$x \le a:\; y = \dfrac{Pbx(L^2-b^2-x^2)}{6EIL}$
等分布荷重 w(全スパン)
$\delta_{max}= \dfrac{5wL^4}{384EI}$
重ね合わせ
$\delta_{total}(x) = \sum_i \delta_i(x)$
単純支持梁に集中荷重・分布荷重・集中モーメントを最大3つまで重ね合わせ。たわみ曲線と曲げモーメント図をリアルタイム描画し、最大たわみ・反力・端部勾配を瞬時に算出します。
建築構造(床梁の設計):オフィスビルの床には、人の重量(集中荷重)と家具・内装の重量(分布荷重)が同時にかかります。重ね合わせ法を用いて最大たわみを計算し、居住性(振動・きしみ)を満たす適切な梁サイズ(I値)を決定します。
橋梁の点検・補強設計:既設の橋に新しい規制(大型車通行)や付加物(パイプ架設)による追加荷重が生じた場合、既存荷重(自重)に新しい荷重モデルを重ね合わせて、変形や応力の増加を簡易評価します。補強が必要かの初期判断に使われます。
機械フレームの剛性評価:産業機械のフレームは、駆動モーターの重量(集中荷重)とフレーム自体の重量(分布荷重)、さらに駆動反力によるモーメントが複合的に作用します。重ね合わせ法で変形を予測し、加工精度に影響が出ない剛性を確保します。
CAE(有限要素法)結果の検証:複雑な構造のFEA解析結果を信頼するため、その一部(単純支持条件の梁部分)を切り出し、ツールのような重ね合わせ法による手計算結果と比較します。両者が一致すれば、FEAのモデル化(境界条件、荷重)がおおむね正しいと判断する材料となります。
まず、このツールの前提をしっかり押さえよう。「線形弾性・微小変形」が大原則だ。例えば、スチール材で計算した結果を、ゴムや大きな変形をするプラスチック部品にそのまま適用するのは危険だよ。材料が非線形なら、足し算は成り立たなくなる。
次に、「断面二次モーメントI」と「ヤング率E」の値の重要性を見落としがちだ。ツールではデフォルト値が入っているが、実際の設計ではここが命。例えば、幅100mm、高さ200mmの長方形断面のIは、 $$I = \frac{b h^3}{12} = \frac{100 \times 200^3}{12} = 66.7 \times 10^6 \, \text{mm}^4$$ だけど、梁を横向き(幅200mm、高さ100mm)にした瞬間、Iは約16.7×10⁶ mm⁴に激減する。これでは計算上のたわみが4倍になってしまう! 入力値は常に実物と照らし合わせてね。
あと、「最大3つまで」の荷重設定にも落とし穴がある。実務では荷重が4つ以上あるのが普通だよね。そんな時は、「等価変換」が鍵になる。例えば、複数の小さな集中荷重が接近しているなら、それらを合計して1つの集中荷重とみなすか、あるいは分布荷重に近似してしまう。逆に、長い範囲の分布荷重の一部だけを詳細に見たい時は、該当区間を切り出して別モデルを作る。このツールは「基本パーツの組み合わせ方」を体感するためのものと割り切ろう。
長さL=3000mm、E=200GPa(S275鋼)、I=15600mm⁴のH形鋼梁に、中央(x=1500mm)に集中荷重P=15kN、両端支点から800mm位置に分布荷重q=2kN/mを各々作用させた場合、梁中央のたわみは約12.8mm、最大曲げモーメントは中央で+22.5kNmとなります。重ね合わせにより各荷重の寄与分を個別に追跡可能です。