ビーム剛性とは

構造工学では、ビーム剛性は、曲げモーメントが加えられたときにたわみ、または曲げに抵抗するビームの能力です。 一端または両端で固定された梁の中央のどこかに力が加えられると、曲げモーメントが生じます。 トルクがビームに適用された場合にも発生しますが、これは実際のアプリケーションではあまり一般的ではありません。 梁の剛性は、梁の材料と梁の断面形状の両方の影響を受けます。

ブリッジの場合、たわみに耐えるビームを設計する動機は容易に理解できます。 たとえば、コンクリートは圧縮強度が優れていますが、コンクリートだけで作られた橋は適切な選択ではありません。 コンクリートは、曲げられたときに強くありません。 コンクリートで作られた橋は、重力により中央でたるみ、崩壊する可能性があります。 橋は、何らかの種類の基礎またはスケルトンを備えていれば、中央であまり曲がらないようにするために、はるかに強くなる可能性があります。

ビーム剛性は、2つの要因を使用して計算できます。 最初の要因は弾性率です。 これは、応力が加えられたときに変形または伸びる材料の傾向に関連する材料特性です。 ビームがステンレス鋼で作られている場合、たとえばアルミニウムよりも弾性率が高くなります。 これは、同じ形状の鋼とアルミニウムの両方に同じ力が加えられた場合、鋼オブジェクトの変形が少なくなるためです。 金属は輪ゴムと比べてあまり変形しませんが、同じように動作します。 それらは力がどれだけ強く引っ張るのかに比例して伸びます。 そのため、高弾性率の材料で作られた梁は、梁の剛性が高くなり、曲がりにくくなります。

梁の剛性の他の要因は、梁の断面の面積慣性モーメントです。 これは、ビームの中心に近いまたは離れた材料の垂直方向の分布に関係しています。 面積慣性モーメントが大きい土木工学でよく使用されるビーム設計は、Iビームです。 断面が文字「I」のような形であるため、Iビームと呼ばれます。 この形状は、外側部分を接続するのに十分な材料のみが中央領域にある状態で、材料の多くを断面の下部と上部に集中させます。 この形状の理由は、一定量の材料に対して面積慣性モーメントを最大化するためです。 Iビームで使用される最も一般的な材料は、高い弾性率を提供するスチールです。 Iビームのこれら2つの特性により、非常に高いビーム剛性が得られます。