構造工学で一般的に使用される材料
構造工学は、構造に適用されたときのさまざまな材料の挙動をより正確に予測するために、建設材料とそれに対応する特性の知識に依存しています. 一般的に, 三 (3) それでは、鉄鋼対木材対コンクリートの長所と短所を見てみましょう, コンクリートおよび木材/木材. すべての材料の長所と短所を知ることは、構造を設計するための安全で費用効果の高いアプローチを確保する上で重要です。. それでは、鉄鋼対木材対コンクリートの長所と短所を見てみましょう!
構造用鋼
鋼は鉄と炭素を主成分とする合金. 他の元素も合金に混ぜて他の特性を得る. 1つの例は、ステンレス鋼を作成するためのクロムとニッケルの追加です。. 鋼の炭素を増加させると、材料の引張強度を増加させるという意図された効果があります. 炭素含有量を増やすと鋼がよりもろくなる, これは構造用鋼にとって望ましくない.
構造用鋼の利点
- 鋼は強度/重量比が高い. したがって, の自重 鋼構造物 比較的小さい. この特性により、鋼は高層ビルにとって非常に魅力的な構造材料になります, 長大橋, 地盤が低く、地震活動が高い地域にある構造物.
- 延性. 鋼は、破損する前に大きな塑性変形を受ける可能性があります, したがって、大きな予備力を提供します.
- 予測可能な材料特性. 鋼の特性を高い確実性で予測できます. 実際、鋼は比較的高く、通常は明確な応力レベルまで弾性挙動を示します. 鉄筋コンクリートとは対照的に, 鋼の特性は時間とともに大幅に変化しない.
- 勃起速度. 鋼鉄メンバーは構造に単に取付けられています, 非常に短い建設時間を作ります. これは通常、人件費などの分野でより迅速な経済的利益をもたらします.
- 修理が簡単. 一般的な鋼構造物は迅速かつ簡単に修理できます.
- プレハブの適応. 鋼はプレハブおよび大量生産に非常に適しています.
- 繰り返し使用. 構造物を分解した後、鋼を再利用できます.
- 既存の構造の拡大. 鉄骨造の建物は、新しい湾や翼を追加することで簡単に拡張できます. 鋼橋は広げられるかもしれません.
- 疲労強度. 鋼構造物は比較的良好な疲労強度を持っています.
構造用鋼の短所
- 一般費用. 鋼は非常にエネルギー集約的であり、当然生産コストが高い. 鋼構造物は他のタイプの構造物よりも構築にコストがかかる可能性があります.
- 耐火. 建物の火災でよく見られる温度で加熱すると、鋼の強度が大幅に低下します. 鋼はまた、建物の燃焼部分からの熱を非常に速く伝導および伝達します. したがって, 建物の鉄骨には十分な耐火性が必要です.
- メンテナンス. 環境に曝された鋼は材料を損傷し、腐食によって構造を汚染する可能性さえあります. 空気と水にさらされた鋼構造物, 橋や塔など, 定期的に塗装されています. 耐候性と耐食性のある鋼を使用すると、この問題が解消される場合があります.
- 座屈しやすさ. 強度/重量比が高いため, 鋼の圧縮部材は, 一般に, より細く、その結果座屈しやすくなります, いう, 鉄筋コンクリート圧縮部材. 結果として, 細長い鋼製圧縮部材の座屈抵抗を改善するには、さらに設計上の考慮事項が必要です.
図 1. 構造用鉄骨の概要
強化コンクリート
コンクリートは水の混合物です, セメントおよび骨材. 3つの主要コンポーネントの比率は、望ましい圧縮強度の具体的な組み合わせを作成するために重要です. 鉄筋をコンクリートに添加する場合, 2つの材料は、圧縮強度を提供するコンクリートおよび引張強度を提供する鋼と一緒に機能します.
鉄筋コンクリートの利点
- 圧縮強度. 鉄筋コンクリートは他の建築材料と比較して高い圧縮強度を持っています.
- 抗張力. 提供された補強のため, 鉄筋コンクリートは、十分な引張応力にも耐えることができます.
- 耐火性. コンクリートには、鉄筋を長期間火事から保護する優れた能力があります。. これは、鉄筋が消火するまでの時間です。.
- 地元産の素材. コンクリートの製造に必要なほとんどの材料は、現地で簡単に調達できます, コンクリートは人気があり、費用対効果の高い選択になります.
- 耐久性. 鉄筋コンクリート建築システムは、他のどの建築システムよりも耐久性があります.
- 成形性. 強化コンクリート, 初めは流動材料として, 経済的にほぼ無限の範囲の形状に成形可能.
- 低メンテナンス. 鉄筋コンクリートは頑丈になるように設計されています, 大規模なメンテナンスを必要としない砂や水などの価値の低い材料を使用する. コンクリートは、鉄筋が影響を受けないように鉄筋を完全に囲むことを意味します. これにより、鉄筋コンクリート構造物のメンテナンス費用が非常に低くなります.
- 基礎のような構造で, ダム, 桟橋など. 鉄筋コンクリートは最も経済的な建設資材です.
- 剛性. たわみが最小の剛体のように機能します. 最小限のたわみは建物の保守性に適しています.
- 使いやすさ. 構造における鋼の使用と比較して, 鉄筋コンクリート構造物の建設には、熟練度の低い労働力を使用できます.
鉄筋コンクリートの短所
- 長期保存庫. コンクリートは、セメントが水と反応して混合物が硬化するため、混合すると保管できません. その主成分は別々に保管する必要があります.
- 硬化時間. コンクリートには30日間の養生期間があります. この要因は、建物の建設スケジュールに大きく影響します. これにより、現場打ちコンクリートの架設速度が鋼よりも遅くなります, しかしながら, これはプレキャストコンクリートを使用すると大幅に改善できます。.
- フォームのコスト. RCのキャストに使用されるフォームのコストは比較的高い.
- より大きな断面. 複数階建ての建物の場合、鉄筋コンクリート柱セクション (RCC) RCCの場合は圧縮強度が低いため、鋼断面よりも大きい.
- 収縮. 収縮は亀裂の発生と強度低下を引き起こす.
図 2. 鉄筋コンクリートの典型的な例
木材
木材はオーガニックです, 吸湿性および異方性材料. その熱, 音響, 電気的, 機械的, 美的, ワーキング, 等. プロパティは使用するのに非常に適しているだけで快適な家を建てることが可能です 木製品. 他の材料と, ほとんど不可能です. 木材は明らかに、構造工学材料として一般的かつ歴史的な選択です. しかしながら, 過去数十年で, エンジニアリング製品やアルミニウムのような金属を支持して、木材から離れる動きがありました.
木材の利点
- 抗張力. 比較的軽量な建材として, 木材は、長さを壊すことに関して鋼よりも優れています (または自立の長さ). 簡単に言えば, 自重をよりよく支えることができます, 一部の建物の設計では、より広いスペースと必要なサポートを少なくすることができます.
- 電気および熱抵抗. 標準の含水率まで乾燥すると、電気伝導に対する自然な耐性があります。 (MC) レベル, 通常の間 7%-12% ほとんどの木材種. その強度と寸法も熱の影響をあまり受けません, 完成した建物に安定性を提供し、特定の火災状況に対する安全性の影響さえも提供する.
- 吸音. その音響特性により、居住空間やオフィス空間でのエコーを最小限に抑えるのに理想的です. 木材は音を吸収する, それを反映または増幅するのではなく, 騒音レベルを大幅に低減し、快適性を高めることができます.
- 地元産. 木材は、自然のプロセスを通じて、また、再植林および林業管理プログラムを通じて、成長および再成長できる建築材料です。. 選択した収穫と他の慣行により、より大きな木が収穫されている間も成長を続けることができます.
- 環境にやさしい. 多くの建築材料の最大の課題の1つ, コンクリートを含む, 金属, とプラスチック, 捨てられたとき, 彼らは分解するのに信じられないほど長い時間がかかります. 自然の気候条件にさらされたとき, 木材ははるかに速く分解し、実際にその過程で土壌を補充します.
木材の短所
木材の収縮と膨張は、その主な欠点の1つです。.
木材は吸湿性の素材です. これは、周囲の凝縮性蒸気を吸収し、繊維の飽和点以下の空気に水分を失うことを意味します. 別の欠点は、その劣化です. 木材の劣化と破壊を引き起こす物質は2つのカテゴリーに分類されます: 生物的 (生物学的) そして非生物的 (非生物学的). 生物剤には腐朽菌とカビ菌が含まれます, 細菌や昆虫. 非生物剤には太陽が含まれます, 風, 水, 特定の化学物質と火災.
図 3. 木材/木製構造フレーム
概要
鋼をよりよく説明する, コンクリートと木材. 各材料を強調するそれらの主要な特徴を要約しましょう.
鋼 引張りと圧縮の両方に非常に強いため、高い圧縮強度と引張強度があります. 鋼は約の究極の強度を持っています 400 に 500 MPa (58 – 72.5 KSI). また、破損する前に降伏または変形する延性材料です。. 鋼はその建設のスピードと効率で際立っています. 比較的軽量で構造が簡単なため、約 10 に 20% 構築されている同様のコンクリートベースの構造と比較して小さい. 鋼構造物は耐久性にも優れています.
コンクリート 圧縮に非常に強いので、約17MPaから28MPaの高い圧縮強度を持っています. 最大またはそれ以上の高強度 70 MPa. コンクリートは非常に頑丈で耐久性のある建物の設計を可能にします, 建物のエンベロープの内側に保つことにより、その熱質量を利用して、内部温度を調整することができます. 建築業界ではプレキャストコンクリートの使用も増加しています, 環境への影響という点でメリットがあります, コストと建設速度.
木材 電流に耐性があります, 電気絶縁に最適な材料にする. 引張強度も、建築材料として木材を選択する主な理由の1つです; その非常に強力な品質により、構造梁などの頑丈な建築材料に最適です. 木はコンクリートや鋼よりも体積がはるかに軽い, 作業が簡単で、現場での適応性が高い. 丈夫です, 同等のものよりも熱ブリッジが少なく、プレハブ要素を簡単に組み込むことができます. その構造性能は非常に高く、その圧縮強度はコンクリートのそれに類似しています. これらすべてにもかかわらず, 木材は住宅および低層構造物により広く使用されています. 高層建築物の主材としてはめったに使用されません.
これらは建物に使用される最も一般的な建設資材です. 各素材には、独自の利点と欠点のセットがあります. 最終的に、これらは将来の技術的進歩にほとんどまたはまったく制限のない材料に取って代わられる可能性があります. とにかく, 私たちの現在の建築材料は、今後何十年にもわたって適切なままです.
