- 内力ってなに？
- 外力とどう違うの？
- 軸力・せん断力・曲げモーメントとの関係は？
- 断面力とは違うもの？同じもの？
- 計算ってどうやるの？
- 現場で意識する場面ってある？
上記の様な悩みを解決します。
内力は構造力学の入り口で必ず出てくる概念ですが、外力・断面力・応力と並べて出てくるせいで、それぞれの違いがあいまいなまま勉強が進んでしまいがちです。図面を読んだり構造計算書のページをめくったりするときに「ここで言ってるのは部材の中の話か外の話か」を瞬時に切り分けられるかどうかで、構造との会話のしやすさが結構変わってきます。
なるべく分かりやすい表現で記事をまとめていくので、初心者の方にも理解しやすい内容になっているかなと思います。
それではいってみましょう！
内力とは？
内力とは、結論「外から力を受けた部材の内部に、つり合いを保つために発生する力のこと」です。
英語では internal force。建築構造の文脈では「部材力」「部材の内部応力」と呼ばれることもあります。
ざっくりイメージすると、机の上に教科書を置いたとき、机の中の木材は重さに耐えるために内部で力を発生させています。この内部で発生している「踏ん張る力」が内力です。机が壊れずに教科書を支えていられるのは、外から加わる重さ（外力）と、机の内部に発生する力（内力）がつり合っているからですね。
建築の梁や柱でも同じことが起きています。屋根の重さや人の体重といった外力が部材に加わると、その力に対抗する形で部材の内部に内力が発生します。この内力を計算で求めて、その大きさが部材の許容応力度を超えないように設計するのが構造設計の基本的な考え方です。
[talk words=’構造力学の問題で「梁の途中の点での内力を求めなさい」と出てきたら、その点で部材を仮想的にスパッと切断して、切断面に発生している力を求めるイメージを持つと一気に分かりやすくなります。’ name=”” avatarimg=”https://seko-kanri.com/wp-content/uploads/2020/02/c-run.png” avatarsize=70 avatarbdcolor=#d0d0d0 avatarbdwidth=1 bdcolor=#d0d0d0]
内力と外力の違い
ここが一番質問が多いところです。並べて整理します。
| 項目 | 外力 | 内力 |
|---|---|---|
| どこに作用するか | 部材の外側から加わる | 部材の内部に発生する |
| 発生のきっかけ | 自重・積載・地震・風・雪など | 外力を受けたときに反応として発生 |
| 単位 | N、kN（力） | N、kN（力）と N・m（モーメント） |
| 計算の出発点 | 設計者が設定する条件 | 外力から計算で求める |
外力は「建物の外側から押し付けられる力」と思っておけばOKです。固定荷重（自重）、積載荷重（人や家具）、地震荷重、風荷重、雪荷重などが代表的な外力です。
これに対して内力は、「外力に押されて部材の内部で踏ん張っている力」のこと。外力が加わらない限り、内力もゼロです。
外力と内力は常にセットで考えます。建物が壊れずに立っていられる状態を「外力と内力がつり合っている状態」と言い、構造計算ではこのつり合いを満たす内力を計算で求めていく作業を行います。
ちなみに地盤に伝わる力もあるよ、というのは杭基礎や地盤側の話です。
内力の3つの種類
内力は1つではなく、断面に発生する向きと作用の種類で3つに分けられます。
①軸力（じくりょく）
部材の軸方向に作用する内力です。引っ張る方向は引張力、押し縮める方向は圧縮力と呼ばれます。柱に屋根の重さが乗ると、柱の中には圧縮の軸力が発生します。
②せん断力
部材の軸に垂直な方向（断面を滑らせる方向）に作用する内力です。梁の上に荷物を乗せると、梁の中にはせん断力が発生して、両端の支点で支えられます。
③曲げモーメント
部材を曲げようとする内力で、単位は N・m（ニュートン・メートル）。先ほどの梁に荷物を乗せた場合、梁の中央付近で大きな曲げモーメントが発生し、梁を「下にたわませよう」とする力として作用します。
実際の構造部材では、この3種類の内力が同時にいくつも発生していることがほとんどです。例えば鉄骨ラーメン構造の柱には、屋根荷重による軸力、地震時の水平力によるせん断力、柱頭・柱脚での曲げモーメントの3つが同時に効いています。
ブレース構造ではブレース材に主に軸力が発生し、ラーメン構造では曲げモーメントとせん断力が支配的になります。
内力と断面力の違い
ここがちょっと紛らわしい部分です。結論から言うと、内力と断面力はほぼ同じ意味で使われます。
| 用語 | 意味 |
|---|---|
| 内力 | 部材内部に発生する力（軸力・せん断力・曲げモーメント） |
| 断面力 | 部材を仮想的に切断したときに、切断面に作用している内力のこと |
「内力 ＝ 部材の中の力全般」「断面力 ＝ ある断面に作用している内力」というニュアンスの違いはありますが、構造力学の問題を解くときも、構造計算書を読むときも、ほぼ同義で使っていて差し支えありません。
教科書によっては「内力＝断面力」と最初から書いてあるものもあれば、「内力は概念、断面力は計算上の数値」と区別する流派もあります。実務で出会う構造設計者の中でも使い分けは人それぞれなので、「同じものを別の言い方で表現している」と理解しておけばまず困りません。
応力（ストレス）は、内力をその断面の面積で割った「単位面積あたりの力」のこと。ミルシートに書いてある引張強さや降伏点も、この応力ベースの値です。
内力の計算方法（基本の流れ）
内力を求める基本手順は、構造力学の最初の山場として誰もが通る道です。
内力を求める一般的な流れ
- 外力（自重・積載・地震など）を整理する
- 支点の反力を求める（つり合い式から）
- 求めたい点で部材を仮想的に切断する
- 切断面の片側だけ取り出して、つり合いを立てる
- つり合いから軸力・せん断力・曲げモーメントを求める
例えば、長さ6mの単純梁の中央に10kNの集中荷重が乗っているとき、両端の支点反力はそれぞれ5kNずつです。中央の点で梁を切断して左半分だけ取り出すと、その断面には、
- 軸力：0kN
- せん断力：5kN（支点反力と同じ大きさ）
- 曲げモーメント：5kN × 3m ＝ 15kN・m（支点から切断点までの距離をかける）
という内力が発生していると分かります。
複雑な構造ではこの計算を手で全部やる代わりに、影響線や剛性マトリクス法、固定法といった構造解析手法を組み合わせて求めていきます。
影響線については、こちらの記事で詳しく整理しています。
内力が施工管理で関わる場面
「内力って構造設計者の話でしょ？」と感じるかもしれませんが、施工管理側でも内力を意識する場面はちゃんとあります。
施工管理が内力を意識する代表的な場面
- 鉄骨建方時の建入れ調整：仮設のジャッキやワイヤーで部材に発生する内力を一時的にコントロールする
- 大スパン梁のキャンバー：梁に逆そりを付けておき、施工後の自重で内力が発生してたわむのを相殺する
- プレキャストコンクリート部材の運搬・吊り上げ：吊り点が変わると曲げモーメントの発生位置も変わる
- 解体工事での順序計画：壊す順番を間違えると、残った部材に想定外の内力が集中して二次被害が出る
- 仮設足場・支保工の設計：荷重を受ける足場材にどんな内力が出るかを確認した上で材寸を決める
特に解体工事や鉄骨建方は、設計図に書かれていない「施工途中の状態」での内力を扱う必要があるので、構造設計者と一緒に手順書を作るケースが多いです。設計時のつり合いはあくまで「完成後の状態」の話で、施工途中は別物だということを忘れてはいけません。
[talk words=’現場で「ジャッキを少しだけ上げて柱の建入れを直す」と言われたとき、その操作で柱と梁にどんな内力が発生しているかをイメージできるかどうかで、施工管理としての視点の深さがちょっと変わってきますよね。’ name=”” avatarimg=”https://seko-kanri.com/wp-content/uploads/2020/02/c-run.png” avatarsize=70 avatarbdcolor=#d0d0d0 avatarbdwidth=1 bdcolor=#d0d0d0]
鉄骨建方時の柱頭・柱脚に発生する内力に対応するための部材は、ダイヤフラムなどの接合部です。
内力に関する情報まとめ
- 内力とは：外力を受けた部材の内部に発生するつり合いの力
- 外力との違い：外力は外から加わる、内力は内部に発生する反応
- 種類：軸力・せん断力・曲げモーメントの3つ
- 断面力との関係：実務上ほぼ同じ意味として扱われる
- 計算の流れ：外力→反力→仮想切断→つり合い→内力の順
- 施工管理での扱い：建方時の建入れ調整・解体・仮設・運搬で意識する場面あり
以上が内力に関する情報のまとめです。
一通り内力の基礎知識は理解できたかなと思います。構造力学の本を読んでいて「内力」「外力」「断面力」「応力」が並んで出てきたら、「外から加わる力（外力）→部材内部に発生する力（内力＝断面力）→単位面積あたりの力（応力）」という流れを思い出すと整理しやすいですよ。
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