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中立軸とは?1分でわかる意味、定義、コンクリートの中立軸、合成梁

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中立軸とは、部材に曲げモーメントが生じたとき、応力度が生じない断面の位置です。断面内で、引張力と圧縮力が釣り合う位置なので、図心の位置が中立軸になります(応力状態によって、中立軸=図心とならない場合もある)。今回は、中立軸の意味、定義、コンクリートの中立軸、合成梁の中立軸について説明します。


※断面の図心は、断面一次モーメントにより求めます。下記を併せて参考にしてください。

断面一次モーメントについて

図心ってなに?図心の求め方と断面一次モーメントの関係

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中立軸とは?

中立軸とは、部材に曲げモーメントが生じたとき、断面内に応力度が生じない位置です。下図をみてください。梁に曲げモーメントが生じると、下図の応力度となります。応力度が0になる点がありますね。この位置が、中立軸です。

中立軸

中立軸は、圧縮力と引張力が釣り合う位置です。上端に作用する圧縮力、下端に生じる引張力が同じのとき、図心が中立軸の位置です。図心は、断面一次モーメントを用いて求めます。断面一次モーメントは、下記の記事が参考になります。

断面一次モーメントについて


四角形の場合、図心は「中心」ですが、少し変わった図形の場合、図心の位置は中心では無いです。図心の求め方は、下記が参考になります。

図心ってなに?図心の求め方と断面一次モーメントの関係


ただし、コンクリート部材のように、中立軸が移動する場合もあります(詳細は後述しました)。また、軸力が生じると、引張力と圧縮力の釣り合う位置も変わるので、中立軸が移動します。

中立軸の定義

中立軸の定義は、下記です。


部材に曲げモーメントが生じた時、断面内に引張力、圧縮力が生じない断面の位置

鉄筋コンクリートの中立軸と移動

鉄筋コンクリートは、圧縮力をコンクリート、引張力を鉄筋に負担させる材料です。荷重を加えた初期段階は、図心位置に中立軸があります。


しかし、コンクリートがひび割れると、引張側の応力度が減少します(引張力が徐々に負担できなくなる)。その代り、圧縮側の応力度が増えます。


コンクリートのひび割れが増えるにつれて、中立軸が図心から上端に移動します。詳細は、下記が参考になります。

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合成梁の中立軸

合成梁とは、鉄骨梁の上にスタッドを打ち、スラブと一体化した梁です。合成梁には、


完全合成梁

不完全合成梁


の2つがあります(詳細は省略します)。スラブ断面、スラブの剛性の影響を考慮し、中立軸を計算します。計算方法は、下記の書籍が参考になります。

各種合成構造設計指針・同解説

まとめ

今回は、中立軸について説明しました。意味が理解頂けたと思います。中立軸は、部材に曲げモーメントが作用するとき、断面に応力度が生じない位置です。中立軸は、図心と一致することが多いです。まずは、断面の図心の求め方を理解しましょう。また、軸力の影響で中立軸が変わること、コンクリートの中立軸は移動することも覚えてくださいね。下記の記事が参考になります。

図心ってなに?図心の求め方と断面一次モーメントの関係

釣り合い鉄筋比ってなに?3分でわかる意味と、梁の断面算定の方法

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