強度の表現と瞬間的な荷重強度について

質問

紐があったとします。
これの長さ方向の荷重強度を知りたいです。

1) 仮に、紐を吊るし、下部に10kgfの錘をつけたとします。
そして、1時間経ったら切れました。
この場合の強度はどう表現するのが適切でしょうか？

2) また、この強度は仮に瞬間的な荷重だとどの程度になるでしょう？
10kgf x 60sec x 60minと言えるわけですが、
0.01secの間だとどの程度の荷重がかかると切れるでしょう？
計算方法なども教えてください。

よろしくお願いいたします。

回答No.3

noname#259849

紐ではありませんが、鋼材の強度は弾性域と塑性域で分けて考えます。
荷重による伸び（変位・歪み）が弾性域にある場合、荷重を取り除けば変位は復元し元に戻りますが、塑性域の場合は残留変位として残ります。
例えとして、まっすぐな鉄の棒は最初曲げにくいですが、いったん曲ってしまうと少ない力で変形が増大します。
前者が弾性域、後者が塑性域です。

弾性域では紐は破断することはありませんが、塑性域では同じ力をかけ続けると伸びが増大し破断します。
最終的な物性は荷重強度と歪み量（荷重歪み曲線）の積分（累積荷重）で決定するので、時間は関係ありません。

＞この場合の強度はどう表現するのが適切でしょうか？

鋼材であれば降伏強度、破断強度という表現が存在しますが、単なる紐の場合降伏強度と破断強度はほぼ近似と言えると思います。
ですから表現としては破断強度で良いかと思います。
一般的な荷重試験も荷重をゆっくり増加していったときの破断した強度のことを言うので、この場合と大きな違いは無いと思います。
ただ実際は1時間もつるしていたら疲労による強度低下も考慮されるので、ここで単純に荷重の比較とするには例が悪いかもしれません。

＞0.01secの間だとどの程度の荷重がかかると切れるでしょう？

同じ10kgです。時間にかかわらず破断強度に達すれば紐は切れます。
ただ0.01秒であればほぼ瞬間です。
衝突のように瞬間的に荷重がかかるような場合衝撃の影響があるので、本来の荷重よりも影響は大きくなります。
力学的には衝撃係数といいますが、これにより荷重が割増しとなるので、見かけの載荷荷重は10kgよりも小さくなるかもしれません。

お礼

ありがとうございます。
難しいですね.. 同じ10kgfというのが感覚的に理解できないです。
紐の強さを表す書き方として10kgfと書くだけだと、一時間引っ張り続けてやっと切れるのと、一瞬で切れる違いがないように思えます。

一時間引っ張らないと切れない紐が同じ力で一瞬で切れるんでしょうか？

回答No.2

lumiheart

回答１です
＞物理学的な部分での表現と計算と比較方法です。

「クリープ特性」を無視した表現や計算はダメでしょう

ゴム紐で考えれば分かると思いますが
加重を掛けると伸びます
そのまま掛け続けると伸びきって切れます
逆に言えば伸びきるまで切れません（弾性限度）

ゴムでなくナイロンでもビニルでも同様です
プラスチックでなくもっと固い鉄でも同様です
http://ms-laboratory.jp/zai/tensile/tensile.htm

また、鉄の場合での強度は弾性限度内を引張強度とします
破断強度ではありません
http://d-engineer.com/zairiki/anzenritu.html

ただ、ナイロン等では鉄とは違いますので
http://www.toray.jp/plastics/amilan/technical/tec_001.html
必ずしも弾性限度では考えないのでアレですが

＞1の力を100の時間かけるのと、
＞100の力を1の時間かけるのは同じように思えます。
これは動力計算ですね　単位は[W]になります
でも、ゴム紐を１００の力で１の時間引っ張っても切れないよね？
弾性限度内でいくら引っ張っても

尚、私は材料力学の専門家ではありませんので
本件に対する答えは持ち合わせておりませんアシカラズ

お礼

ありがとうございます。
ゴムの例で言うと伸びきった状態で、というイメージですね。

回答No.1

lumiheart

http://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISSearch.html
JISL2704 ナイロンロープ
3/6ページ
　5.7 引張強さ

JISK7115　プラスチック－クリープ特性の試験方法－第 1 部：引張クリープ
2/16ページ
　3.1　クリープ  (creep)  
　　一定の応力が作用しているとき，時間とともに増加するひずみ。

その他参考になりそうな規格

JISR3420 ガラス繊維一般試験方法
JISR7608 炭素繊維－樹脂含浸ヤーン試料を用いた引張特性試験方法
JISG3525 ワイヤロープ
JISL2510 ナイロン縫糸
JISL2703 ビニロンロープ
JISL2705 ポリエチレンロープ
JISK7087 炭素繊維強化プラスチックの引張クリープ試験方法
JISK7083 炭素繊維強化プラスチックの定荷重引張－引張疲れ試験方法
JISK7128-1 プラスチック－フィルム及びシートの引裂強さ試験方法－第１部：トラウザー引裂法
JISK7161-1 プラスチック－引張特性の求め方－第１部：通則
JISR7606 炭素繊維－単繊維の引張特性の試験方法
JISR7608 炭素繊維－樹脂含浸ヤーン試料を用いた引張特性試験方法

引張試験機
https://www.aandd.co.jp/adhome/products/test/rtf_rtg.html
http://www.an.shimadzu.co.jp/test/products/mtrl03/mtrl0331.htm
http://www.imada-ss.co.jp/

お礼

ありがとうございます。
試験方法では強度についての合否評価までは記載していないことも多いのではないでしょうか？
また、私の知りたいのは試験方法と言うより、物理学的な部分での表現と計算と比較方法です。

一時間一定の荷重をかけて切れた、その荷重をどう表現するのが正しいか？
そして0.01秒での荷重なら上記の何倍であれば切れると予想できるか？
と言うことになります。

1の力を100の時間かけるのと、
100の力を1の時間かけるのは同じように思えます。
それが紐の強度の場合でも同じと考えられるのか？

10kgf x 60sec x 60min = 36000
とした時、
0.01秒の間に同じ36000の荷重を掛ければ切れるのではないでしょうか？

よろしくお願いいたします。