コンクリート、鉄筋コンクリート、鉄骨構造

コンクリート構造

コンクリートは、セメント、砂、小さな石(骨材)、水を混ぜたものです。はじめはどろっとしたペーストですが、固まると石のようになります。

力には大きく2種類あります。圧縮は押しつぶす力、引張は引きのばす力です。コンクリートは圧縮にはとても強いのですが、引張には弱く、耐えられる引張は圧縮のおよそ10分の1しかありません。

そこで無筋コンクリート(鉄を入れないコンクリート)は、おもに押される場所に使います。たとえば基礎、厚い壁、重力式ダム、水路の内張り、固い地盤の上の農道の舗装、小さな堰(せき)などです。

無筋コンクリートは曲がるとひびが入ります。だから厚くて短く作り、細長いはりには使いません。

鉄筋コンクリート構造(RC)

はりが曲がると、下側は引っ張られ、上側は押されます。引っ張られる側の近くに鉄筋(棒状の鉄)を入れます。鉄は引張に強い材料です。コンクリートは鉄筋を固定し、押す力を分けて受け持ち、鉄筋をさびから守ります。

なぜうまくいくのでしょうか。コンクリートは鉄筋をしっかりつかみます。さらに、暑さや寒さで伸び縮みする量がほぼ同じなので、2つは一体のように働きます。

鉄筋のまわりには、かぶりと呼ぶコンクリートの層が必要です。かぶりが水や空気を防ぐので、鉄筋はさびません。ふつうのかぶりは2〜5cmほどで、貯水槽ではもっと厚くします。

農場でRCを使うのは、貯水槽、サイロ、橋、カルバート(暗きょ)、水路のゲート、落差工、牛舎の床、はりと床板でできた建物などです。

鉄骨構造

鉄骨構造は、山形鋼、溝形鋼、H形鋼などの圧延した鋼材を、ボルト、リベット、溶接でつないだものです。鋼は押す力にも引く力にも強い材料です。

長所は、重さのわりに強いこと、早く組み立てられること、長い距離をかけ渡せること、古い部材を再利用できることです。短所は、塗装や亜鉛めっきをしないとさびること、高温の火事で強さが落ちること、細長い部材は押されると横に曲がる(座屈する)ことです。

トラスは、棒を三角形につないだ骨組みです。三角形は形が変わらないので、骨組みはかたく安定します。農場では、温室や牛舎の骨組み、穀物サイロ、貯水塔、スプリンクラー管の支え、門などに使われます。

3つの選び方

• おもに押される、重くてよい、長持ちさせたい:無筋コンクリート。
• 曲がる、水圧がかかる、強くて長持ち、あとで動かさない:RC。
• 長い距離をかけ渡す、軽い、早く作る、あとで移したり広げたりするかもしれない:鉄骨。

ほかにも、費用、地元で手に入る材料、下の土の性質、何年使いたいかを考えます。

やってみよう:ビスケットの実験

乾いたビスケットを用意します。手のひらではさんで平らに押してみましょう。なかなかつぶれません。次に両端を持って曲げてみましょう。少し曲げただけで折れます。ビスケットはコンクリートに似ていて、押されるのには強く、曲げには弱いのです。今度は、粘土の板の下側に細い棒をはりつけて乾かし、曲げてみましょう。もう少し長く耐えます。この棒が鉄筋の役目をしています。

重要な公式と用語

• 圧縮=押す力; 引張=引く力
• 無筋コンクリート: 圧縮に強く、引張に弱い
• RC = コンクリート + 引張側の鉄筋
• かぶり = 鉄筋のまわりのコンクリート層(さびを防ぐ)
• 鋼: 押しにも引きにも強い; 重さのわりに強い; さびと座屈に注意

例題

よくある間違い

• コンクリートはどんな力にも強いと思うこと。強いのは押されるときだけです。
• 単純支持のはりで、鉄筋を真ん中や上に入れてしまうこと。鉄筋は、引っ張られる下側の近くに入れます。
• かぶりが足りなくて鉄がさび、コンクリートが破裂すること。
• 鉄は絶対に壊れないと思うこと。細い鉄は座屈し、さびて、火事で強さが落ちます。