せん断強度

ダービーシャー州キャッスルトン近郊のマム・トール道路が地盤沈下とせん断により破壊された。

工学において、せん断強度とは、材料または部品がせん断破壊を起こした際に、降伏または構造破壊の種類に対する材料または部品の強度を指します。せん断荷重とは、力の方向と平行な平面に沿って材料に滑り破壊を生じさせる力です。紙をはさみで切ると、紙はせん断破壊を起こします。

構造工学および 機械工学において、部材のせん断強度は、部材（梁、プレート、ボルトなど）の製造または建設に使用する寸法や材料を設計する上で重要です。鉄筋コンクリート梁において、鉄筋スターラップの主な目的はせん断強度を高めることです。

方程式

長方形の上部にせん断力が加わると、長方形は平行四辺形に変形します。せん断弾性係数が高いほど、長方形を変形するために必要な力は大きくなります。

せん断応力 が適用される 場合${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau ={\frac {\sigma _{1}-\sigma _{3}}{2}},}$

どこ

${\displaystyle \sigma _{1}}$ 主応力は主応力であり、

${\displaystyle \sigma _{3}}$ は、小さな主応力です。

一般的に、延性材料（アルミニウムなど）はせん断で破損しますが、脆性材料（鋳鉄など）は引張で破損します。

計算するには：

破壊時の全力（F）と抵抗面積（例えば、せん断荷重を受けるボルトの断面）が与えられると、極限せん断強度（）は次のようになります。 ${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau ={\frac {F}{A}}={\frac {F}{\pi r_{\text{bolt}}^{2}}}={\frac {4F}{\pi d_{\text{bolt}}^{2}}}}$

平均せん断応力の場合

${\displaystyle \tau _{\text{avg}}={\frac {V}{A}}}$

どこ

${\displaystyle \tau_{\text{avg}}}$ 平均せん断応力は

${\displaystyle V}$ 部品の各セクションに適用されるせん断力であり、

${\displaystyle A}$ 断面の面積である。^{[ 1 ]}

平均せん断応力は、次 のように定義される。${\displaystyle V}$

${\displaystyle V=\int \tau dA}$

これは平均応力に過ぎず、実際の応力分布は均一ではありません。実際の用途では、この式は近似値に過ぎず、最大せん断応力はこれより高くなります。応力は部品全体に均等に分布していないことが多いため、推定値を考慮するにはせん断強度を高く設定する必要があります。^{[ 2 ]}

比較

引張強度、降伏強度、せん断強度に関する大まかな目安としては、^{[ 3 ]}

材料	究極の強さの関係	降伏強度の関係
鋼鉄	USS = 約0.75*UTS	SYS = 約0.58*TYS
ダクタイル鋳鉄	USS = 約0.9*UTS	SYS = 約 0.75*TYS 。
可鍛鋳鉄	USS = 約 1.0 * UTS
錬鉄	USS = 約 0.83 * UTS
鋳鉄	USS = 約1.3*UTS
アルミニウム	USS = 約0.65*UTS	SYS = 約0.55*TYS

USS: 極限せん断強度、UTS: 極限引張強度、SYS: せん断降伏応力、TYS: 引張降伏応力

引張強度や降伏強度のような、せん断強度に関する公表された標準値は存在しません。代わりに、最大引張強度の60%と推定されるのが一般的です。せん断強度はねじり試験によって測定され、ねじり強度と等しくなります。^{[ 4 ] [ 5 ]}

材料	極限応力（Ksi）	極限応力（MPa）
グラスファイバー/エポキシ（23 ^℃）[ 6 ]	7.82	53.9

物理的なサンプルから測定値を得たい場合、様々な材料カテゴリーと試験条件をカバーする多くの試験規格が利用可能です。米国では、せん断強度の測定に関するASTM規格として、ASTM B769、B831、D732、D4255、D5379、D7078などがあります。国際的には、せん断強度に関するISO試験規格として、ISO 3597、12579、14130などがあります。^{[ 7 ]}

参照

• せん断弾性率
• せん断応力
• せん断ひずみ
• せん断強度（土）
• せん断強度（不連続性）
• 材料強度
• 抗張力

参考文献

1. ヒッベラー、ラッセル（2017年11月9日）『材料力学』ピアソン・エデュケーション。ISBN 978-1-292-17828-8. OCLC  1014358513 .
2. 「力学eBook：せん断応力と軸受応力」 www.ecourses.ou.edu 2020年2月14日閲覧。
3. 「金属のせん断強度」www.roymech.org .
4. 「せん断強度 - Instron」www.instron.us . 2020年2月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年2月14日閲覧。
5. Porreco, Anthony (2011年10月10日). 「降伏強度と引張強度の計算」 . Portland Bolt . 2020年2月14日閲覧。
6. Watson, DC (1982年5月). E293/1581ファイバーグラスエポキシ複合材料および各種接着剤システムの機械的特性(PDF) (技術レポート). ライト・パターソン空軍、オハイオ州：空軍ライト航空研究所. p. 16. 2018年10月24日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2013年10月24日閲覧。
7. S. Grynko、「Material Properties Explained」（2012年）、 ISBN 1-4700-7991-7、38ページ。