- 塑性変形ってなに？
- 弾性変形とどう違う？
- 降伏点を超えるとどうなる？
- 塑性ヒンジって何？
- 靭性とどう関係する？
- 設計でどう扱うの？
上記の様な悩みを解決します。
塑性変形は、構造設計のなかでも「弾性域」を超えた挙動を扱う領域で、保有水平耐力計算・耐震設計の根幹に関わる概念です。施工管理でも、地震後の鉄骨の残留変形・コンクリートのクラック・補修の判断で関係するので、用語と挙動の基本を押さえておきましょう。
なるべく分かりやすい表現で記事をまとめていくので、初心者の方にも理解しやすい内容になっているかなと思います。
それではいってみましょう！
塑性変形とは？
塑性変形とは、結論「材料に応力をかけて、力を取り除いた後にも変形が残る、戻らない変形」のことです。
英語では「plastic deformation」と書きます。「plastic」は本来「可塑性のある」という意味で、プラスチック（合成樹脂）の語源にもなっています。
身近な例で言うと、スプーンを軽く曲げて手を離すと元に戻りますよね。これが弾性変形。さらに強く曲げて手を離しても戻らずに曲がったままになると、それが塑性変形です。
材料に応力を加えていったとき、ある時点（降伏点）を境に「応力を取り除いても戻らない領域」に入ります。降伏点までが弾性域、それを超えると塑性域、というのが基本の整理です。
施工管理の現場でも、地震後の鉄骨柱に残留変形が見つかった場合、それは「塑性域に入った後、力が抜けても戻らなかった証拠」です。リフトの台座や型枠サポートが曲がったまま戻らないのも同じロジック。塑性変形が見えるということは、設計想定を超える力が掛かったというサインなので、診断と補修の判断が必要になります。
応力ひずみの基礎は別記事で扱っているので、合わせて読むと曲線上での「弾性→塑性」の移行が立体的に理解できます。
弾性変形と塑性変形の違い
両者の違いを整理しておきます。
| 項目 | 弾性変形 | 塑性変形 |
|---|---|---|
| 力を取り除いたら | 元の形に戻る | 元の形に戻らない（残留変形） |
| 応力ひずみ関係 | 比例（フックの法則が成立） | 非線形 |
| エネルギー吸収 | 解放する（戻る） | 吸収する（戻らない） |
| 発生条件 | 応力≦降伏点 | 応力＞降伏点 |
| 設計上の扱い | 一次設計（許容応力度計算） | 二次設計（保有水平耐力など） |
「エネルギーを吸収できるか」が、地震に対する建物の挙動を決める根本ロジックです。弾性的に動くだけだと、地震エネルギーをすべて建物の運動として返すので大きく揺れます。一方、塑性変形が起きる領域では、変形そのものでエネルギーを吸収するので、揺れが減衰します。
これが「靭性のある（粘り強い）建物」が地震に強い、と言われる理由です。
弾性域・降伏点・塑性域の関係
応力ひずみ曲線の上で見ると、塑性変形がどこから始まるかが分かります。
| 領域 | 内容 |
|---|---|
| 比例限度 | 応力とひずみが直線関係（弾性かつフックの法則成立） |
| 弾性限度 | 力を抜けば戻る限界点 |
| 上降伏点 | 応力が一旦下がり始める点（鋼材で顕著） |
| 下降伏点 | 降伏が安定して進む点 |
| 降伏棚 | 応力ほぼ一定でひずみが進む領域 |
| ひずみ硬化域 | 再び応力が上がる領域 |
| 引張強さ | 最大応力（公称） |
| 破断 | 部材が分離 |
「降伏点」を超えた瞬間から塑性域に入る、というのが基本理解。下降伏点〜引張強さまでの間で、材料は塑性変形しながらどんどん延びていきます。
材料によって挙動が違います。
- 鋼材（特に低炭素鋼）：明確な降伏棚があり、塑性変形の余裕が大きい
- アルミ・ステンレス：降伏棚がはっきりせず、0.2%耐力で代用
- コンクリート：圧縮で塑性変形が小さく、引張で脆性破壊
- 鉄筋（SD345等）：降伏棚あり、塑性変形に余裕
降伏点については別記事で詳しく扱っています。
塑性ヒンジと崩壊メカニズム
塑性変形の概念を「部材レベル」から「建物全体レベル」に拡張すると、「塑性ヒンジ」と「崩壊メカニズム」の話になります。
塑性ヒンジ（plastic hinge）
梁や柱の特定の断面で、曲げモーメントが「全塑性モーメント Mp」に達すると、その断面はそれ以上モーメントを増やせなくなります。代わりに、その断面が「自由に回転できる」ようになる。これを塑性ヒンジと呼びます。
物理的には「断面の上下が全部降伏して、もうこれ以上モーメントを支えられない状態」です。鉄骨梁なら端部や中央部、柱なら脚部や頭部に発生することが多いです。
崩壊メカニズム
建物全体に複数の塑性ヒンジが発生して、最終的に「もう変形を止められない状態」になることを崩壊メカニズム（collapse mechanism）と呼びます。
| 崩壊形式 | 内容 | 望ましさ |
|---|---|---|
| 全体崩壊型 | 各層に均等にヒンジが分散する | 望ましい |
| 層崩壊型（ピロティ崩壊） | 1階のみ塑性化が集中する | NG（耐震上問題） |
| 梁降伏型 | 梁端部にヒンジが集中、柱は弾性 | 望ましい（柱保護） |
| 柱降伏型 | 柱にヒンジが集中 | NG（柱保護できず崩壊） |
「梁降伏型」を狙う設計を「強柱弱梁」と呼びます。柱を相対的に強く設計して、塑性ヒンジを梁端に集中させ、建物全体の倒壊を避けるロジックです。
ピロティ構造で剛性率が大きくバラついている場合は、層崩壊が起きやすいので構造計算で要注意です。
塑性変形と靭性・保有水平耐力
塑性変形は、耐震設計における「靭性」「保有水平耐力」の要です。
靭性（じんせい、ductility）
材料・部材・建物が、塑性変形しながらエネルギーを吸収できる能力。粘り強さ、と訳されることもあります。
- 鋼材：靭性が高い（塑性変形で大きく延びる）
- コンクリート：圧縮で靭性低い、せん断で脆い
- 鉄筋コンクリート：鉄筋が降伏することで靭性確保
保有水平耐力
建物が崩壊メカニズムに達するときの水平荷重。Qu と表記されます。建築基準法では、
Qu ≧ Qun（必要保有水平耐力）
を満たすことが求められます。
Qun = Ds × Fes × Qud
- Ds：構造特性係数（靭性の指標。0.25〜0.55）
- Fes：形状係数（剛性率・偏心率の影響）
- Qud：地震時の必要水平耐力
Ds は「靭性が高い構造ほど小さい値」になります。靭性が高ければ塑性変形でエネルギーを吸収できるので、設計用の地震力を減らしてよい、というロジックです。
| 構造種別 | Ds（参考値） |
|---|---|
| 純ラーメン構造（高靭性） | 0.25〜0.30 |
| ブレース構造 | 0.30〜0.40 |
| 耐震壁付ラーメン | 0.30〜0.45 |
| 純耐震壁構造 | 0.45〜0.55 |
ブレース構造は塑性変形しにくい（脆性破壊しやすい）ので、Dsが大きくなる方向に効きます。
剛性率や偏心率も保有水平耐力に直接影響します。詳しくは別記事を参照してください。
塑性変形を扱うときの注意点
設計・施工で陥りやすいポイントを整理します。
「塑性変形＝壊れた」ではない
– 塑性変形は「設計で想定した粘り」が出ている状態
– 残留変形があっても、必ずしも建物は崩壊していない
– ただし二次設計範囲を超えていれば補修が必要
残留変形の許容値
– 大地震後、層間変形角の残留が1/100を超えたら補修検討の目安
– 鉄骨柱・梁端部のローカルバックリング（局部座屈）の有無を確認
– コンクリートはクラック幅・剥離・鉄筋露出の有無で判断
繰り返し荷重で疲労
– 塑性変形を繰り返すと、ひずみエネルギーが累積して疲労破壊する
– 風荷重や地震の余震で「弾性域内に見えても、過去に塑性変形を経た部材」は要警戒
鋼材の塑性変形と熱影響
– 火災を経た鋼材は、降伏点・塑性挙動が変わる
– 高温（500℃以上）を受けた鉄骨は、設計値での評価ができない
– 火災後の建物診断ではミルシートの再確認も検討
コンクリートの塑性変形は限定的
– コンクリート単体の塑性変形は小さい
– 鉄筋が入っているからこそ塑性域でも構造として持ちこたえる
– 鉄筋の定着・継手が確実でないと塑性ヒンジが期待通り機能しない
設計と施工の連動
– 塑性ヒンジを意図した位置に発生させるには、施工精度が前提
– 鉄筋の定着長・配筋・ピッチが図面通りでないと、別の場所が先に降伏してしまう
– 配筋検査・現場検査の重要性が高まる
配筋検査やコンクリートの基礎は別記事で扱っています。
塑性変形に関する情報まとめ
- 塑性変形とは：応力を取り除いても戻らない、残留する変形
- 弾性との違い：戻らない／非線形／エネルギーを吸収する
- 降伏点を超えると塑性域に入る（応力ひずみ曲線上）
- 塑性ヒンジ：断面が全塑性モーメントに達して回転自由になる状態
- 崩壊メカニズム：複数の塑性ヒンジで建物全体が崩壊する流れ
- 強柱弱梁：梁端に塑性ヒンジを集中させ、柱を保護する設計
- 靭性：塑性変形でエネルギーを吸収する能力。Dsで定量評価
- 保有水平耐力 Qu ≧ 必要保有水平耐力 Qun
- 注意点：残留変形の許容、繰り返し疲労、火災後の鋼材、施工精度との連動
以上が塑性変形に関する情報のまとめです。
塑性変形は「壊れる前のクッション」のような役割で、設計者が建物に与えた粘り強さの源泉です。試験対策では「弾性は戻る、塑性は戻らない」「降伏点が境目」「塑性ヒンジが集まると崩壊」を押さえるのが核心。実務では地震後の残留変形や鉄筋の定着状態を見て「設計が想定した塑性化が起きているか」を判断する目を養うと、補修の判断が的確になります。応力ひずみ・降伏点・耐震構造の関連知識は以下も合わせてどうぞ。