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荷重変位曲線とは?1分でわかる意味、傾き、伸び、応力ひずみ曲線との関係

荷重変位曲線は横軸を変位、縦軸に荷重をとったグラフです。荷重変位曲線から力学性状や、傾きからばね定数が分かります。今回は荷重変位曲線の意味、傾き、伸び、応力ひずみ曲線の関係について説明します。


※応力ひずみ曲線は下記の記事が参考になります。

応力ひずみ線図とは?1分でわかる意味、ヤング率と傾き、考察、書き方

フックの法則とは何か?

荷重変位曲線とは?

荷重変位曲線とは、横軸に変位、縦軸に荷重をとったグラフです。下図をみてください。これが荷重変位曲線です。

荷重変位曲線

荷重と変位には下式の関係があります。これをフックの法則といいます。


p=kx


pは荷重、kはバネ定数、xは変位です。※フックの法則は下記の記事が参考になります。

フックの法則とは何か?


上式より、荷重変位曲線が比例関係にあるとき、その傾きは「ばね定数」を意味します。傾きが急こう配になると、その構図物は「剛性が高い」と判断できます。※剛性の意味は、下記の記事が参考になります。

剛性とは?本当に分かる剛性の計算、単位、強度との違い、バネ定数


下図をみてください。荷重が直線的に増加し、ある点で急激に落ちました。この構造物は変形が小さく、荷重(耐力)も大きいです。固く耐力の大きな耐震壁やブレース構造だと判断できます。

荷重変位曲線と剛性

※耐震壁は下記が参考になります。

耐震壁ってなに?すぐに分かる耐震壁の意味と役割、耐力壁との違い


一方、下図のように、ある点から荷重は増加しませんが維持し続ける構図物もあります。これは、ラーメン構造で粘り強い(靭性のある)構造物でしょう。

荷重変位曲線とラーメン構造

※靭性の意味は下記が参考になります。

靭性とは?靭性のある材料とは?建物の耐震性との関係


このように、荷重変位曲線をみれば構造物の大まかな力学性状を判断できます。

荷重変位曲線と傾き、伸びの関係

荷重変位曲線の傾きはバネ定数を意味します。要するに、構造物や材料の「固さ(かたさ)」です。


鋼は伸びやすい材料です。「伸びやすい」と聞くと不安に思うでしょう。しかし、地震エネルギーを吸収しやすいとも言えます。下図をみてください。耐力は高いが、すぐに壊れる建物。耐力は小さいが粘り強い建物。どちらも一長一短あるのです。

荷重変位曲線と傾き

荷重変位曲線と応力ひずみ曲線の違い、関係

荷重変位曲線は、主に構造物などの力学性状を把握するために役立ちます。一方、応力ひずみ曲線は、ある材料の性状を確認するとき役立ちます。※応力ひずみ関係、フックの法則の意味は、下記の記事が参考になります。

フックの法則とは何か?

応力ひずみ線図とは?1分でわかる意味、ヤング率と傾き、考察、書き方

まとめ

今回は荷重変位曲線について説明しました。意味が理解頂けたと思います。荷重変位曲線は、縦軸に荷重、横軸に変位をとったグラフです。構造物の力学性状を把握するとき役立ちます。荷重変位曲線の傾きが何を表すのか理解しましょう。下記の記事も併せて参考にしてくださいね。

フックの法則とは何か?

応力ひずみ線図とは?1分でわかる意味、ヤング率と傾き、考察、書き方


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