塑性ヒンジってなに？１分でわかる塑性ヒンジの意味と、建物の靱性

この記事の要点

塑性ヒンジとは、全断面が降伏して回転剛性を失った部分であり、梁の曲げ破壊の起点となる。

曲げ破壊は靭性のある破壊形式で、せん断破壊と対比して理解することが構造設計の基本。

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塑性ヒンジをご存じでしょうか。塑性ヒンジは、構造設計で必ず耳にする言葉です。

大学の授業でも聞いたことがあると思います。塑性ヒンジという言葉を聞いただけでは、意味が良く分かりませんね。

そこで今回は、塑性ヒンジについて説明します。

塑性の意味は、下記が参考になります。

弾性と塑性の性質について

塑性ヒンジってなに？

塑性ヒンジとは、曲げモーメントが全塑性モーメントを超え、部材断面全てが降伏し、ヒンジのように回転剛性を失った部分のことです。

簡単に言うと、回転する力に抵抗できなくなった部分のことです。

下図をみてください。これは、部材断面の塑性化の様子を示しています。

塑性断面係数

梁に作用する曲げ応力度が許容曲げ応力度を超えた時、塑性化（降伏）します。但し、降伏する部分は梁断面の一部分です。

さらに曲げモーメントが増えると、梁断面の降伏部分が増えていき、最終的には全断面が降伏します。

こうして塑性ヒンジが形成されます。

針金をぐにゃぐにゃと曲げたり戻したりすると、いつの間にか抵抗感が無くなりますよね？

つまり塑性ヒンジが形成された（回転に抵抗できなくなった）ことを意味します。

分からない人のために、用語を詳しく説明します。「ヒンジ」と「全塑性モーメント」です。※全塑性モーメントは下記が参考になります。

塑性断面係数と全塑性モーメント

ヒンジは、「ピン（ピン接合）」と同じような意味です。つまり、回転に対して固定されないので曲げモーメントが零になります。

ところで、ヒンジとは建築の専門用語ではありません。蝶番（ちょうつがい）のことです。

ドアはドアノブをガチャっと回して開けると思います。このときドアは、片側を起点にして回転する仕組みで造られています。

この回転する仕組みがヒンジです。

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塑性ヒンジと曲げ破壊について

前述したように塑性ヒンジは、作用する曲げモーメントが全塑性モーメントを上回ったときに形成されます。

下図をみてください。この梁には中央部と端部に曲げモーメント作用しています。梁断面は一様とします。

このとき集中荷重を増やしていくと、まずは端部に塑性ヒンジが形成されます。

すると、端部は曲げモーメントが伝達できず、両端ピンのような応力状態となります。

さらに荷重を増やすと中央部に塑性ヒンジが発生します。

２点に塑性ヒンジが発生すると、この部材はこれ以上力を伝達できないと考えます。

これが梁部材の崩壊モードの１つです。曲げ破壊と言います。

塑性ヒンジと建物の靱性

前述した塑性ヒンジは、主に梁の両端に発生します（梁の両端に発生するよう、梁と柱の部材を調整する）。

両端にヒンジができた梁は、これ以上曲げモーメントが伝達できません（両端ピンなので）。

塑性ヒンジは回転剛性が無いだけで、鉛直、水平に力を伝達することは可能です。

つまり、直ちに危険な破壊モードでは無いのです。そのため一般的に、曲げ破壊は靱性のある破壊形式です。

一方せん断破壊は、直ちに建物の崩壊に繋がるので危険な破壊モードです。

構造設計では、梁に塑性ヒンジが形成されるよう梁や柱のバランスを考えます。これが靭性のある設計に繋がるのです。

※靭性、せん断破壊の詳細は下記が参考になります。

靱性（じんせい）とは？意味・靭性のある材料と建物の耐震性・脆性との違い

せん断破壊とは？1分でわかる意味、特徴、計算、危険性

混同しやすい用語

塑性ヒンジ

曲げモーメントが全塑性モーメントを超え、部材断面全てが降伏してヒンジのように回転剛性を失った部分。

脆性破壊（せん断破壊・座屈）が突然耐力を失うのに対して、塑性ヒンジは鉛直・水平力を伝達でき直ちに崩壊しない靭性的な状態。

せん断破壊

部材のせん断耐力を超える力が作用したとき、斜めひび割れを生じて突然耐力が失われる脆性的な破壊。

塑性ヒンジによる曲げ破壊が靭性的であるのに対して、せん断破壊は直ちに倒壊につながる危険な脆性破壊。

試験での問われ方｜管理人の一言

建築士試験では「塑性ヒンジが形成される箇所」や「曲げ破壊と靭性の関係」が繰り返し出題される。

「梁端に塑性ヒンジを生じさせることが靭性設計につながる」という因果関係をセットで覚えると確実。

弾性域と塑性域の比較
項目	弾性域	塑性域（塑性ヒンジ発生後）
応力?ひずみ関係	線形（フックの法則）	非線形（完全弾塑性モデル）
モーメントの最大値	降伏モーメント My	全塑性モーメント Mp（≒1.5My）
変形の特徴	除荷すれば元に戻る	塑性回転が蓄積・残留変形