剛性とヤング率の違い｜曲げ剛性EI・せん断剛性の意味と設計への影響

この記事の要点

ヤング率Eは材料自体の変形しにくさ（材料定数）で、鉄鋼では205,000N/mm²と固定です。一方剛性は「部材のかたさ」で、曲げ剛性はEI（ヤング率×断面二次モーメント）で表されます。

ヤング率が高い材料を使えば剛性が上がり、たわみが小さくなります。また剛性が高いと固有周期（T）が短くなり、地震応答が変わります。断面形状（I）を変えれば同じ材料でも剛性を調整できます。

部材のかたさ（剛性）には２つの要因があります。

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剛性は部材のかたさ、ヤング率は部材に用いる材料自体のかたさです。

部材のかたさ（剛性）には２つの要因があります。

１つは部材の「断面形状によるかたさ」、２つめが部材に用いる「材料自体のかたさ」です。

断面形状によるかたさは「断面二次モーメント」により決定し、材料によるかたさは「ヤング率」により決定します。

剛性とヤング率の違い

なお、ヤング率は材料固有の値であり、材料の種類ごとに変わります。

鋼、鉄筋コンクリート、木材のように材料が変わればヤング率の値も変わります。

断面二次モーメントは、断面形状により値が変わります。

断面形状を工夫することで「より軽く、よりかたい」断面とすることが可能で、断面効率（軽くてかたい）は高くなります。

よって、部材の剛性とは「部材の断面二次モーメントの大きさと、ヤング率の大きさ」を意味しています。

断面二次モーメントの記号をI、ヤング率の記号をEとするとき、IとEの積を「曲げ剛性」といい「EI」で表します。

EIの値が大きいほど、部材は曲げる力（曲げモーメント）に対して「かたい」ことが分かります。

前述した通り、部材の剛性は断面形状と材料の種類で決定するので、断面形状が同じでもヤング率が大きければ「剛性も大きく」なります。

ヤング率が高いとどうなる

混同しやすい用語

剛性（ごうせい）

部材・構造全体の変形しにくさです。

剛性K＝EA/L（軸）やEI/L（曲げ）のように、ヤング率・断面・長さで決まります。

ヤング率（E）

材料固有の弾性係数です。

材料の変形しにくさを表し、同じ材料であれば断面形状に関係なく一定の値をとります。

ばね定数（k）

部材の剛性を1点の荷重-変形関係で表した値です。

k＝EA/Lなどで計算し、ヤング率・断面・長さが変わると変化します。

剛性とヤング率の違いを整理した表を示します。