鋼構造の負荷容量を計算することは、構造工学の基本的な側面です。これにより、構造が失敗のリスクなしに意図した負荷を安全にサポートできるようにします。このプロセスには、材料特性の複雑な相互作用、構造設計、および適用荷重が含まれます。この能力を正確に判断する方法を理解することは、設計と評価するエンジニアと建築家にとって重要です 鋼構造。この記事では、方法論、理論的基礎、および鋼構造の負荷容量の計算に伴う実際的な考慮事項を掘り下げています。
負荷をかける容量を計算する前に、鋼構造の設計を支配する基本的な概念を理解することが不可欠です。これらには、降伏強度、引張強度、弾性率などの材料特性が含まれます。さまざまな荷重条件（張力、圧縮、曲げ、せん断）の下での鋼の挙動は、完全に分析されていません。さらに、座屈、疲労、物質的な欠陥などの要因は、構造の全体的な能力に影響します。
スチールは、強度と重量の比率、延性、汎用性で知られています。降伏強度は、鋼が粗末に変形し始める応力です。構造鋼の場合、典型的な降伏強度は250 MPaから460 MPaの範囲です。降伏強度よりも高い引張強度は、ネッキング前に伸ばしながら鋼に耐えることができる最大応力です。鋼の約200 gPaの弾性率は、材料の剛性を測定します。
鋼構造には、さまざまな種類の負荷がかかります。
1. デッド負荷： 構造の重量と固定設置からの永続的な負荷。
2. ライブ荷重： 人、家具、車両などの一時的または可動荷重。
3. 環境負荷： 風、雪、地震活動、温度の変化からの負荷。
これらの負荷の正確な評価は、安全な設計に不可欠です。
設計コードは、安全性と信頼性を確保するためのガイドラインと式を提供します。米国では、米国鉄鋼建設研究所（AISC）が広く使用されている鉄鋼建設マニュアルを発行しています。これらのコードは、安全性、負荷の組み合わせ、および材料仕様の要因を考慮しています。これらの標準のコンプライアンスは、計算プロセスに不可欠です。
負荷をかける容量の計算には、いくつかのステップと考慮事項が含まれます。
最初のステップは、構造に作用するすべての負荷を識別することです。これには、材料密度と寸法に基づいて死荷重の計算、占有基準あたりのライブ負荷の推定、および地域データに従って環境負荷の評価が含まれます。
適切な構造メンバー（ビーム、柱、トラス）を選択するには、断面形状、サイズ、材料グレードなどの要因を考慮します。一般的な形状には、Iビーム、チャネル、チューブが含まれます。選択は、負荷の種類とスパンの長さの影響を受けます。
選択したメンバーに対して、面積、慣性モーメント、セクションモジュラスなどのセクションプロパティが計算されます。これらの特性は、曲げと圧縮力に抵抗するメンバーの能力を決定する上で重要です。
構造分析には、次のような方法を使用して、構造内の内部力とモーメントを計算することが含まれます。
- 静的分析： 荷重がゆっくりと一定のままである構造の場合。
- 動的分析： 可変または衝撃負荷にさらされた構造の場合。
有限要素分析（FEA）ソフトウェアは、複雑な構造が負荷の下で動作をモデル化およびシミュレートするためによく使用されます。
鉄骨構造は、さまざまなモードで失敗する可能性があります。
- 収量： ストレスが降伏強度を超える場合。
- 座屈： 列のような圧縮メンバーの場合。
- 疲労： 時間の経過に伴う周期的な負荷のため。
計算は、すべての潜在的な障害モードの設計応力が許容制限内であることを確認する必要があります。
均一な分布荷重（UDL）にさらされた単純に支持された鋼ビームを考えてみましょう。荷重をかける容量を計算する手順は次のとおりです。
ビームが250 MPaの降伏強度（FY）を持つASTM A36鋼で作られていると仮定します。
たとえば、W 310x60など、Wセクション（ワイドフランジビーム）を選択します。プロパティは次のとおりです。
- セクションモジュラス（SX）：938 x 10 3 mm3
- 慣性モーメント（IX）：145 x 10 6 mm4
UDLの下で単純にサポートされているビームの場合：
[m_ {max} = frac {wl^2} {8} ]
どこ：
- （w ）=単位長さあたりの荷重（n/mm）
- （l ）=スパン長（mm）
許容される曲げモーメント（m allow ）は次のとおりです。
[m_ {lock} = f_y times s_x ]
[m_ {lock} = 250 times 10^6 times 938 times 10^{-6} = 234.5 times 10^3 、 text {n・mm} ]
（w ）を解くために最大モーメント式を再配置する：
[w = frac {8m_ {lock}} {l^2} ]
スパンの長さ（l = 6000 、 text {mm} ）を仮定します。
[w = frac {8 times 234.5 times 10^3} {（6000）^2} = 5.22 、 text {n/mm} ]
したがって、ビームは6メートルのスパンにわたって5.22 n/mmの均一な荷重をサポートできます。
実際には、追加の要因を考慮する必要があります。
設計コードでは、不確実性を説明するために負荷と抵抗因子を適用する必要があります。たとえば、負荷と抵抗因子の設計（LRFD）メソッドは、安全性を確保するために、因数分解された負荷と材料強度の削減を使用します。
列の場合、オイラーの臨界負荷式は座屈負荷を決定します。
[p_ {cr} = frac { pi^2 ei} {（kl）^2} ]
どこ：
- （e ）=弾性率
- （i ）=慣性モーメント
- （k ）=列有効長係数
- （l ）=サポートされていない長さ
設計は、適用された負荷が臨界屈負荷よりも少ないことを確認する必要があります。
最新のエンジニアリングは、複雑な計算のためにソフトウェアに大きく依存しています。
- 有限要素分析（FEA）： ANSYSのようなツール、ABAQUSは、負荷の下で構造的な動作をシミュレートします。
- 設計ソフトウェア： SAP2000、STAAD.PROなどのプログラムは、構造の設計と分析を支援します。
これらのツールは、手動で計算するのが困難な複雑な形状、負荷の組み合わせ、および材料行動を説明しています。
- 再確認計算： 常に個別に計算を検証するか、代替方法を使用してください。
- コードで更新されたまま： 設計コードは定期的に更新されます。最新の標準へのコンプライアンスを確保します。
- 建設性を考慮してください： 実用的な構造方法と製造能力を備えた設計を念頭に置いてください。
- たわみを説明する： 保守性には、構造の機能のために偏向を許容レベルに制限する必要があります。
鋼構造の負荷容量を計算することは、物質科学、構造分析、および設計コードの順守を統合する細心のプロセスです。の特性を徹底的に理解することにより 鉄骨構造 と厳密な分析方法を適用すると、エンジニアは安全で効率的な構造を設計できます。計算ツールと材料技術の継続的な進歩により、これらの計算の精度と信頼性がさらに向上します。これらの概念の習得は、構造設計と完全性の卓越性に取り組むエンジニアにとって不可欠です。
