塑性 ヒンジ。 1級建築士 構造力学 全塑性モーメント問題③ 2層ラーメン構造|1級建築士 ワンワンの建築世界

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

塑性 ヒンジ

「どこかで聞いたことがある」という方もいれば、「保有水平耐力と意味がごちゃごちゃになって忘れた」なんて人もいますよね。 そこで今回は、必要保有水平耐力の意味や算定方法が一発でわかるポイントを説明します。 保有水平耐力の意味は、下記が参考になります。 必要保有水平耐力と保有水平耐力の関係 まず必要保有水平耐力の意味を明確にするために、保有水平耐力との関係を明らかにします。 さて、建物の耐震設計は大まかに分けて2つの計算方法が存在します。 1つめは強度型(計算ルート1、2)の設計で、建物の強度を高めることで地震に抵抗します。 2つめは靭性型(計算ルート3)の設計で、建物の変形性能により地震エネルギーを吸収します。 必要保有水平耐力と保有水平耐力は、後者の設計法に関係します。 また、強度型、靭性型の設計法は「計算ルート」といって、計算方法が明確に分類されています。 靭性型はルート3に該当します。 計算ルートの意味は、下記が参考になります。 さて、必要保有水平耐力と保有水平耐力の関係は下記の通りです。 下式を見てください。 ルート3を満足する条件 Qun<Qu Qunが必要保有水平耐力、Quが保有水平耐力です。 つまりQunは、「建物に求められる所定の(必要な)耐力」で、Quは「建物が保有している(持っている、存在している)耐力」と言えます。 必要保有水平耐力の算定方法と3つのポイント 次にQunの算定方法を勉強しましょう。 Qunの算定方法はそう難しくありません。 下式で算定できます。 Ds:各階の構造特性係数• Fes:各階の形状係数• Qud:各階に生ずる大地震時の地震力 それぞれの記号について詳細に説明します。 Dsとは何か? 最も理解しがたい要素がDsだと思います。 Dsとは構造特性係数と言います。 ルート3の設計法では建物の変形性能に着目し、いかに地震力を吸収するかに重きを置いています。 これは言い換えれば、「建物の壊れ方」が大変重要です。 下図をみてください。 左図は、最下層の柱がせん断破壊したケースです。 ある層が部分的に崩壊する壊れ方を層崩壊と言います。 またせん断破壊は、悪い壊れ方ですが、Qun以上のQuがあるのなら計算的にはOKです。 右図は各梁、柱脚と柱頭に塑性ヒンジが発生し、崩壊に至るケースです。 塑性ヒンジとは、剛な部材にピンが発生することで、簡単に言えば変形しやすくなります。 左図のケースと一気に「ガシャン」と壊れますが、右図は「ぐにゅ〜」と変形しすぐには崩壊しません。 つまり、圧倒的に多くの地震力を吸収する壊れ方です。 さて、Dsの話に戻します。 Dsとは、まさに上記の話を数値化したものです。 これを構造特性係数と難しい言葉をつけています。 具体的にDsは下記の値です。 鉄骨造の場合 Ds=0. 25〜0. 鉄筋コンクリート造の場合 Ds=0. 30〜0. 55 Ds値の大小は建物の壊れ方で変化します。 建物がすぐに壊れてしまう(せん断破壊、座屈)場合はDs値はより大きくなります。 RC造の場合は最大で0. 55です。 一方、建物が地震力を効率的に吸収する壊れ方(塑性ヒンジの発生による全体崩壊形)なら、Dsの値は小さくなります。 鉄骨造ならDs=0. 25です。 Dsが大きくなると、Qunも大きくなります。 つまり、より大きなQuが必要ということです。 靭性の無い壊れ方は、必要保有水平耐力が大きくなるのです。 下記も併せて参考にしてください。 Fesとは何か? Fesとは形状特性係数と言います。 建物には2つの形状特性があります。 1つは平面的な形状、2つめは立面的な(高さ方向)形状です。 平面的なバランスの良し悪しを偏心率Reで表します。 立面的なバランスは剛性率Rsです。 これらの指標から形状特性係数を算定するのです。 具体的には下記となります。 偏心率による形状係数 Fe=1/Re• 剛性率による形状係数 Fs=1/Rs• 今回知って頂きたいことは、Fesとは「建物の平面的・立面的バランスにより考慮する係数である」ということ。 つまりバランスが良い建物ならFes=1. 0、悪ければ1. 0以上になりQunが大きくなるのです。 形状係数の意味は、下記が参考になります。 Qudとは何か? Qudとは大地震時の地震力です。 地震力の算定は下記の記事で詳細に説明しています。 合わせて参考にしてください。 注意して頂きたいことは、大地震時の地震力は標準せん断力係数Co=1. 0であること。 建物重量と同等以上の重量になります。 まとめ 以上、必要保有水平耐力の算定方法や、保有水平耐力との関係を説明しました。 算定式自体は簡単ですが、各記号の意味をしっかり理解しましょう。 下記も併せて学習しましょうね。

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弾塑性とは?1分でわかる意味、読み方、材料、弾性と塑性の違い

塑性 ヒンジ

保有水平耐力計算再入門 節点振り分け法 しかるべく設計され、しかるべく施工された建物に大きな力が作用して壊れる場合、たいていはその「端部」から壊れていきます。 真ん中から壊れる、ということはまずありません。 これは、柱なり梁なりの力学的な性状として、その端部にもっとも大きな力が集中するような仕組みになっているからです。 で、その「壊れる」とは何なのかというと、梁が柱に、あるいは柱が梁にリジッドに結合されている状態から、その結合が「ゆるむ」あるいは「ほどける」状態のことをいいます。 結合がほどけた後どうなるかというと、そこに「ちょうつがい」ができたような状態になり、「回転能力」が生まれます。 ところで、いま「部材が壊れる」と言いましたが、この表現はいささか厳密さを欠いています。 工学的な表現によれば、ヒンジができるのは「降伏(弾性限界を超える)する」で、「本当に壊れる」のは「破壊する」です。 この「破壊」とは何かというと、ヒンジ、つまり「ちょうつがい」そのものが壊れて機能を果たさなくなった状態(部材の最終状態)のことです。 したがって、たんにヒンジができただけならば、その部材は「まだ壊れていない(破壊にまでいたっていない)」と言います。 なぜならば、ヒンジができたからといって、梁が落ちてくるわけでも、柱がつぶれてしまうわけでもなく、依然として、「鉛直方向の荷重を支える」という部材本来の機能を保持しつづけるからです。 そのような意味において、これは建物の「健全な壊れ方」である、とされます。 しかるべく設計され、しかるべく施工された建物ならばこのような壊れ方をするはずですが、もちろん、その一方には「不健全な壊れ方」というものも存在します。 が、話を先に進めるため、ここでは「しかるべく設計された建物が健全に壊れていく」話に限定することにしましょう。 いま申し上げたとおり、部材にヒンジができても、それがただちに部材の最終状態(破壊)につながるわけではありません。 しかしその一方、これを建物、つまり「部材の集合体」という観点から見るならば、そのあちこちに新しいヒンジ(関節)ができてくることによって全体の剛性が少しずつ失われていきます。 そしてついに、ある限度以上のヒンジができると、もはや建物としての力学的なメカニズムを保持することができなくなってしまう・・・この状態を建物の「崩壊」といいます。 さて、ここで大事なのは、「ヒンジが作られて建物が崩壊する」ではなく、「 ある一定限度以上のヒンジが作られない限り建物は崩壊しない」の方です。 先に、1981 年制定の「新耐震設計法」というものにふれましたが、それまで行われていた設計手法(現在の一次設計に相当するもの)は「中規模の地震(震度 5 程度)に対して建物に 1 個のヒンジも作らせないようにする」ものでした。 では、それを超えるような大規模の地震(震度 6 程度以上)に対してどのように対処したのかというと、じつは「何もしなかった」のです。 何もしなかった理由というのが、他でもない、上に述べた事実にあります。 つまり、 建物に最初のヒンジが発生してから、建物の崩壊にいたるに十分な数のヒンジが形成されるまでには多くのステップが必要である。 だから、中規模の地震に対して 1 個のヒンジもできないように建物を設計しておけば、大規模の地震がきても、それが多くのステップをクリアーし、十分な数のヒンジを形成して建物を崩壊にいたらしめることはほとんどない(その事実はこれまでの震災経験からも実証されている)。 という立場をとっていました。 いわば、建築構造物というシステムの「冗長性」に期待したわけです。 これに対し、経験知にたよることなく、建物が崩壊にいたるメカニズムを追跡して検証しようとしたのが「新耐震設計法」であり、「保有水平耐力計算」なのです。 となると、最初の問題は「いったい何個のヒンジが形成された時に建物は崩壊するか」ですが、これについて力学的な手続きで簡単に求めることができます。 いちばんの問題は「どこにどういうふうにヒンジが形成されるか」です。 そこで、以下のような巧妙な仮定を立てることにしました。 節点位置において、柱の最大耐力と梁の最大耐力を比較し、耐力の小さい方の側(柱の側あるいは梁の側)にヒンジが形成される。 上にある「節点(せってん)」とは「柱と梁が集合する場所」のことで、下図の例でいえば、この建物には計 9 個の節点が存在することになります。 ここには、最大で 2 個の柱と 2 個の梁が接続することになりますが、これらのすべての節点で、柱の耐力の和と梁の耐力の和とを比較し、どちらか弱い方の側にヒンジを作っていくと下図右側にあるような状態が出来上がります。 で、これだけの数のヒンジが形成されると、 建物は必ず崩壊するのです。 上図の節点 2 や 8 のように「柱 1 : 梁 2」の場合はたいてい柱の方が劣勢なので柱の側にヒンジが作られます。 逆に、節点 4 や 6 のように「柱 2 : 梁 1」の場合はたいてい梁の側にヒンジが作られます。 節点 5 のように「柱 2 : 梁 2」の場合は比較によりますので一概にはいえませんが、ふつうに設計された建物では柱の耐力の方が大きくなる(柱の方が「余力」がある)傾向があるので、たいてい梁の側にヒンジが作られます。 これを「梁降伏」といい、逆に柱の側にヒンジが作られる場合を「柱降伏」といいます。 (もちろん、どちらか 1 本の梁とどちらか 1 本の柱にヒンジが作られる、ということだって実際には十分ありえますが、ここでは「そういう状態は考えない」ことにしているのです。 ) 以上が「節点振り分け法」と呼ばれる計算手法のあらましですが、これの一番の利点は「電卓があれば計算できる」ことです。 「保有水平耐力計算」が手法として確立された 1980 年代の初めは、「構造計算は電卓を使ってするもの」とされていた時代ですから、当然ながら、保有水平耐力計算の細則はこの「節点振り分け法」を前提に作られました。 そして、その基本的な枠組は今でも変わっていないのです。 ところで、この方法によって得られるヒンジの形成状況というのは、いってみれば 結果に過ぎません。 その 結果をもたらす 原因となるのは、いうまでもなく「地震による力」です。 その大きさを特定しないことには「この建物がどの程度の地震力に耐えうるのか」が分りません。 そこで、次に、「 結果から 原因を特定する」という作業が必要になってくるわけです。 つまり、 5 という 結果をもたらす 原因は無数に存在するのです。 これを建物の話に戻すと、平屋の建物なら問題ないが、2 階建て以上の建物になると、 結果として得られた「建物の崩壊状態」をもたらす 原因、つまり「各階に作用している地震力」の値を一義的に定めることができなくなくなる、ということです。 では、どうしたらいいのか? 実際のところは、どうしようもありません。 そもそも「 結果からその 原因をもとめる」という手法自体に本質的な限界があるためで、せいぜいできるのは、「建物の地震力の分布としてあまり不自然にならないようなものにしておきましょう」くらいのことです。 そのあたりのテクニックが「節点振り分け法」という名称の「振り分け」の部分になるのですが、ここでは、その説明は省きます。 そういうわけで、「 原因(地震力の分布)から 結果(建物の崩壊状態)を得る」というオーソドックスな手法がコンピュータの高性能化・大衆化とともに保有水平耐力計算の主流になってくるのですが、その前に、「地震力の分布」というものについて復習しておきます。

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力学についての質問です。崩壊機構の問題なのですが、ヒンジが発生する...

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降伏点を超える外力が作用するとき生じる変形です。 力を取り除いて残った変形を、残留変形や永久変形ともいいます。 逆に、力を取り除くと元に戻る変形を弾性変形といいます。 今回は塑性変形の意味、読み方、塑性加工、降伏点、弾性変形との違いについて説明します。 弾性変形の意味は、下記が参考になります。 塑性変形とは? 塑性変形(そせいへんけい)とは、外力を取り除いても残る変形です。 下図をみてください。 これが塑性変形です。 逆に、外力を取り除くと元に戻るような変形を、弾性変形といいます。 建築物は、数十年に一度起きる地震に対しては「弾性変形」に留める設計を行います。 日本では日常的に地震が起きます。 地震が終わると、建物は普段通り使えますよね。 弾性変形に留めるよう設計されている証拠です。 一方、数百年に一度起きる規模の地震に対しては、「塑性変形」が起きることを許容します。 その代わり、建物の倒壊は防ぎます。 よって、大地震が起きると、その後の建物は使えません。 中地震、大地震の意味は、下記が参考になります。 大地震に対しても、弾性変形に留める設計ができれば一番良いです。 しかし、構造部材が大き過ぎるため、経済性や意匠計画の上で問題が多いです。 弾性変形の意味は、下記が参考になります。 塑性変形の読み方 塑性変形は「そせいへんけい」と読みます。 関係用語の読み方を、下記に示します。 力を取り除いても変形が残る。 残留変形、永久変形ともいう。 力を取り除くと変形も無くなる。 弾性変形の意味は、下記が参考になります。 塑性変形と降伏点の関係 物体に降伏点を超える外力が生じる時、塑性変形が生じます。 降伏点が、弾性変形と塑性変形を分ける境界点と考えてください。 弾性変形の意味は、下記が参考になります。 塑性変形と塑性加工の関係 角形鋼管などの鋼材は、「塑性加工(冷間加工)」を行います。 特に、角形鋼管の角部は溶接を避けるのが普通です。 塑性加工の意味は、下記が参考になります。 まとめ 今回は塑性変形について説明しました。 意味が理解頂けたと思います。 塑性変形は、外力を取り除いても残る変形です。 降伏点を超える外力が作用すると、塑性変形が生じます。 弾性変形との違い、構造設計の手法など併せて勉強しましょう。 下記が参考になります。

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