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等方性材料と異方性材料

材料には等方性、異方性という性質があります。等方性を持つ代表的な材料が鋼です。一方、異方性を持つ材料が鉄筋コンクリートです。では、等方性、異方性とはどのような意味でしょうか。今回は、等方性材料、異方性材料について説明します。


異方性ってなに?

材料力学では、材料の方向性については考えませんでした。それは、材料の方向性を考えると計算が難解になるためです。一方で、日本で昔から使われている「木」は繊維方向と繊維直交方向で強度が異なる異方性材料です。その性状を理解することは、エンジニアとして必須でもあります。


前述したように、「木」は繊維方向と繊維直交方向で強度が違います。このように、方向により性質が変わる材料を「異方性材料」といいます。木は繊維方向に引張る力には強いですが、繊維直交方向はあまり強くありません。


代表的な異方性材料

では、代表的な異方性材料は何があるのでしょうか。下記に示しました。

などです。

鉄筋コンクリートの部材は、方向性を意識して鉄筋を配置します。例えば、梁は普通、長さ方向に鉄筋を配置します。それは、長さ方向に応力が作用するからです。よって、長さ方向とは直交方向には、主筋のような力を受ける鉄筋を配置しません。


つまり、方向によって強度がや性質が違う異方性材料です。木やFRPも同様のことが言えます。鉄筋コンクリートの部材に関しては、下記の記事が参考になります。


木材と異方性の関係

木は繊維方向に強く、繊維直角方向に引張れば簡単に千切れます。よって、無垢の木材を構造体として利用する場合、繊維方向に力が伝わるように配慮して設計を行います。


現在では、公共構造物等の大規模な建築物にも木材が応用され始めていますが、この場合、方向性を少なくするために「集成材」が良く利用されます。「集成材」とは、木を薄く切って接着剤で重ね合わせ圧縮して成形したものです。


異方性材料の留意点

前述したように、異方性材料と等方性材料では機械的性質が大きく違います。どちらが扱いやすい材料かと言えば、もちろん等方性材料です。


異方性材料は、接合部や複合的な応力が作用する箇所に細心の注意を払う必要があります。


また木材の詳細な解析を行うとき、繊維方向と繊維直交方向、その他の方向に関する、それぞれの弾性係数やポアソン比等を定義する必要があります。これは、等方性材料を扱うよりも骨の折れる作業です。

異方性材料

異方性材料2



等方性ってなに?

一方、等方性とは方向によって材料の性質が変わらないこと、を意味します。例えば、あらゆる方向から引張っても、同じように変形する、これが等方性です。


代表的な等方性材料

そんな、等方性を持つ代表的な材料が「鋼」です。鋼は引張る方向で強度や弾性係数が変化することはありません。このような方向に依存しない材料を「等方性材料」といいます。

鋼に関しては、下記の記事が参考になります。


まとめ

今回は、異方性材料と等方性材料について説明しました。両者の違い、代表的な材料など覚えておきましょう。また、異方性材料の解析は中々やっかいだ、という点も頭にいれておきたいですね。例えば下記のように、応力歪関係も異方性材料は複雑な計算式になります。

以上、今回の記事が参考になれば幸いです。

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