構造材料

構造工学は、さまざまな材料がどのように負荷に抵抗し、支えるかを理解するために、材料とその特性に関する知識に依存します。

一般的な構造材料は次のとおりです。

錬鉄は最も単純な鉄で、ほぼ純粋な鉄です (通常、炭素含有量は 0.15% 未満)。通常はいくらかのスラグが含まれています。錬鉄の用途はほぼ完全に廃止されており、商業的に生産されることはなくなりました。

錬鉄は耐火性が非常に低く、延性、展性、強度に優れています。鋼鉄ほど 腐食しにくい素材です。

鋳鉄は、圧縮よりも引張に弱い脆い鉄の一種です。融点が比較的低く、流動性、鋳造性に優れ、機械加工性、耐摩耗性に優れています。建築構造物ではほぼ完全に鋼鉄に置き換えられていますが、鋳鉄はパイプ、機械、自動車部品など、幅広い用途を持つエンジニアリング材料となっています。

鋳鉄は融点が低いにもかかわらず、火災時に高い強度を保ちます。通常、鉄が約 95%、炭素が 2.1% ～ 4%、シリコンが 1% ～ 3% 含まれています。鋼鉄ほど腐食しにくい素材です。

鋼は炭素含有量が制御された鉄合金（炭素含有量 0.0 ～ 1.7%）です。

鋼鉄は、比較的低コスト、高い強度対重量比、そして建設のスピードに優れているため、あらゆる種類の構造物に極めて幅広く使用されています。

鋼は延性材料であり、降伏点（応力-ひずみ曲線の点 2）に達するまでは弾性的に動作しますが、降伏点に達すると塑性化し、延性的に破損します（曲線の点 3 で破損する前の大きなひずみまたは伸張）。鋼は、引張と圧縮に対して同等の強度を持っています。

鋼鉄は火災に弱いため、ほとんどの建物で保護する必要があります。重量に対する強度の比率が高いにもかかわらず、鋼鉄の建物は同様のコンクリートの建物と同程度の熱容量を持っています。

鋼の弾性率は約205GPaです。

鋼鉄は腐食（錆び） しやすいです。

ステンレス鋼は、最低 10.5% のクロムを含む鉄炭素合金です。ステンレス鋼には、鉄、炭素、モリブデン、ニッケルの含有量が異なるさまざまな種類があります。強度は大きく異なりますが、構造特性は鋼鉄に似ています。

主要構造に使用されることはほとんどなく、建築仕上げや建物の外装に使用されることが多いです。

耐腐食性、耐汚染性に優れています。

コンクリートは、低コスト、柔軟性、耐久性、強度に優れているため、建築や土木構造物に非常に広く使用されています。また、耐火性も高いです。

コンクリートは非線形、非弾性で脆い材料です。圧縮には強いですが、引張には非常に弱いです。常に非線形に動作します。引張強度が実質的にゼロであるため、ほとんどの場合、複合材料である鉄筋コンクリートとして使用されます。コンクリートは、砂、骨材、セメント、水の混合物です。液体として型に入れられ、水とセメントの化学反応により固まります。コンクリートが硬化することを水和といいます。反応は発熱反応です（熱を発します）。

コンクリートは、成型された日から強度が継続的に増加します。水中または常に相対湿度 100% の環境で成型されない限り、乾燥するにつれて時間とともに収縮し、クリープと呼ばれる現象により時間とともに変形します。コンクリートの強度は、混合、注入、成型、圧縮、養生 (硬化中に湿潤状態にしておく) の方法と、混合物に混和剤が使用されたかどうかに大きく依存します。型枠が作れる限り、どのような形にも成型できます。色、品質、仕上がりは、構造の複雑さ、型枠に使用された材料、作業者のスキルによって異なります。

コンクリートの弾性係数は、コンクリートの配合、年数、品質、およびコンクリートに適用される荷重の種類と期間によって大きく異なります。通常、コンクリートが完全な強度に達した後 (通常は打設後 28 日とみなされます)、長期荷重では約 25 GPaと見なされます。足踏みなどの非常に短期的な荷重では、約 38 GPaと見なされます。

コンクリートは火災に対して非常に有利な特性を持っています。非常に高い温度に達するまで、火災による悪影響はありません。また、非常に質量が大きいため、防音や保温に適しています（コンクリートの建物を暖房するためのエネルギー要件が低くなります）。これは、コンクリートの製造と輸送に非常に多くのエネルギーが必要であるという事実によって相殺されます。材料の挙動を研究するために、材料の構成法則のマイクロプレーンモデルなど、多くの数値モデルが開発されました。

鉄筋コンクリートとは、もろい材料を強化するために鉄筋、鋼板、または繊維が組み込まれたコンクリートです。工業国では、建設に使用されるコンクリートのほぼすべてが鉄筋コンクリートです。引張能力が弱いため、鉄筋で十分に補強されていない限り、コンクリートは曲げや引張力を受けると突然脆く破損します。

プレストレストコンクリートは、コンクリートの引張強度に対する自然な弱点を克服する方法です。^{[1] [2]通常の}鉄筋コンクリートで実現可能なものよりも長いスパンの梁、床、橋梁の製造に使用できます。プレストレスト緊張材（通常は高張力鋼のケーブルまたはロッド）は、圧縮応力を生成するクランプ荷重を提供するのに使用され、曲げ荷重によって コンクリート圧縮部材に発生する引張応力を相殺します。

アルミニウムは、柔らかく、軽量で、展性のある金属です。純アルミニウムの降伏強度は 7 ～ 11 MPa ですが、アルミニウム合金の降伏強度は 200 ～ 600 MPa です。アルミニウムの密度と剛性は鋼鉄の約 3 分の 1 です。延性があり、機械加工、鋳造、押し出し加工が容易です。

金属が空気にさらされると薄い表面酸化アルミニウム層が形成され、それ以上の酸化を効果的に防ぐため、耐食性は優れています。最も強度の高いアルミニウム合金でも、合金銅との電気化学反応により耐食性は低下します。

アルミニウムは、重量に対する強度の比率が優れているため、一部の建築構造物（主にファサード）や航空機工学で広く使用されています。比較的高価な材料です。

航空機では徐々に炭素複合材料に置き換えられつつあります。

複合材料は、車両や航空機の構造にますます多く使用され、ある程度は他の構造物にも使用されています。橋梁、特に1818 年に建設されたコールポート鋳鉄橋などの古い構造物の保存にますます使用されています。複合材料は層状材料になる可能性があるため、多くの場合異方性 (方向によって材料特性が異なる) です。ほとんどの場合、非線形に動作し、過負荷がかかると脆く破損します。

ガラス繊維強化プラスチックは、重量に対する強度の比率が非常に優れていますが、非常に高価でもあります。製造プロセスは押し出し成形であることが多く、現在のところコンクリートや鋼鉄のような経済的な柔軟性はありません。構造用途で最も一般的に使用されているのは、ガラス繊維強化プラスチックです。

石積みは何千年もの間、構造物に使用されており、石、レンガ、ブロックの形をとることができます。石積みは圧縮には非常に強いですが、張力に耐えることができません（レンガやブロックの間のモルタルが張力に耐えられないため）。構造的な張力に耐えられないため、曲げにも耐えられず、そのため石積みの壁は比較的低い高さでは不安定になります。高い石積み構造では、バットレス（中世ヨーロッパの多くの教会で見られるフライングバットレスなど）や風柱からの横方向の荷重に対する安定化が必要です。

歴史的に、石積みはモルタルを使わず、または石灰モルタルを使って構築されていました。現代では、セメントベースのモルタルが使用されています。モルタルはブロックを接着し、ブロック間の境界面を滑らかにして、ひび割れの原因となる可能性のある局所的な点荷重を回避します。

コンクリートが広く使用されるようになって以来、石材はコストが高く、製造に高度な技術が必要なため、主要な構造材料として使われることはほとんどなくなり、外装材としてのみ使用されるようになりました。レンガやコンクリートブロックが石材の代わりとなりました。

石積みはコンクリートと同様に遮音性に優れ、熱容量も大きいですが、一般的に製造にはそれほどエネルギーを消費しません。輸送にはコンクリートと同じくらいのエネルギーを消費します。

木材は最も古い構造材料であり、主に鋼鉄、石材、コンクリートに取って代わられたものの、今でもかなりの数の建物で使用されています。木材の特性は非線形であり、木材の品質、処理、供給される木材の種類に応じて非常に多様です。木造構造物の設計は、経験的証拠に大きく基づいています。

木材は張力と圧縮には強いですが、繊維構造のため曲げには弱い場合があります。木材は炭化するため火に比較的強く、これにより要素の中心にある木材が保護され、構造が適度な期間、ある程度の強度を維持できます。

• アドビ
• 合金
• 竹
• カーボンファイバー
• 繊維強化プラスチック
• マッドブリック
• 屋根材

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