科目
機械設計法
章
設計の考え方
図番
01 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
機械設計法 1 / 14

安全率3は「壊れる力の3分の1」ではない許容応力と安全率

許容応力は、基準の強さを安全率で割った応力の上限。降伏点 235 MPa の鋼を安全率 3 で使うと 78.3 MPa で、20 kN をつるフックの首は直径 18.0 mm 必要(20 mm を選ぶ)。安全率 3 は、降伏し始める荷重の 3分の1 までしか使わないことで、同じ首でも引張強さで見れば安全率 6.28 になる。

工場の天井クレーンのフックが、ワイヤでくくった鋼材の束をつり上げていて、フックの上のまっすぐな首がよく見える
このページの内容
  1. フックの首は、何 mm あれば足りる?
  2. 公式はこれ
  3. ものさしの目盛りと余白
  4. 安全率は、余白の大きさ
  5. 首の太さを決める
  6. 基準の強さを、何にとるか
  7. 荷重の種類で、安全率を変える
  8. 式を、3つのかたまりに分けて読む
  9. どの数字がいちばん効く?
  10. 動かしてみよう
  11. よくある勘違い
  12. この公式が使える条件
  13. 例題

この単元のポイント

  1. 許容応力 = 基準の強さ ÷ 安全率。降伏点 235 MPa の鋼を安全率 3 で使うなら、許容応力は 78.3 MPa。
  2. 安全率 3 なら、降伏し始める荷重の 3分の1 までしか使わない。20 kN をつるフックの首は、直径 18.0 mm 必要で、20 mm を選ぶ。その首が降伏し始めるのは 73.8 kN。
  3. 荷重が繰り返したり、衝撃がかかったりするときは、安全率を大きくとる(目安は、静かな荷重で 3、衝撃で 12。引張強さが基準)。同じ首でも、降伏点で見れば安全率 3.69、引張強さで見れば 6.28。安全率は、何を基準にしたかと組で言う。

フックの首は、何 mm あれば足りる?

工場の天井には、重い物をつり上げるクレーンが走っています。荷をつるのは、先の曲がった金具、フックです。

フックの上の部分は、まっすぐな丸棒です。これを首と呼ぶことにします。首は、上の金具に留められていて、荷の重さで、まっすぐ下へ引っぱられます。

首が細すぎると、伸びて元に戻らなくなります。そのまま使い続ければ、やがてちぎれて、荷が落ちます。太すぎると、フックが重くなり、クレーンも大きくしなければなりません。

この単元では、約 2 トンの荷(20 kN)をつるフックの首を考えます。材料は、一般構造用の鋼 SS400 です。規格(JIS G 3101)では、引張強さは 400〜510 MPa、降伏点は、直径が 16 mm を超え 40 mm 以下の棒なら 235 MPa 以上です。この単元では、下限の 235 MPa と 400 MPa を使います(材料力学の フックの法則と縦弾性係数 の単元と同じ値)。

首の直径は、何 mm あれば足りるでしょうか。

予想してから読む降伏点 235 MPa の鋼で、20 kN をつるフックの首を、安全率 3 で作ります。必要な直径はおよそ?

公式はこれ

σa=σyS\sksSigmaA = \dfrac{\sarSigY}{\sksS}
記号 意味 この単元のフックで
σa\sksSigmaA 許容応力(使ってよい応力の上限)[MPa] 78.3 MPa
σy\sarSigY 基準の強さ。ここでは降伏点 [MPa] 235 MPa
S\sksS 安全率 3

材料力学の 応力とひずみ の単元で、許容応力に少しだけふれました。この単元では、安全率をいくつにとるか、何を基準にするかを決めます。

ものさしの目盛りと余白

計算で出した応力は、ものさしの目盛りのようなものです。0 から右へ、応力が大きくなるほど右に来ます。

同じものさしに、材料の強さの線を引きます。降伏点 235 MPa の線です。応力の目盛りがこの線を越えると、首は伸びたまま戻らなくなります。

設計では、この線のぎりぎりまでは使いません。手前に、もう1本の線を引きます。これが許容応力の線です。許容応力の線から、降伏点の線までの間が余白です。

ものさしの目盛りと余白(この科目を通す決まり)

計算で出した応力(目盛り)を、許容応力の線と比べる。許容応力の線と、材料の強さの線の間が余白。安全率は、余白の大きさを表す数。

安全率 3 は、降伏点を 3 で割った所に、許容応力の線を引くことです。235 ÷ 3 = 78.3 MPa。0 から 78.3 MPa までが、使ってよい範囲です。

この先の単元でも、このものさしを使います。疲労・応力集中・ボルト・キーと、壊れ方は変わっても、「目盛りが許容応力の線の内側にあるか」で、足りるかどうかを決めます。

安全率は、余白の大きさ

なぜ余白をとるのでしょうか。計算に入っていないことが、たくさんあるからです。

  • 材料の強さには、ばらつきがある(規格の値は「これ以上」という下限)
  • 荷が、計算より重いことがある(荷の重さの見積もり違い・つり方の偏り)
  • 荷を急に持ち上げると、止まっているときより大きな力がかかる
  • 使ううちに、すり減ったり、さびたりする

これらを1つずつ計算する代わりに、強さを安全率で割って、まとめて余白をとります。

安全率 3 は、応力で言えば「降伏点の 3分の1 まで」です。荷重で言っても同じです。応力は荷重に比例するので、許してよい荷重は、降伏し始める荷重の 3分の1 になります。

直径 20 mm の首なら、断面積は 314.2 mm²。降伏し始める荷重は 235 × 314.2 = 73.8 kN で、許してよい荷重はその 3分の1 の 24.6 kN です。

首の太さを決める

必要な太さは、3段で決めます。求める、選ぶ、確かめる、です。

1. 求める 首の応力は、荷重 ÷ 断面積です。これが許容応力になる断面積を求めます。

d=4 Wπ σa=4×20000 Nπ×78.33 N/mm2=18.03 mm\sarD = \sqrt{\dfrac{4\,\sarW}{\pi\,\sksSigmaA}} = \sqrt{\dfrac{4 \times 20000\ \mathrm{N}}{\pi \times 78.33\ \mathrm{N/mm^2}}} = 18.03\ \mathrm{mm}

2. 選ぶ 18.03 mm ちょうどの棒は作りにくいので、5 mm きざみで切り上げて、20 mm を選びます。

3. 確かめる 選んだ 20 mm で、応力をもう一度出します。

σ=4 Wπ ds2=4×20000π×202=63.7 MPa  ≤  78.3 MPa\sarSigma = \dfrac{4\,\sarW}{\pi\,\sarDs^2} = \dfrac{4 \times 20000}{\pi \times 20^2} = 63.7\ \mathrm{MPa} \;\le\; 78.3\ \mathrm{MPa}

許容応力の内側に入りました。足ります。切り上げた分だけ余白は広がって、降伏点で見た安全率は 235 ÷ 63.7 = 3.69 です。

基準の強さを、何にとるか

安全率の分子(基準の強さ)は、降伏点とは限りません。ちぎれる手前の最大の応力、引張強さを基準にすることもあります。

同じ 20 mm の首で、引張強さ 400 MPa を基準にすると、安全率は 400 ÷ 63.7 = 6.28 です。首も荷も同じなのに、数字は 3.69 と 6.28 に分かれます。

基準の強さ 基準の値 安全率(20 mm・20 kN) 基準を越えると
降伏点 235 MPa 3.69 伸びたまま戻らない
引張強さ 400 MPa 6.28 ちぎれる

だから、安全率は「何を基準にして」と組で言います。「安全率 5」と聞いたら、引張強さの 5分の1 なのか、降伏点の 5分の1 なのかを確かめます。この鋼なら、引張強さの 5分の1(80 MPa)と、降伏点の 3分の1(78.3 MPa)は、ほとんど同じ厳しさです。

法令にも、この考え方が出てきます。荷をクレーンのフックに掛けるための道具を、玉掛け用具と言います。そのうちのフックとシャックル(U字の金具)は、安全係数 5 以上と決められています(クレーン等安全規則 第214条。ワイヤロープは第213条で 6 以上)。この安全係数は、用具が切れる荷重を、かかる荷重の最大で割った値です。基準は、降伏ではなく、切れることです。

クレーンの本体の構造(はりや柱)では、許容引張応力を「降伏点 ÷ 1.5」と「引張強さ ÷ 1.8」の小さいほうにとります(クレーン構造規格 第3条)。SS400 なら 235 ÷ 1.5 = 157 MPa と 400 ÷ 1.8 = 222 MPa で、157 MPa です。2つの基準を両方見て、厳しいほうを使う決め方です。

荷重の種類で、安全率を変える

同じ重さでも、かかり方で、材料のつらさは変わります。

ハンモックに、砂袋を、そっと置くときと、上から落とすときを比べます。重さは同じでも、落とすと、つり具に一瞬、大きな力がかかります。これが衝撃です。

公園のブランコは、こぐたびに、鎖とつり金具に力がかかったり、抜けたりします。1回ごとの力は小さくても、何万回と繰り返します。

古くから使われてきた目安が、次の表です。鋼の安全率を、引張強さを基準にして、荷重の種類ごとに並べたものです(アンウィンの安全率)。

荷重の種類 安全率の目安(鋼・引張強さが基準)
静かにかかる荷重(静荷重) 3
同じ向きに繰り返す荷重(片振り) 5
向きが入れかわって繰り返す荷重(両振り) 8
衝撃 12

これは、あくまで目安です。実際の機械では、法令や規格、会社の決まりで値が決まっていることが多く、それに従います。繰り返す荷重で何が起きるかは、次の 疲労と疲労限度 の単元で見ます。

20 kN のフックを、引張強さ基準の安全率 12(衝撃)で作ると、許容応力は 400 ÷ 12 = 33.3 MPa、首の直径は 27.6 mm 必要で、30 mm を選びます。静かな荷重の 20 mm より、ひと回り太くなります。

式を、3つのかたまりに分けて読む

首の必要な直径の式を、3つに分けます。

d=4π⏟丸の形×W⏟荷の重さ×Sσy⏟余白と材料\sarD = \underbrace{\sqrt{\dfrac{4}{\pi}}}_{\text{丸の形}} \times \underbrace{\sqrt{\sarW}}_{\text{荷の重さ}} \times \underbrace{\sqrt{\dfrac{\sksS}{\sarSigY}}}_{\text{余白と材料}}
  1. 丸の形 断面積は直径の2乗に比例します。だから、どのかたまりも √ を通して直径に効きます。
  2. 荷の重さ 荷を2倍にすると、断面積も2倍要ります。直径は √2 倍(1.41倍)です。
  3. 余白と材料 安全率を3倍にすると、直径は √3 倍。降伏点の高い鋼に替えると、細くできます。

どの数字がいちばん効く?

既定のフック(20 kN・降伏点 235 MPa・安全率 3)から、1つずつ 10% 変えたときの、必要な直径の変化です。

変えるもの 必要な直径の変化 理由
荷重 W\sarW を10%大きく +4.9% √ で効く
安全率 S\sksS を10%大きく +4.9% √ で効く
降伏点 σy\sarSigY を10%高く −4.7% √ の分母で効く

どれも同じくらい、√ で効きます。どれを10%変えても、直径の変化は 5% 足らずです。

この3つのどれを変えても、必要な直径は 17.2〜18.9 mm の間にとどまり、選ぶ直径は 20 mm のまま変わりません。5 mm きざみの切り上げが、ここでも余白になっています。

つまり、ものを作るときは

安全率を大きくとるほど安全ですが、部品は太く重くなります。静かな荷重を想定した 20 mm の首を、衝撃を見込んで 30 mm にすると、断面積(重さ)は 2.25倍です。

だから、「どんな荷重が、どれくらいかかるか」を先に考えます。繰り返しや衝撃があるのか、荷の重さはどれくらい確かか。それに合わせて安全率を選ぶのが、設計の最初の仕事です。

クレーンのフックや、玉掛けのワイヤロープのように、壊れると人がけがをする部品では、安全率の下限が法令で決まっています。

動かしてみよう

荷重 W\sarW・降伏点 σy\sarSigY・引張強さ σB\sarSigB・安全率 S\sksS を変えると、首の直径が決まり、右の「余白のものさし」が動きます。

安全率を 1 まで下げると、許容応力の緑の線が、降伏点の線に重なります。余白が消えた状態です。

首の直径は、自分で決めます。細くしていくと、赤い線が緑の線を越えて「足りない」と出ます。

「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、前の図と比べられます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 直径 20 mm のまま、荷重 W を2倍の 40 kN にする(まだ)
  2. W = 40 kN のまま、使う直径 d を 30 mm に太くする(まだ)
  3. W = 20 kN・直径 20 mm で、安全率 S を 5 にする(繰り返し・衝撃を見込む)(まだ)
kN
MPa
MPa
mm
フックの首を、荷重がまっすぐ引く首の断面d = 20 mmA = 314.2 mm²W = 20 kNσ = 63.7 MPa余白のものさし応力で見る0100200300400[MPa]許容 78.3降伏点 235いまの応力 63.7(足りる)引張強さ 400荷重で見る(d = 20 mm)050100150200[kN]許容 24.6降伏 73.8いまの荷重 20(足りる)降伏点で見た安全率 3.69引張強さで見た安全率 6.2820 mm で足りる(いちばん細いのは 20 mm)
使う直径での応力は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

σ=4 Wπ d2\htmlClass{q-stress}{\sigma} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-force}{W}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^2}=4×20,000π×202= \dfrac{4 \times 20{,}000}{\pi \times 20^2}=63.7 MPa= 63.7\ \mathrm{MPa}
使う直径での応力
σ=63.7 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = 63.7\ \mathrm{MPa}
許容応力
σa=78.33 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_a} = 78.33\ \mathrm{MPa}
首の必要な直径
dreq=18.03 mm\htmlClass{q-geometry}{d_{\mathrm{req}}} = 18.03\ \mathrm{mm}
足りるいちばん細い直径(5 mm きざみ)
dmin⁡=20 mm\htmlClass{q-geometry}{d_{\min}} = 20\ \mathrm{mm}
降伏点で見た安全率
Sy=3.69 \htmlClass{q-material}{S_y} = 3.69\
引張強さで見た安全率
SB=6.28 \htmlClass{q-material}{S_B} = 6.28\
途中の計算(導出)を見る
  1. 基準の強さ(降伏点)を安全率で割って、許容応力を決める

    σa=σyS=235 MPa3=78.33 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_a} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_y}}{\htmlClass{q-material}{S}} = \dfrac{235\ \mathrm{MPa}}{3} = 78.33\ \mathrm{MPa}
  2. 応力が許容応力になる直径を出す(断面積 × 許容応力 = 荷重)

    d=4 Wπ σa=4×20,000 Nπ×78.33 N/mm2=18.03 mm\htmlClass{q-geometry}{d} = \sqrt{\dfrac{4\,\htmlClass{q-force}{W}}{\pi\,\htmlClass{q-stress}{\sigma_a}}} = \sqrt{\dfrac{4 \times 20{,}000\ \mathrm{N}}{\pi \times 78.33\ \mathrm{N/mm^2}}} = 18.03\ \mathrm{mm}
  3. 5 mm きざみで切り上げると、足りるいちばん細い直径が出る

    ds≥d=18.03 mm →=20 mm\htmlClass{q-geometry}{d_s} \ge \htmlClass{q-geometry}{d} = 18.03\ \mathrm{mm}\ \to = 20\ \mathrm{mm}
  4. 使う直径で応力を確かめる(許容応力以下なので足りる)

    σ=4 Wπ d2=4×20,000π×202=63.7 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-force}{W}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^2} = \dfrac{4 \times 20{,}000}{\pi \times 20^2} = 63.7\ \mathrm{MPa}
  5. 同じ応力で、基準の強さを変えて安全率を見る(降伏点と引張強さ)

    Sy=σyσ,SB=σBσ=23563.7,40063.7=3.69,6.28\htmlClass{q-material}{S_y} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_y}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}},\quad \htmlClass{q-material}{S_B} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_B}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}} = \dfrac{235}{63.7},\quad \dfrac{400}{63.7} = 3.69,\quad 6.28

よくある勘違い

「安全率 3 なら、3倍の荷をつっても平気」

降伏点で見た安全率 3 なら、3倍の荷で、首は降伏し始めます。伸びが戻らなくなり、もう部品としては使えません。

それに、余白は、材料のばらつき・荷の見積もり違い・衝撃・さびのために取ってあるものです。それらが重なれば、3倍より小さな荷でも、降伏点に届くことがあります。余白を、荷を増やすことに使ってはいけません。

「安全率は、大きいほどよい」

大きすぎると、部品が重く、高くなります。クレーンなら、フックが重くなるぶん、ワイヤもモータも大きくしなければなりません。

安全率 3 安全率 12
許容応力(引張強さ 400 MPa が基準のとき) 133 MPa 33.3 MPa
必要な直径(20 kN) 13.8 mm 27.6 mm

安全率を4倍にすると、直径は2倍、重さは4倍になります。

「安全率」「使用率」「許容応力」の取り違え

言葉 何の比か 既定のフック(20 mm)
安全率 基準の強さ ÷ 応力(大きいほど余白が多い) 3.69(降伏点が基準)
使用率 応力 ÷ 許容応力(1 以下なら足りる) 0.81
許容応力 基準の強さ ÷ 決めた安全率(応力の上限) 78.3 MPa

安全率は「安全係数」とも言います。

この公式が使える条件

  • 首は、荷重でまっすぐ引っぱられる(曲げやねじりは考えない)
  • 応力は、断面に均一に広がる(ねじ山や角の段がある所は、応力が高くなる。応力集中 の単元で扱う)
  • 荷重は、静かにかかる(繰り返しや衝撃は、安全率を大きくして見込む)
  • フックの曲がった胴の部分は、曲げも受けるので、この単元の式では決まらない。この単元では、首だけを考える
  • 安全率の値(3・5・8・12)は目安。実際の機械では、法令・規格の決まりに従う
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

許容応力から直径へ:首の応力は、荷重を断面積で割ったものです。

σ=WA,A=π d24\sigma = \dfrac{\sarW}{A}, \qquad A = \dfrac{\pi\,d^2}{4}

応力を許容応力 σa\sksSigmaA 以下にしたいので、ちょうど等しくなる断面積を求めます。

WA=σa⟹A=Wσa=20000 N78.33 N/mm2=255.3 mm2\dfrac{\sarW}{A} = \sksSigmaA \qquad\Longrightarrow\qquad A = \dfrac{\sarW}{\sksSigmaA} = \dfrac{20000\ \mathrm{N}}{78.33\ \mathrm{N/mm^2}} = 255.3\ \mathrm{mm^2}

A=πd2/4A = \pi d^2/4 を dd について解くと、

d=4Aπ=4×255.3π=18.03 mmd = \sqrt{\dfrac{4A}{\pi}} = \sqrt{\dfrac{4 \times 255.3}{\pi}} = 18.03\ \mathrm{mm}

許してよい荷重が 1/S になること:同じ断面積 AA で、降伏し始める荷重は Wy=σyA\sarWy = \sarSigY A、許してよい荷重は Wa=σaA=σyA/S\sarWa = \sksSigmaA A = \sarSigY A / \sksS です。比をとると AA も σy\sarSigY も消えて、Wa/Wy=1/S\sarWa / \sarWy = 1/\sksS になります。

例題

例題1 工場のクレーンのフック

工場の小さなクレーンで、最大 30 kN(約 3 トン)の荷をつります。フックの首は、まっすぐな丸棒で、降伏点 345 MPa の鋼で作ります。降伏点を基準の強さにとり、安全率は 4 とします。

(1) 許容応力はいくらですか。(2) 首の直径は何 mm 必要ですか。5 mm きざみで切り上げて選び、(3) 選んだ直径での応力と、降伏点で見た安全率を確かめなさい。

ヒント 1 / 2

まず σa=σy/S\sigma_a = \sigma_y / S で許容応力を出し、断面積 × 許容応力 = 荷重 から直径を出します。

ヒント 2 / 2

許容応力は 345/4=86.25345 / 4 = 86.25 MPa です。

答えと解き方を見る
(1) σa=3454=86.25 MPa(1)\ \sigma_a = \dfrac{345}{4} = 86.25\ \mathrm{MPa}
(2) d=4×30000π×86.25=21.04 mm → 25 mm(2)\ d = \sqrt{\dfrac{4 \times 30000}{\pi \times 86.25}} = 21.04\ \mathrm{mm} \ \to\ 25\ \mathrm{mm}
(3) σ=61.1 MPa,Sy=34561.1=5.65(3)\ \sigma = 61.1\ \mathrm{MPa},\quad S_y = \dfrac{345}{61.1} = 5.65
  1. 基準の強さ(降伏点)を安全率で割って、許容応力を決める

    σa=σyS=345 MPa4=86.25 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_a} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_y}}{\htmlClass{q-material}{S}} = \dfrac{345\ \mathrm{MPa}}{4} = 86.25\ \mathrm{MPa}
  2. 応力が許容応力になる直径を出す(断面積 × 許容応力 = 荷重)

    d=4 Wπ σa=4×30,000 Nπ×86.25 N/mm2=21.04 mm\htmlClass{q-geometry}{d} = \sqrt{\dfrac{4\,\htmlClass{q-force}{W}}{\pi\,\htmlClass{q-stress}{\sigma_a}}} = \sqrt{\dfrac{4 \times 30{,}000\ \mathrm{N}}{\pi \times 86.25\ \mathrm{N/mm^2}}} = 21.04\ \mathrm{mm}
  3. 5 mm きざみで切り上げて、使う直径を選ぶ

    ds≥d=21.04 mm →=25 mm\htmlClass{q-geometry}{d_s} \ge \htmlClass{q-geometry}{d} = 21.04\ \mathrm{mm}\ \to = 25\ \mathrm{mm}
  4. 選んだ直径で応力を確かめる(許容応力以下なら足りる)

    σ=4 Wπ ds2=4×30,000π×252=61.1 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-force}{W}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d_s}^2} = \dfrac{4 \times 30{,}000}{\pi \times 25^2} = 61.1\ \mathrm{MPa}
  5. 同じ応力で、基準の強さを変えて安全率を見る(降伏点と引張強さ)

    Sy=σyσ,SB=σBσ=34561.1,57061.1=5.65,9.33\htmlClass{q-material}{S_y} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_y}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}},\quad \htmlClass{q-material}{S_B} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_B}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}} = \dfrac{345}{61.1},\quad \dfrac{570}{61.1} = 5.65,\quad 9.33

選んだ 25 mm は、必要な 21.0 mm より太いので、安全率は 4 より大きい 5.65 になります。きざみで切り上げた分も、余白に入ります。

例題2 基準の強さを変えて確かめる

首の直径 20 mm のフックに、20 kN の荷をつります。鋼の降伏点は 235 MPa、引張強さは 400 MPa です。

このフックは「降伏点で見て安全率 3 以上」と「引張強さで見て安全率 5 以上」の両方を満たしますか。それぞれの安全率を出して答えなさい。

ヒント 1 / 2

まず首の応力 σ=W/A\sigma = W / A を出し、それぞれの強さを σ\sigma で割ります。

ヒント 2 / 2

断面積は π×202/4=314.2\pi \times 20^2 / 4 = 314.2 mm² です。

答えと解き方を見る
σ=4×20000π×202=63.7 MPa\sigma = \dfrac{4 \times 20000}{\pi \times 20^2} = 63.7\ \mathrm{MPa}
Sy=23563.7=3.69≥3,SB=40063.7=6.28≥5S_y = \dfrac{235}{63.7} = 3.69 \ge 3,\quad S_B = \dfrac{400}{63.7} = 6.28 \ge 5
両方を満たす\text{両方を満たす}

同じ応力でも、どの強さを基準にとるかで、安全率の数字は 3.69 と 6.28 のように変わります。安全率を言うときは、何を基準にしたかを必ず添えます。

許容応力で比べると、235 ÷ 3 = 78.3 MPa と 400 ÷ 5 = 80 MPa で、この鋼ではほぼ同じ厳しさです。

例題3 何 kg までつってよいか

首の直径 15 mm のフックがあります。鋼は SS400 で、直径が 16 mm 以下なので、降伏点は 245 MPa です。降伏点を基準に安全率 3 で使います。

(1) 許してよい荷重は何 kN ですか。何 kg の荷にあたりますか(重力加速度 9.81 m/s²)。(2) 首が降伏し始める荷重は何 kN ですか。

ヒント 1 / 2

許してよい荷重 = 許容応力 × 断面積 です。

ヒント 2 / 2

断面積は π×152/4=176.7\pi \times 15^2 / 4 = 176.7 mm²、許容応力は 245/3=81.67245 / 3 = 81.67 MPa です。

答えと解き方を見る
(1) Wa=2453×π×1524=81.67×176.7=14.4 kN(約 1,470 kg)(1)\ W_a = \dfrac{245}{3} \times \dfrac{\pi \times 15^2}{4} = 81.67 \times 176.7 = 14.4\ \mathrm{kN}\quad(\text{約 } 1{,}470\ \mathrm{kg})
(2) Wy=245×176.7=43.3 kN(2)\ W_y = 245 \times 176.7 = 43.3\ \mathrm{kN}

許してよい荷重 14.4 kN は、降伏し始める荷重 43.3 kN のちょうど 3分の1 です。安全率 3 は「降伏する荷重の 3分の1 までしか使わない」という意味です。