建築や機械の設計における重要な概念のひとつに「許容応力度」があります。
簡単に言えば、材料が安全に耐えられる面積当たりの力の大きさを示す値で、設計ではこれを基準に材料や部材の大きさの選定を行い、安全性を確認します。
許容応力度には、長期許容応力度や短期許容応力度などいくつかの種類があり、用途や条件によって値が異なります。
この記事を読めば、許容応力度の基本や短期・長期の違い、材料ごとの値の見方まで、設計に役立つ知識が一通り理解できます。
許容応力度とは何か
許容応力度とは読んで字のごとく、その材料が「許容」できる「応力度」です。
では「許容」とは、「応力度」とは一体何なのでしょうか。
「許容」とは何か
ある材料で造った部材がどのくらいの力で壊れるかというのは、実際にその材料で造った部材を用いて実験すればわかります。
しかし、どのくらいの力まで「許容」できるかというのは主観です。誰かが決めないことには決まりません。
つまり「許容」とは、人間の都合により「ここまでは許容できる」と決めた値だということです。
部材が壊れることは許容できません。だからといって、ほんの少しの変形も許容できないということもありません。
損傷しないギリギリまでなら許容する、というのが一般的です。「損傷する」とはどういうことかを決めるのも難しいですが。
「応力度」とは何か
建物の各部に生じている力の大きさを「応力」といいます。
そして、単位面積あたりに生じている応力の大きさを「応力度」といいます。
「応力」と「応力度」の違いがわかるよう、簡単な例を挙げてみます。
応力と応力度の違いの例
ここに、強いコンクリートで造った柱と、弱いコンクリートで造った柱があります。
この柱にそれぞれ10トンの力を加えると、強いコンクリートの柱だけ壊れてしまいました。それはなぜでしょうか。
それは強いコンクリートで造った柱は細く、弱いコンクリートで造った柱は太かったためです。拍子抜けでしょうか。しかし、応力度を理解するためには大事な考え方です。
この例では、どちらの柱にも10トンの力が作用していますので「応力」は同じです。しかし太さが違うため、応力を柱の断面積で割った「応力度」は違うのです。
柱が力に耐えられるかどうかは、「応力度」にすることで初めてわかります。
応力度の単位
応力度の単位は力を面積で割ったものです。
建築の構造の分野ではMPa（メガパスカル）またはN/mm2（ニュートンパースクエアミリメートル）を使用します。
柱の面積が小さければ応力度は大きくなり、面積が大きければ応力度は小さくなります。仮にコンクリートの強さが2倍であっても、柱の面積が1/3しかなければ、先に壊れるのは強いコンクリートの方です。
難しいわけではありませんが、「応力」と「応力度」の区別は非常に重要です。
長期許容応力度と短期許容応力度：荷重の継続時間による違い
許容応力度には、荷重が作用する時間の長さによる分類があります。それが「長期許容応力度」と「短期許容応力度」です。
建物に長期に作用する荷重とは、主に建物の自重などによる重力のことです。
雪の多い地域では、ある程度の積雪を見込む場合もあります。これらの荷重は、建物が完成してから解体されるまで、長期間にわたって作用し続けます。
一方、建物に短期に作用する荷重とは、「地震」や「風」による荷重です。
作用する時間としては、地震であれば長くても数分程度、風であれば数時間でしょう。建物の寿命が数十年であることを考えると、短期に作用する荷重はごく短い時間の出来事であることがわかります。
常に作用し続ける荷重に対しては、材料の劣化や変形を考慮して、ある程度の余裕を持っておきたくなります。逆に、一瞬しか作用しない荷重であれば、多少大きな応力度を許容してもよいと考えられます。
そのため、一般に短期許容応力度は長期許容応力度の1.5倍や2倍といった大きな値に設定されており、重力などの長期荷重に対しては、比較的余裕のある設計となっています。
また、建物を施工する際の仮設部材などでは、「中期許容応力度」という考え方を用いることもあります。
工事期間中の数か月間のみ使用される部材に対して、長期許容応力度では安全側に寄りすぎてしまうためです。中期許容応力度は、一般に長期許容応力度の1.25倍とし、長期と短期の中間的な値が採用されます。
圧縮・引張・曲げ・せん断：荷重の作用方向による違い
許容応力度は、材料が許容できる面積当たりの荷重の大きさを示しますが、材料に作用する荷重の方向によっても分類されます。「圧縮」「引張」「曲げ」「せん断」などがあります。
圧縮許容応力度
圧縮は材料が押される方向の荷重です。
建物の自重を支える柱に生じる荷重が代表例で、部材が潰れてもよい範囲の応力度を圧縮許容応力度と呼びます。
引張許容応力度
引張は材料が引っ張られる方向の荷重です。
コンクリート内の鉄筋やワイヤーに作用する荷重が該当し、部材が伸ばされてもよい範囲の応力度を引張許容応力度と呼びます。
曲げ許容応力度
曲げは梁や板などがたわむ方向の荷重です。
部材が下向きに凸に曲がった場合、内側となる上面には圧縮、外側となる下面には引張が生じますが、部材が曲げられてもよい範囲の応力度が曲げ許容応力度です。
せん断許容応力度
せん断は材がズレる方向の荷重です。
コンクリートの壁が地震に抵抗するときの荷重が代表例で、部材がズラされてもよい範囲の応力度をせん断許容応力度と呼びます。
材料による違い
これら荷重の作用方向の違いによる許容応力度の値は、材料の特性によって違います。
鋼材の場合、圧縮・引張・曲げはほぼ同じ値になります（ただし、圧縮と曲げは部材の形状によって低減されることもあります）。しかし、せん断はその60%弱まで小さくなります。
コンクリートの場合はさらに極端で、せん断は圧縮の1/10しかなく、引張に至ってはゼロと見なします。
合理的な設計をするには、材料の特性をよく知っておくことが肝心です。
建築材料の許容応力度
人間が「このくらいなら許容できる」と材料ごとに決めた「応力度」が「許容応力度」です。では具体的な建築材料について数値を見ていきましょう。
コンクリートの許容応力度
コンクリートはセメント、砂、砂利、水を混ぜ合わせ、水和反応によって固まる材料です。その配合によって強度は大きく変わります。
ここではコンクリートの特性を表す代表的な指標である「圧縮許容応力度」について説明します。
コンクリートに圧縮荷重を加えると、ある荷重を超えたところで砂利の角を起点として内部がひび割れます。荷重が増えるにつれて、ひび割れはどんどん広がり、他のひび割れと一体化して大きくなります。そして最終的には破壊（破断）に至ります。
破壊するまで耐えられた最も大きな圧縮応力度を「圧縮強度」と呼びます。この圧縮強度の1/3倍がコンクリートの長期許容圧縮応力度、2/3倍が短期許容圧縮応力度です。
ただし、強度の2/3倍の荷重まで耐えられるからといって、内部にひびが全く生じないわけではありません。コンクリートは複雑な材料であり、損傷するかしないかを明確に線引きするのは難しいため、便宜的に1/3や2/3という数値が使われています。
さらに、コンクリートは強度以下の応力度であっても、繰り返し荷重を加えたり長時間荷重を加えたりすると破壊することがあります。つまり、コンクリートは謎が多い材料であり、実際の建物には強度の2/3までしか使用できません。
鋼材の許容応力度
建築用の鋼材は、工場で管理された特性のばらつきが小さい材料です。製品ごとのばらつきは許容値の範囲内に収まるものだけが出荷されます。
鋼材を引っ張っていくと、ある点からあまり力を加えなくても変形が大きくなる軟化現象が起こります。これを「降伏」と呼びます。そしてさらに伸び続けると、最終的に破断します。
部材が破断するまで耐えられた最も大きな引張応力度が「引張強度」です。鋼材の短期許容応力度は、引張強度の70％と降伏時の応力度の小さい方が採用されます。
そして、短期許容応力度の2/3倍が長期許容応力度です。コンクリートの場合は長期と短期で1：2の関係でしたが、鋼材は1：1.5の関係になります。
鋼材は降伏する前であれば、何度変形させても元の形に戻ります。しかし降伏してしまうと、力を抜いても元に戻らず、損傷が蓄積されていきます。
鉄筋の許容応力度
鉄筋も鋼材と同じような性質を持っています。短期許容応力度は、部材が「降伏」するときの応力度です。
しかし、長期許容応力度は短期許容応力度の単純な2/3倍ではありません。もっと小さな値になるのです。
鉄筋はコンクリートとセットで使用し、引っ張りに弱いコンクリートに代わって部材が引っ張られる力を負担します。その際、若干ながら鉄筋が伸びます。
そして鉄筋が伸びた分だけコンクリートにはひび割れることになります。
もし長期許容応力度を単純に2/3倍にしてしまうと、鉄筋が大きな力を負担することになり、コンクリートは大きくひび割れてしまいます。これは耐久性や美観上、好ましくありません。
そのため、鉄筋の長期許容応力度には鉄筋の太さに応じてひび割れ幅を制御するための制限が設けられているのです。
許容応力度のまとめ
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許容応力度とは、材が許容できる面積あたりの力の大きさ
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荷重が作用する時間の長さや方向によって変わる
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コンクリート、鋼材、鉄筋の許容応力度には明確な決まりがある
許容応力度は、材料ごとの特性や荷重のかかり方によって決まります。コンクリートや鋼材、鉄筋それぞれで長期・短期の値が異なり、設計では安全性と耐久性を両立させるための目安として使われます。
許容応力度の特性を理解し、適切な設計を心がけたいものです。
