せん断強度とは？意味・単位・せん断応力との違いをわかりやすく解説！（引張強度：圧縮強度：せん断耐力）
材料や部品に横方向の力が加わると、内部では面に沿ってずれようとする力が発生します。
このずれに対してどれだけ耐えられるかを示す重要な指標が、せん断強度です。
機械設計、建築、土木、金属加工、接着剤の選定などでは、引張強度だけで安全性を判断できない場面が少なくありません。
ボルトが横から押される場合、板材が切断される場合、接着面が滑る場合には、せん断に関する性質の理解が必要になります。
この記事では、せん断強度の意味、単位、せん断応力との違い、引張強度や圧縮強度との関係、せん断耐力を確認するときの考え方を順番に解説します。
せん断強度の要点
それではまず、せん断強度の結論となる考え方について解説していきます。
ずれ破壊に耐えられる限界値
せん断強度とは、材料や接合部がせん断力によって破壊するまで耐えられる最大の応力を指します。
せん断力は、対象物を押し切るように、あるいは上下や左右へ食い違わせるように働く力です。
はさみで紙を切るとき、紙の切断面にはせん断力が作用しています。
金属板を打ち抜くプレス加工、ボルトで固定した部材への横荷重、接着した部品のずれも、せん断の代表的な例です。
材料が耐えられる限界を超えると、切断、滑り、割れ、接合部の破断といった形で破壊が進みます。
そのためせん断強度は、単に材料の硬さを示す数値ではなく、荷重を受けたときの破壊しにくさを評価するための基準として扱われます。
なお、材料そのものの強さを示す場合と、ボルトや溶接部を含む構造全体の耐力を示す場合では、確認すべき条件が異なります。
せん断力とせん断面の関係
せん断強度を理解するうえでは、力の大きさだけでなく、どの面でずれが起こるかを考える必要があります。
たとえば直径が同じボルトでも、せん断面が一つだけの単純せん断と、せん断面が二つある複せん断では、受け持てる荷重が変わります。
せん断面が増えれば、一般に荷重を分担できる面積も増えるため、同一材料でも耐えられる力は大きくなります。
一方で、穴の縁が変形する支圧破壊や、板が裂ける引抜き破壊が先に発生することもあります。
設計では、せん断だけを切り離して見るのではなく、荷重の向き、固定方法、板厚、穴径、端部までの距離をまとめて確認する姿勢が大切です。
せん断強度は材料固有の値として示されることがありますが、実際の部品では形状や接合状態によって破壊の仕方が変わります。
カタログ値をそのまま使うのではなく、想定するせん断面と安全率を含めて判断することが重要です。
強度と耐力の使い分け
せん断強度と似た言葉に、せん断耐力があります。
せん断強度は材料試験などで得られる限界応力を表すことが多い一方、せん断耐力は部材や接合部が実際に負担できる荷重として使われる傾向があります。
たとえばボルト接合では、ボルト軸のせん断破断だけでなく、接合される鋼板の変形や破断も考慮して耐力を定めます。
つまり、せん断強度は応力の観点、せん断耐力は荷重の観点から見る言葉と考えると整理しやすいでしょう。
設計図や規格書では用語の定義が異なる場合もあるため、対象が素材なのか、部品なのか、構造物なのかを確かめることが欠かせません。
せん断応力との違い
続いては、せん断強度とせん断応力の違いを確認していきます。
現在かかっている応力
せん断応力は、外力によって材料の内部に現在発生しているずれ方向の力の大きさを、面積で割って表した値です。
せん断強度が破壊に至る限界値であるのに対し、せん断応力は使用中の状態を示す計算値です。
この二つを比較することで、対象物が安全な範囲にあるかどうかを判断できます。
せん断応力がせん断強度を上回れば、材料や接合部は破壊へ近づきます。
ただし実務では、限界値ぎりぎりまで使うことは避け、安全率を見込んで許容応力以下に収めるのが基本です。
平均せん断応力は、一般に次の関係で求めます。
せん断応力 τ ＝ せん断力 F ÷ せん断面積 A
たとえばせん断力が 10000 N、せん断面積が 100 mm² の場合、せん断応力は 100 N/mm² です。
単位と数値の読み方
せん断応力とせん断強度には、通常、Pa、MPa、N/mm²といった単位が用いられます。
1 N/mm²は1 MPaと等しいため、機械材料の資料では両方の表記が見られます。
たとえばせん断強度が200 MPaと記載されている場合、1 mm²あたり200 Nのせん断荷重に耐えられるという見方ができます。
ただし、これは均一に荷重が伝わる理想的な前提での話です。
実際には穴の周辺、切欠き、角部、溶接止端などで応力が集中し、平均応力より局所的な応力が大きくなることがあります。
単位が同じでも、試験条件や荷重状態が違えば単純比較できない点に注意が必要です。
| 項目 | せん断応力 | せん断強度 |
|---|---|---|
| 意味 | 使用中に発生するずれ方向の応力 | 破壊まで耐えられる限界の応力 |
| 求め方 | 荷重とせん断面積から計算 | 材料試験や規格値から確認 |
| 単位 | MPa、N/mm²など | MPa、N/mm²など |
| 主な用途 | 安全性の計算 | 材料や接合部の性能評価 |
| 判断 | 許容値以下かを確認 | 設計の上限を定める基準 |
平均応力と局部応力
基本式で求めるせん断応力は、せん断面全体に力が均等に分布していると仮定した平均値です。
しかし、実際の部品では荷重が一部へ偏ることがあります。
ボルト穴にがたがある場合、複数のボルトで荷重を受ける場合、接着剤の端部に力が集中する場合などは、平均値だけでは余裕を正確に把握しにくくなります。
繰り返し荷重が加わる箇所では、わずかな応力集中が疲労破壊につながる可能性もあります。
重要部品では有限要素法による解析や、試験による検証を組み合わせることもあります。
設計の初期段階では平均応力で大まかに確認し、危険度が高い箇所は詳細な検討へ進める流れが現実的でしょう。
引張強度と圧縮強度の関係
続いては、引張強度と圧縮強度との違いや関係を確認していきます。
引張強度との比較
引張強度は、材料を両側へ引っ張ったときに破断するまで耐えられる最大の応力です。
金属材料の性能表では引張強さとして記載されることが多く、材料選定の基本的な数値になっています。
せん断強度と引張強度はどちらも破壊に対する強さを示しますが、力の向きが異なります。
引張では材料内部が引き離され、せん断では内部の層が互いにずれようとします。
延性金属では、せん断強度が引張強度より低い値になる傾向があります。
ただし、その比率は材料の種類、熱処理、組織、試験方法によって変化するため、引張強度からせん断強度を機械的に決めるのは危険です。
延性材料の概算では、せん断強度を引張強度の約0.5倍から0.8倍程度として扱うことがあります。
これは初期検討の目安であり、最終設計では対象材料の規格値や試験値を優先します。
圧縮強度との比較
圧縮強度は、材料を押しつぶす方向に力を加えたときの強さです。
コンクリート、石材、セラミックスなどは、引張より圧縮に強い性質を持つものが多くあります。
そのため、建築や土木では圧縮強度が主要な管理項目になる場合があります。
一方、せん断破壊は、梁の支持部付近、基礎と構造部材の接合部、コンクリートのひび割れ周辺などで問題になりやすい現象です。
圧縮に十分耐えられる材料であっても、横方向の力によってせん断破壊が起きる可能性があります。
強度を考えるときは、最も大きな荷重だけを見るのではなく、どの破壊モードが先に発生するかを見極める必要があります。
材料ごとに異なる破壊の特徴
鋼材やアルミニウム合金のような延性材料は、破壊前に塑性変形が現れやすく、ある程度の予兆を観察できることがあります。
対して鋳鉄、ガラス、セラミックス、硬質樹脂などの脆性材料は、大きく変形する前に急に割れることがあります。
同じせん断荷重でも、材料の粘り強さによって破壊の進み方は異なります。
木材では繊維方向と繊維に直交する方向で強度が大きく変わり、合板や集成材では層構成も影響します。
樹脂やゴムでは温度、湿度、経年変化による影響を受けやすいため、常温の代表値だけで判断しないほうが安心です。
材料データを確認するときは、強度の数値に加えて、試験温度、試験片の向き、荷重速度、破壊形態にも目を向けましょう。
せん断耐力の計算と確認
続いては、せん断耐力を確認するための基本的な計算方法を見ていきます。
せん断面積による基本計算
せん断耐力を概算する際は、許容せん断応力にせん断面積を掛けて求めます。
せん断面積は、力によって切れようとする断面の面積です。
丸棒やボルトの単純せん断では、軸部の断面積を用いることが基本になります。
ねじ部がせん断面にかかる場合は、有効断面積が小さくなる可能性があるため、呼び径だけで判断してはいけません。
許容せん断荷重 P ＝ 許容せん断応力 τa × せん断面積 A
直径10 mmの丸棒では、断面積はおよそ78.5 mm²です。
許容せん断応力を80 N/mm²とすると、単純せん断での許容荷重は約6280 Nとなります。
この計算は単純な条件を前提にした値であり、荷重の偏り、締結状態、衝撃、疲労、腐食による断面減少などは別途考慮します。
安全性が求められる設備では、計算結果に余裕を持たせることが欠かせません。
単純せん断と複せん断
単純せん断は、せん断面が一つだけ存在する状態です。
たとえば一枚の板を別の部材へボルトで重ねて接合し、横方向へ引っ張る場合には、ボルトに一つのせん断面が生じます。
複せん断は、ボルトやピンに二つ以上のせん断面ができる状態です。
中央の部材を両側から挟んでピン接合する構造では、二つの面で荷重を分けて受けるため、理想的には単純せん断より大きな荷重に耐えられます。
ただし、各面に同じように荷重が分配されるとは限りません。
組立誤差、部材の剛性差、穴の精度によって片側に負担が偏ることもあるため、実際の設計では慎重な評価が必要です。
| 確認項目 | 単純せん断 | 複せん断 |
|---|---|---|
| せん断面の数 | 一面 | 二面以上 |
| 荷重の受け方 | 一つの面で負担 | 複数の面で分担 |
| 代表例 | 重ね継手のボルト | フォーク形状のピン接合 |
| 注意点 | ボルト軸の断面確認 | 荷重分配の偏り確認 |
安全率と許容応力
せん断強度は破壊に至る限界の値であるため、そのまま使用荷重の基準にすることは一般的ではありません。
設計では、材料のばらつき、加工誤差、想定外の荷重、経年劣化などを見込み、安全率を考慮した許容せん断応力を設定します。
安全率を大きくすれば壊れにくくなりますが、部品が重くなったり、コストが上がったりする場合があります。
逆に余裕を小さくしすぎると、わずかな条件変化で破損につながるおそれがあります。
用途に応じた安全率を選ぶことが、強度計算では非常に重要です。
人命に関わる設備、繰り返し動く機械、屋外で腐食を受ける構造物などでは、特に保守的な設計が求められるでしょう。
せん断耐力の計算では、ボルトが切れるかだけを確認して終わりにしません。
板の支圧、端部の裂け、溶接部、接着層、部材全体の曲げなど、より弱い部分がないかを並行して確認します。
試験方法と規格値の見方
続いては、せん断強度の試験方法と規格値を読む際の注意点を確認していきます。
材料試験による測定
せん断強度は、試験片へ規定の荷重を加え、破断時の荷重とせん断面積から求める方法が基本です。
試験方法には、打抜きせん断、二重せん断、ねじり、接着剤用のラップせん断試験など、材料や目的に合わせた種類があります。
試験片の形状が異なれば応力分布も変化するため、異なる試験法で得た数値を同じ意味として扱うことはできません。
接着剤では、被着材の材質、表面処理、接着層の厚み、硬化条件が結果に大きく影響します。
金属材料でも、圧延方向、熱処理、表面傷、切欠きの有無によって結果が変わることがあります。
カタログ値を見るときは、どの試験法で測定された数値なのかを確認する習慣を持ちましょう。
JIS規格や材料表の確認
JIS規格や各種材料規格には、試験方法、試験片、判定条件、強度区分などが定められていることがあります。
ただし、すべての材料にせん断強度が必ず規定されているわけではありません。
引張強さ、耐力、硬さだけが掲載され、せん断強度は設計資料やメーカー技術資料で補う場合もあります。
規格に示される数値は、製品保証の下限値、代表値、参考値のどれに当たるかを見分ける必要があります。
また、同じ材質記号でも板、棒、管、鋳物などの製造形状によって性能範囲が異なることがあります。
購入する材料のミルシートや検査成績書を確認できる場合は、設計上の根拠として役立つでしょう。
温度と繰り返し荷重の影響
せん断強度は、常温で一回だけ荷重をかけた結果だけでは判断しきれません。
高温環境では金属や樹脂が軟化し、低温環境では材料が脆くなることがあります。
湿気、紫外線、薬品、油、塩分なども、樹脂や接着剤、表面処理に影響を与えます。
さらに、強度の限界値を下回る荷重であっても、繰り返し受けることで疲労き裂が進行する場合があります。
振動する機械、車両、橋梁、回転設備などでは、静的なせん断強度だけでなく疲労強度も検討対象です。
長期間使う部品ほど、初期の強度だけではなく、使用環境を含めた寿命評価が重要になります。
材料表にある強度値は、指定条件で得られた性能を示すものです。
実際の使用条件が試験条件から離れるほど、余裕を見込んだ設計と必要な検証が求められます。
せん断強度のまとめ
せん断強度は、材料や接合部がずれ方向の力によって破壊するまで耐えられる限界の応力です。
せん断応力は使用中に発生する値であり、せん断強度は破壊に関する上限値という違いがあります。
単位はMPaやN/mm²が一般的で、せん断応力はせん断力をせん断面積で割って求めます。
引張強度、圧縮強度、せん断強度はそれぞれ力の向きと破壊形態が異なるため、数値を単純に置き換えることはできません。
ボルト、ピン、溶接、接着部では、せん断面の数、応力集中、板の破断、支圧、疲労などを総合的に確認することが大切です。
せん断応力を許容値以下に抑え、適切な安全率を確保することが、破損を防ぐ基本になります。
材料の規格値や試験データを使う際は、試験方法、温度、荷重条件、対象となる部材の形状まで確認し、用途に合った強度評価につなげてください。
