出典：建築物衛生管理技術者試験令和3年度(2021年)｜建築物の構造概論第95問
問題
建築物の荷重又は構造力学に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) 地震力を計算する場合、住宅の居室の積載荷重は、事務室よりも小さく設定されている。
(2) 曲げモーメントは、部材のある点において部材を湾曲させようとする応力である。
(3) 片持ち梁の先端に集中荷重の作用する梁のせん断力は、梁の固定端部で最も大きい。
(4) ラーメン構造の部材に生じる応力には、曲げモーメント、せん断力、軸方向力がある。
(5) 建築物に作用する土圧は、常時荷重として分類されている。
ビル管過去問｜建築物の荷重と構造力学｜地震力・曲げモーメント・せん断力を解説
この問題は、建築物に作用する荷重の分類と、構造力学の基本的な考え方が理解できているかを問う問題です。地震力の算定に用いる積載荷重の扱い、曲げモーメントやせん断力の意味、ラーメン構造に生じる応力の種類、土圧の荷重区分といった、構造分野の基礎知識が幅広く確認されています。正答は(3)で、片持ち梁の先端に集中荷重が作用する場合、せん断力は固定端だけで大きくなるのではなく、梁全体で一定となるため、この記述が不適当です。構造力学では、力の大きさだけでなく、部材のどこでどのように作用するかを整理して覚えることが重要です。
(1) 地震力を計算する場合、住宅の居室の積載荷重は、事務室よりも小さく設定されている。
適切です。地震力を算定する際には、建物の自重に加えて、建物内にある家具や人などに由来する積載荷重も一定割合で考慮します。一般に事務室は机、書類棚、機器類などが多く置かれるため、住宅の居室より積載荷重が大きく見込まれます。そのため、地震力計算に用いる積載荷重も、住宅の居室より事務室の方が大きく設定されます。日常感覚でも、住宅の一室より事務所の方が物が多く重くなりやすいと考えると理解しやすいです。
(2) 曲げモーメントは、部材のある点において部材を湾曲させようとする応力である。
適切です。曲げモーメントとは、梁や柱などの部材を曲げようとする作用を表す量です。厳密には「応力」そのものではなく、部材内部に曲げを生じさせる原因となる力のモーメントですが、試験では「部材を湾曲させようとする作用」と理解しておけば十分です。たとえば梁の中央に荷重がかかると、梁はたわみ、内部には曲げに抵抗する力が生じます。このような曲がろうとする作用を数値化したものが曲げモーメントです。構造力学の基本用語として、せん断力や軸方向力との違いとあわせて押さえることが大切です。
(3) 片持ち梁の先端に集中荷重の作用する梁のせん断力は、梁の固定端部で最も大きい。
不適切です。片持ち梁の先端に集中荷重が1つだけ作用する場合、せん断力は固定端でだけ大きくなるのではなく、荷重点から固定端までの区間で一定になります。つまり、梁のどの断面で見てもせん断力の大きさは同じです。一方で、曲げモーメントは固定端に近づくほど大きくなり、固定端で最大になります。この問題は、せん断力と曲げモーメントの分布を混同していないかを問う典型的なひっかけです。固定端で最大になるのは曲げモーメントであり、せん断力ではない点を正確に区別する必要があります。
(4) ラーメン構造の部材に生じる応力には、曲げモーメント、せん断力、軸方向力がある。
適切です。ラーメン構造は、柱と梁を剛接合して一体的に力を負担する構造です。このため、各部材には曲げモーメント、せん断力、軸方向力が複合的に生じます。たとえば柱には上からの荷重による圧縮力だけでなく、地震や風による水平力に抵抗するための曲げやせん断も生じます。梁についても、鉛直荷重による曲げだけでなく、接合条件や水平力の影響でせん断力や軸方向力が発生することがあります。ラーメン構造は複数の応力が同時に作用する構造形式であることを理解しておくことが重要です。
(5) 建築物に作用する土圧は、常時荷重として分類されている。
適切です。土圧は、地盤や盛土が擁壁や地下外壁などに常時及ぼす圧力であり、通常は常時荷重として扱われます。常時荷重とは、建築物に継続的に作用する荷重であり、自重、固定された設備重量、土圧、水圧などがこれに含まれます。一方で、地震時には地震の影響で土圧が増加することがあり、その場合は地震時土圧として別途検討されます。したがって、通常の土圧を常時荷重に分類する考え方は正しいです。常時荷重と一時的に変動する荷重を分けて整理することが、荷重分類の基本です。
この問題で覚えるポイント
建築物に作用する荷重は、常時荷重、積載荷重、風圧力、地震力などに分類して整理すると理解しやすいです。常時荷重には建物の自重、固定設備の重量、土圧、水圧など、継続的に作用するものが含まれます。積載荷重は人や家具、物品などによる荷重で、用途によって大きさが異なり、住宅より事務室の方が一般に大きく設定されます。構造力学では、曲げモーメントは部材を曲げようとする作用、せん断力は部材をずらすように働く力、軸方向力は部材の軸に沿って引張りまたは圧縮する力として区別して覚えることが重要です。片持ち梁の先端に集中荷重が作用する場合、せん断力は一定で、曲げモーメントは固定端に向かって大きくなり固定端で最大になります。ラーメン構造では、柱と梁に曲げモーメント、せん断力、軸方向力が複合的に生じるため、単一の応力だけで考えないことが大切です。このように、荷重の分類と、せん断力図・曲げモーメント図の基本形を結びつけて覚えると、同テーマの問題に対応しやすくなります。
ひっかけポイント
この問題のひっかけは、固定端で最大になる量を混同させる点にあります。片持ち梁という言葉を見ると、受験者は固定端に力が集中する印象を持ちやすく、その結果、せん断力も曲げモーメントも固定端で最大だと思い込みやすいです。しかし、先端集中荷重を受ける片持ち梁では、固定端で最大になるのは曲げモーメントであり、せん断力は梁全体で一定です。つまり、「固定端で最大」という一部だけ正しい知識を、別の概念に誤って当てはめることが典型的な罠です。また、曲げモーメント、せん断力、軸方向力はどれも構造力学の基本用語ですが、名前だけで判断すると混同しやすいため、それぞれが部材にどのような変形を生じさせるかをイメージで結びつけて覚えることが重要です。さらに、土圧についても、地震時土圧の印象に引っ張られて変動荷重のように感じてしまうことがありますが、通常の土圧は常時荷重です。このように、普段の感覚やあいまいな記憶ではなく、条件ごとの原則を正確に整理しておくことが得点につながります。