frac{d}{2}\cos\theta \cdot \text{d}\theta \] \[ I_z=\int^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \frac{d^2}{4} \sin^2 \theta \cdot 2 \cdot \frac{d}{2}\cos\theta \cdot \frac{d}{2}\cos\theta \cdot \text{d}\theta \] \[ I_z=\frac{d^4}{8}\int^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \sin^2{\theta}\cos^2{\theta} \text{d}\theta \]ここで,倍角の公式 $\sin{2\theta}=2\sin{\theta}\cos{\theta}$ より,次式に変形する。
\[ I_z=\frac{d^4}{32}\int^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \sin^2{2\theta} \text{d}\theta \]ここで,半角の公式 $\displaystyle \sin^2{\frac{\theta}{2}}=\frac{1-\cos{\theta}}{2}$ より,次式に変形する。
\[ I_z=\frac{d^4}{32}\int^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \frac{1-\cos{4\theta}}{2} \text{d}\theta \] \[ I_z=\frac{d^4}{32}[\frac{\theta}{2}-\frac{\sin{4\theta}}{8}]^{\frac{\pi}{2}}_{-\frac{\pi}{2}} \] \[ I_z=\frac{\pi d^4}{64} \]断面二次極モーメント $I_p$により,断面二次モーメント $I_z$ を導出する。
上図に示す図心 G から距離 $r$ の微小円輪要素の面積 $\text{d}A$ は,次式で求められる。
\[ \text{d}A=2\pi r \cdot \text{d}r \]断面二次極モーメント $I_p$ を求める。
\[ I_p=\int_{A}r^2 \text{d}A \] \[ I_p=\int^{\frac{d}{2}}_{0}r^2 \cdot 2\pi r \cdot \text{d}r \] \[ I_p=2\pi\int^{\frac{d}{2}}_{0} r^3 \text{d}r \] \[ I_p=2\pi[\frac{r^4}{4}]^{\frac{d}{2}}_{0} \] \[ I_p=\frac{\pi d^4}{32} \]図形の対称性より,$I_z = I_y$ であるので,円形断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ は,次式で求められる。
\[ I_z =\frac{I_p}{2}=\frac{\pi d^4}{64} \]図に示す外径が $D$,内径が $d$ である中空円形(中空丸棒)断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ を求める。なお,断面二次極モーメント $I_p$により,断面二次モーメント $I_z$ を導出する。
上図に示す図心 G から距離 $r$ の微小円輪要素の面積 $\text{d}A$ は,次式で求められる。
\[ \text{d}=2\pi r \cdot \text{d}r \]断面二次極モーメント $I_p$ を求める。
\[ I_p=\int_{A}r^2 \text{d}A \] \[ I_p=\int^{\frac{D}{2}}_{\frac{d}{2}}r^2 \cdot 2\pi r \cdot \text{d}r \] \[ I_p=2\pi\int^{\frac{D}{2}}_{\frac{d}{2}} r^3 \text{d}r \] \[ I_p=2\pi[\frac{r^4}{4}]^{\frac{D}{2}}_{\frac{d}{2}} \] \[ I_p=\frac{\pi (D^4-d^4)}{32} \]図形の対称性より,$I_z = I_y$ であるので,円形断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ は,次式で求められる。
\[ I_z =\frac{I_p}{2}=\frac{\pi (D^4-d^4)}{64} \]図に示す幅 $b$,内幅 $b_1$,高さ $h$,内高さ $h_1$ の長方形管断面の $y$ 軸に関する断面二次モーメント $I_z$ を求める。長方形管は,中空長方形,角パイプともいう。
\[ I_z = \int_{A}y^2 \text{d}A \] \[ I_z = 2 \int^{h_1/2}_{0} (b-b_1)y^2 \text{d}y + 2 \int^{h/2}_{h_1/2} by^2 \text{d}y \] \[ I_z = 2(b-b_1)[\frac{y^3}{3}]^{h_1/2}_{0} + 2b[\frac{y^3}{3}]^{h/2}_{h_1/2} \] \[ I_z = \frac{b{h_1}^3}{12} - \frac{b_1{h_1}^3}{12} + \frac{bh^3}{12} - \frac{b{h_1}^3}{12} \] \[ I_z = \frac{bh^3-b_1h_1^3}{12} \]
断面が正方形管,つまり,$b=h$,$b_1 = h_1$ のときの断面二次モーメント $I_z$ は次式で表される。
\[ I_z=I_y=\frac{b^4-{b_1}^4}{12} \]断面二次モーメントに関する演習問題を示す。
図のような断面において,図心の座標 ($x_0$, $y_0$) の値を求めよ。ただし,$\displaystyle x_0 = \frac{S_y}{A}$,$\displaystyle y_0 = \frac{S_x}{A}$ であり,$S_x$,$S_y$ はそれぞれ $X$ 軸,$Y$ 軸まわりの断面一次モーメント,$A$ は全断面積を示すものとする。(単位は mm とする。)
図心を求めるために,下の図のように断面積が等しくなるよう 2 つに分けて考える。
断面 A の図心の座標は (10, 20),断面 B の図心の座標は (20, 50) である。よって,求める図心の座標は (15, 35) である。
$X$ 軸まわりの断面一次モーメントは,次式で求められる。
\[ S_x=\int_A{y}\text{d}A=20\int_{0}^{40}{y}\text{d}y + 40\int_{40}^{60}{y}\text{d}y=56000 \]$Y$ 軸まわりの断面一次モーメントは,次式で求められる。
\[ S_y=\int_A{x}\text{d}A=60\int_{0}^{20}{x}\text{d}x+20\int_{20}^{40}{x}\text{d}x=24000 \]全断面積 $A$ は,次式で求められる。(断面 A と断面 B の断面積の和)
\[ A=40\times20+20\times40=1600 \]よって,図心の座標は,次式で求められる。
\[ x_0=\frac{S_y}{A}=\frac{24000}{1600}=15 \text{ [mm]} \] \[ y_0=\frac{S_x}{A}=\frac{56000}{1600}=35 \text{ [mm]} \]図のような形状の等しい断面 A 及び断面 B において,図心を通る $X$ 軸に関する断面二次モーメントを求めよ。ただし,小数点以下は四捨五入とする。(単位は cm とする。)
H 形の断面 A の断面二次モーメントは,次式で求められ,337 [cm4] である。
\[ I_z = \frac{2t_2 B^3 + {t_1}^3(H-2t_2)}{12} = \frac{2 \times 2 \times 10^3 + 2^3(10-2\times 2)}{12}=337.3 \]I 形の断面 B の断面二次モーメントは,次式で求められ,689 [cm4] である。
\[ I_z=\frac{BH^3-(H-2t_2)^3(B-t_1)}{12}=\frac{10\times10^3-(10-2\times2)^3(10-2)}{12}=689.3 \]与えられた形状においては,H 形に比べ,I 形の方が断面二次モーメントが大きくなる。