A21  材料の強度



努力目標

  覚えてください

  慣れて感覚をつかむ
  その上で覚えこむ




技術士試験の問題からは必要最小限の引用にとどめる。(問題)が記されている部分はその引用である。

問題および解答は日本技術士会のホームページより必要に応じて入手してください。

  技術士第一次試験の問題       技術士第一次試験の正答(答え)  



問題番号が赤字のものは、ボーナス問題

H28年 T−1−3   H27年 T−1−3   H25年 T−1−2

H24年 T−1−2
   H23年 Tー1−5


同じ問題

H28年 T−1−3 と H25年 T−1−2




H27年 Tー1−3

H27年度問題 

正答: D

(解答)

許容応力=極限強さ÷安全率

安全率は、材料をその『極限いっぱいまで使わないことを前提に設定されるから、通常は2以上。
フックの法則とは、材料にかかる応力(単位断面積あたりの加重)と変形量が比例するというもので、バネを想像すると理解しやすい。

フックの法則(Wikipedia)

フックの法則に従う系では、荷重は伸びに正比例し

F=kx (ベクトルの方向を考慮すると F=−kx)

と表される。ここで

  • xは自然長からの伸び、または縮み
  • (自然長とは、荷重のないばねが自然に停止する位置のこと)
  • F はばねによる反力
  • k はばね定数と呼ばれる定数。個々のばね固有の値であり、ばねの強さを表している。

安全率(Wikipedia)

安全率(あんぜんりつ)とは、あるシステムが破壊または正常に作動しなくなる最小の負荷と、予測されるシステムへの最大の負荷との(前者/後者)のことである。構造的な強度のほか、トルク電圧曝露量、薬品摂取などさまざまな負荷に対し使われる。安全率のことを安全係数(あんぜんけいすう)とも言う。





H28年 T−1−3

H28年度問題 

正答: C 

(解答)

プラスチック製の定規を手で引っ張っても変形は認めにくいですが、両側から力を加えると容易に中央で折れ曲がり、元には戻らなくなります。この折れ曲がってしまう現象を座屈と言います。安全率については上のH27年T−1−3で説明したとおりです。


(参考)

座屈(Wikipedia)

座屈(ざくつ、buckling)は、構造物に加える荷重を次第に増加すると、ある荷重で急に変形の模様が変化し、大きなたわみを生ずることをいう[1]。(座屈応力の計算式も示されています)

座屈を避ける構造

同じ構造に見えますが、左の図は斜めの梁に圧縮応力がかかり、右の図では引っ張り応力がかかっています。おなじ材料を用いた場合に、どちらが強度が強い構造物であるかは一目瞭然です。
この図は「MONOweb 機械設計エンジニアの基礎知識」の中の「材料力学の基礎を学ぶ(座屈とは)」が出典です。 
 



H24年 T−1−2

H24年度問題 

正答: D

(解答)

すべての構造部材が破壊に歪らなければ、構造物の安全性は十分に確保されるが、不静定次数の高い構造物では一部の部材が限界状態に至って耐荷機構を失っても、構造全体の安全性が直ちに損なわれない場合もある。

部材の部分的な破壊を許容した上で、安全性を要求する場合には、耐震性の照査同様に部材の非線形性と、部材の破壊以後の挙動を考慮して照査することが必要である。

※不静定次数:「静定」とは、カの釣り合いだけで、反力と各部の断面力が定まる構造のことである。
 一方、力の釣り合いだけから反力又は断面力を決められない構造を、「不静定」と呼ぶ。不静定な構造において、
 未知反カの数から釣り合い式の数を引いた数を不静定次数という。

※照査:規格や基準に適合しているかどうかをチェックすること。



照査とは、照らし合わせて調べること。
建設分野で検査は、発注者側が行うこと。照査は受注者側が行うこと。

不静定次数とは、架構の安定性に関する次数で、0次はギリギリ倒れない架構です。プラス側に行けば壊れてもよい部分が増えていき架構は倒れにくくなります。マイナス側へ行くとその逆となります。

材料非線形履歴モデルに基づく手法は、材料レベルの実験結果を精密に表現できる履歴モデルを用い、これに基づいて部材の力学特性を求める(骨組み構造を対象とした非線形構造物の耐震性能評価システム(青戸ら、2004年、第29回土木学会情報利用技術シンポジウム))。



H23年 Tー1−5

H23年度問題 

正答: C

(解答)

航空宇宙で1.5が選べること。安全率を10や100にしてしまうと、確かに頑丈かもしれないが、重くて飛べない。 また、医薬品で安全率100が選べること。

安全率100の根拠は、動物とヒトの種の差が10倍×ヒトとヒトとの間の個体差10倍です。動物実験で安全性を確認し、ほとんどすべての人が安全に、という思想です。食品の安全率も100となっています。
 
分野 安全率(倍)
航空宇宙 1.5
玉かけワイヤロープ
医薬品 100
エレベータ主索




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