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強度計算

Posted by yoshi : 2006年12月 9日 | | コメント(0) | トラックバック(0)

我が家を担当してくださった設計さんは、このハードサイプレスの面材をみて「厚さ20mmですか。薄いですね、たわみや剛性に於いて、大丈夫かどうかわかりません。ちょっと心配かな」と心配そうなご意見。剛性に関する綿密な検討を誰もやってくれないので心配になり、材料仕入れ前に自分でたわみ量の予測を行いました。
(私は元々機械工学課で金属材料力学も専攻。現在の仕事でも使ってます)

ノウガキ

デッキの上に乗ったとき「フニャ」と感じるたわみ量の予測ですが。 たわみ量というものは、使用する材料や、上にかかる荷重、断面形状などによって異なります。 私は幅90mm×厚さ20mmのハードサイプレス材仕入れ前、この「厚さ20mmと、かなり薄い」サイズの材料がウッドデッキに適合するか、この演算を行って確かめました。

では計算

断面係数
材料の断面形状による曲がり易さを数値的に表した値。
断面形状が長方形の場合は高さ(=厚さ)がものすごく影響します。
厚さが倍になると強度は8倍(2の3乗倍)となります。

断面係数の定義(長方形断面)
I=bh^3/12

I:断面係数(mm^4)
b:材料幅(mm)
h:材料高さ(mm)

例:
幅90mm、厚さ20mmのウッドデッキ面材の場合
I=90x20^3/12
=60000mm^4

たわみ量
材料にかかる荷重・支点間スパンによるたわみ量を数値的に表した値。
支点間スパンがものすごく影響します。
スパンが1/2になるとたわみ量は1/8(1/2の3乗倍)となります。
なお比重が軽い木材であるので、一点集中荷重のみを考慮し、材料自重のパラメータである等分布荷重は無視しています。

たわみ量演算式の定義(一点集中荷重)
v=PL^3/48EI(mm)

v:たわみ量(mm)
P:一点集中荷重の大きさ(N)
L:支点?支点のスパン(mm)
E:ヤング率(N/mm^2)
I:断面係数(mm^4)

例:
上記断面形状のウッドデッキ面材がハードサイプレスの場合
(ハードサイプレスのヤング率:10700-12400(N/mm^2)
引用:http://mokuzai.com/cybercatalog/information/speciesspec/species.asp?species=491
寝太?寝太のスパンが450mm
一点集中荷重が700N(成人男性の体重ほど。約70kgf)とすると

ヤング率を危険側で10700N/mm^2とすると
v=(700x450^3)/(48x10700x60000)
=63787500000/30816000000
=2.07(mm)

ヤング率を安全側で12400N/mm^2とすると
v=(700x450^3)/(48x12400x60000)
=63787500000/35712000000
=1.79(mm)

計算結果

70kgfの人間が乗っかって、最大2mmほどのたわみです。まあ問題ないかな、と。真直二点支持梁に於いては、薄くて強度的に不利とされる材料のたわみ(曲がり)対策には支点間隔がとても効いてくるのです(要は根太を増やす)。なにせ式の中では3乗されますから。(まあ材料厚を厚くすればいいんですが、材料費コストが高くなりますし。)

完成後のモノは、実際には90mm幅の面材2枚に渡って踏むことになりますのでたわみはほとんど感じないです。

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