TAC建築士講師室ブログ

TAC建築士講座の講師・スタッフのブログです。

鋼材

井澤ですいざわ

■問題1
コンクリート供試体の圧縮強度は、形状が相似の場合、一般に、供試体寸法が小さいほど大きくなる。
(一級構造:平成19No.24
■問題2
同じ鋼塊から圧延された鋼材の降伏点は、一般に、「板厚の薄いもの」より「板厚の厚いもの」のほうが低くなる。
(一級構造:平成22No.29

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■解答
 問題1、2ともに正。
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コンクリート供試体の寸法は「直径
100㎜、高さ200㎜」が標準ですが、「直径150㎜、高さ300㎜」や「直径200㎜、高さ400㎜」が使われることもあります。このとき、寸法と圧縮強度の関係を知っておかないと試験結果を正しく評価できません。

コンクリート供試体と鋼材について、
寸法と強度の関係を比較・整理すると、次のとおりです。

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ポイント:コンクリート供試体の寸法と圧縮強度
■圧縮強度
供試体寸法が大きいほど、欠陥の確率が高まるため、圧縮強度は小さくなる。(①)

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ポイント:鋼材の板厚と降伏点・引張強さ
■降伏点
板厚が40mmを超えると(=板厚が厚くなると)、熱処理時の冷却にムラができやすいため、降伏点が低下する。(②)
■引張強さ
引張強さは、板厚にかかわらず同じ。(③)

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上記③は例外として、①と②の内容を一言で言えば、寸法が大きいほど強度は小さくなる、ということです。
普通は「?」と思いますよね。だから試験で狙われるのです。そして多くの受験生が間違えるのです。
 

間違えてはいけないのは、
「寸法が大きいほど小さな力[N]で壊れる」ということではありません。
もちろん、寸法が大きいほど大きな力[N]で壊れます。
ただし、断面積1㎟当たりの力、すなわち、強度[N/㎟]で見ると、寸法が大きいほど強度[N/㎟]は小さくなるのです。
その理由は、上記のとおり、欠陥の確率が高まるためであり、また、熱処理時の冷却にムラができやすいためです。

No.355
(鋼材の板厚と降伏点・引張強さ)も復習しておいてください。
http://kentikushi-blog.tac-school.co.jp/archives/48182360.html





井澤ですいざわ

■問題1
鉄骨造の建築物において、大スパンの梁部材に降伏点の高い鋼材を用いることは、鉛直荷重による梁の弾性たわみを小さくする効果がある。(一級構造:平成26No.30
■問題2
梁のたわみを小さくするために、SN400Bから同じ断面寸法のSN490Bに変更した。(一級構造:平成17No.17
■問題3
曲げ剛性に余裕のあるラーメン構造の梁において、梁せいを小さくするために、SN400B材の代わりにSN490B材を用いた。(一級構造:平成28No.17

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■解答
 問題1、2 誤
 鋼材は強度を大きくしてもヤング係数は変わらないので、たわみは同じ。
 問題3 正。
 強度を大きくすれば断面寸法(梁せい)を小さくすることができる。
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問題3は、平成
28年の出題です。
それ以前に出題されていた問題1と2だけを覚えていると、ひっかけ問題と感じるかもしれませんが、実は問題3のほうが直感と一致する内容です。

まずはポイントから。

―――ポイント:強度とたわみ・断面寸法―――
強度を大きくすると
たわみ小さくできない
断面寸法(梁せい)小さくできる
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少し詳しく見ていきましょう。
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■たわみについて
たわみは、例えば片持ち梁の先端に集中荷重が働く場合は、次の公式で求められます。
deflection
したがって、
たわみを小さくするためには、分母のE(ヤング係数=硬さ)を大きくするか、I(断面二次モーメント)を大きくする必要があります。

①ヤング係数E
 鋼材は強度を大きくしてもヤング係数Eは変わらないので、たわみは同じです。

②断面二次モーメントI
 断面二次モーメントIは、次の公式で求められます。断面二次モーメントIを大きくするためには断面寸法を大きくする必要があります。強度を大きくしても断面二次モーメントは変わりません。
moment of second order 
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■断面寸法(梁せい)について
直感と異なるのは前述の「たわみ」のほうであって、「断面寸法(梁せい)」のほうは直感で十分理解できるはずです。
一言で言えば、強度を大きくすれば、断面寸法(梁せい)が小さくても耐えられるということです。
少し専門的に言えば、許容応力度設計では「応力度≦許容応力度」を満たすことが求められます。
強度が大きければ、右辺の許容応力度が大きくなります。
左辺の応力度は一言で言えば、「力/断面積」です。(曲げ応力度は「曲げモーメント/断面係数」(M/Z)です。
したがって、右辺の許容応力度が大きくなれば、左辺の分母の「断面積」は小さくできます。つまり、断面寸法(梁せい)を小さくできるのです。

井澤ですいざわ

■問題1
SN490材の許容引張応力度は、板厚による影響を受けないので、板厚25㎜と50㎜とでは同じ値である。(一級構造:平成21No.15
■問題2
同じ鋼塊から圧延された鋼材の降伏点は、一般に、「板厚の薄いもの」より「板厚の厚いもの」のほうが高くなる。(一級構造:平成22No.29
■問題3
SN490Bについては、降伏点又は耐力は板厚が40mmを超えると低下するが、引張強さは板厚が100mm以下まで同じである。(一級構造:平成18No.25


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■解答
 問題1、2ともに誤。
 板厚が40mmを超えると、製造過程で冷却にむらができやすく、降伏点が低下する。鋼材は降伏点を基準強度としており、それに基づく許容応力度も小さくなる。
 問題3 正。
 なお、設問の中で「板厚が
100mm以下まで」と書いてあるのは、JIS G3136(建築構造用圧延鋼材)に板厚100㎜以下までしか規定されていないからです。
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さっそくポイントを確認しましょう。

ポイント 鋼材の板厚と降伏点・引張強さ――
■降伏点
 板厚が40mmを超えると(=板厚が厚くなると)、熱処理時の冷却にムラができやすく、降伏点が低下する。
■引張強さ
 引張強さは、板厚にかかわらず同じ。
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井澤ですいざわ

■問題1
建築構造用ステンレス鋼(SUS304)のヤング係数は、アルミニウム合金に比べて小さい。(一級構造:平成21No.29
■問題2
炭素鋼、ステンレス鋼(SUS304材)、アルミニウム合金の線膨張係数の大小関係は、炭素鋼 > ステンレス鋼 > アルミニウム合金である。(一級構造:平成24No.29
■問題3
アルミニウム合金のヤング係数は、鋼材の1/3程度である。(一級構造:平成20No.25
■問題4
アルミニウム合金の線膨張係数は、鋼の線膨張係数の約2倍であり、アルミニウム部材の取り付けに当たっては十分な逃げ代が必要である。(一級構造:平成22No.29

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■解答
 問題1 誤。ヤング係数は、鋼材>ステンレス鋼>アルミ
 問題2 誤。線膨張係数は、鋼材<ステンレス鋼<アルミ
 問題3 正。
 問題4 正。
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まずは、ヤング係数と線膨張係数の意味を理解しましょう。
線膨張係数は、熱膨張係数とも言います。
 

 

イメージ

概要

ヤング係数

力/変形

1のひずみ度(変形)を生じさせるのに必要な応力度()

線膨張係数

変形/温度

温度が1℃上昇したときのひずみ度(変形)


ヤング係数
が大きいということは、1のひずみ度(変形)を生じさせるのに必要な応力度()が大きいのですから、硬いということです。
これは必ず覚えてください。

―――― ヤング係数 必殺の覚え方 ――――
ヤング係数が大きいほど硬い
『ヤング(若い)は硬い』
・・・下ネタです・・・
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鋼材が硬く、アルミが柔らかいことは常識ですね。
ステンレスは真ん中です。
したがって、ヤング係数の大小関係は、
鋼材>ステンレス鋼>アルミ となります。

また、上表の「イメージ」の中で、ヤング係数では「変形」が分母、線膨張係数では「変形」が分子になっていることから分かるように、ヤング係数と線膨張係数では大小関係が逆になります。
したがって、次のようになります。

ポイント

 

大小関係

ヤング係数

鋼材>ステンレス鋼>アルミ

線膨張係数

鋼材<ステンレス鋼<アルミ


鋼材とアルミについては、その比率も覚えましょう。

ポイント
――アルミと鋼材のヤング係数・線膨張係数――
① アルミのヤング係数は、鋼材の約1/3
② アルミの線膨張係数は、鋼材の約2倍
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