一級建築士【構造】鉄骨構造の知識まとめ｜高力ボルト・溶接・幅厚比・柱脚のポイント

構造文章題シリーズ第3弾は鉄骨（S）構造です。

S造の出題は大きく「接合（高力ボルト・溶接）」「座屈（幅厚比・細長比・横座屈）」「鋼材の性質」の3つ。それぞれ整理していきます。

鋼材の性質——「強度が変わってもヤング係数は同じ」

まず材料から。最重要知識はこれです。

鋼材のヤング係数は約2.05×10⁵ N/mm²で、強度（種類）にかかわらずほぼ一定。

つまり、高強度の鋼材を使っても変形のしにくさ（剛性）は変わりません。「SN490はSN400よりヤング係数が大きい」という選択肢は誤りです。

用語	内容
降伏比	降伏点÷引張強さ。小さいほど降伏後の余力が大きく、塑性変形能力（粘り）に優れる
SN材	建築構造用圧延鋼材。耐震性に配慮した規格（B種・C種は降伏比の上限などを規定）
数値の意味	SN400の「400」は引張強さ（N/mm²）の下限値

鋼材は温度が上がると強度が低下する（約350℃で常温の約2/3程度に低下）。耐火被覆が必要な理由
炭素量が増えると強度は上がるが、伸び（粘り）・溶接性は低下する

鋼材の種類——SS・SM・SNの違い

建築構造用の鋼材記号も問われます。

記号	名称	用途
SS材	一般構造用圧延鋼材	一般用途。溶接性の保証は限定的
SM材	溶接構造用圧延鋼材	溶接性を確保
SN材	建築構造用圧延鋼材	耐震性に配慮。建築の主要構造部に推奨

SN材はさらに3種に分かれます。

A種：一般部材用（塑性変形をあまり期待しない部位）
B種：主要な構造部材用。降伏比の上限・シャルピー衝撃値などを規定（粘りを保証）
C種：B種に加え、**板厚方向の性能（ラメラテア対策）**を保証。柱梁接合部のダイアフラム等

「地震で粘らせたい主要部材はSN-B種」が基本。降伏比に上限があるのは、降伏後にすぐ破断せず変形できる（靭性のある）鋼にするためです。

鋼の弱点——脆性破壊・疲労・ラメラテア

現象	内容・対策
脆性破壊	低温・切欠き・衝撃で、粘らずに突然割れる。ノッチ（切欠き）を避ける
疲労	繰り返し応力で、降伏点以下でも割れが進む。溶接欠陥が起点になりやすい
ラメラテア	板厚方向の引張で層状に裂ける。SN-C種で対策

高力ボルト摩擦接合——「摩擦」で力を伝える

S造の現場接合の主役です。原理の理解がそのまま得点になります。

【高力ボルト摩擦接合の原理】

ボルトを強く締め付ける
　↓
板と板が強い力で圧着される
　↓
板どうしの「摩擦力」でせん断力を伝える
（ボルトの軸が直接せん断力を受けるのではない！）

項目	規定・知識
すべり係数	摩擦面は0.45以上を確保（赤錆面・ブラスト処理など）
摩擦面の処理	塗装してはならない（摩擦力が落ちる）。赤錆はOKどころか推奨
ボルト相互間の中心距離	径の2.5倍以上（令第68条）
ボルト孔の径	高力ボルトではボルト径＋2mm以下（径27mm以上では＋3mm以下とできる）
引張力との併用	ボルト軸方向に引張力が作用すると圧着力が減り、摩擦力（すべり耐力）は低下する

普通ボルトには使用制限がある（令第67条）

普通ボルト接合（支圧接合）は、ナットの緩みのおそれがあるため、使える建物が制限されています。

延べ面積3,000㎡以下、かつ軒高9m以下・張り間13m以下の建築物に限る（緩み止め措置をした場合）

「大規模建築物に普通ボルトは使えない」と覚えましょう。

溶接——種類と弱点を押さえる

種類	特徴	強度の考え方
完全溶込み溶接（突合せ）	部材断面の全部を溶接で一体化	母材と同等の耐力を期待できる
隅肉溶接	部材の隅に三角形の溶接	有効のど厚＝サイズ×0.7 で計算
部分溶込み溶接	一部だけ溶け込ませる	繰り返し応力や曲げを受ける箇所には使えない

試験で狙われる知識

隅肉溶接のサイズは、薄い方の母材の厚さ以下とする
溶接と高力ボルトを併用する場合、先に溶接すると高力ボルトに力を負担させられない（溶接で固まった後ではボルトの圧着が効かない）→ 高力ボルトを先に締めれば両方の耐力を加算できる
溶接の主な欠陥：ブローホール（気泡）、アンダーカット（母材のえぐれ）、溶込み不良
エンドタブ：溶接の始端・終端は欠陥が出やすいため、仮設の板（タブ）の上で始めて終わらせる

接合部の設計思想——「保有耐力接合」

S造で最も重要な設計の考え方がこれです。

継手・仕口（接合部）は、接合される部材が降伏するより先に壊れないように設計する。これを保有耐力接合という。

理由はRCの「曲げ破壊先行」と同じ。地震エネルギーは部材が降伏して粘ることで吸収します。もし接合部が先に壊れると、部材が粘る前に崩壊してしまう。だから接合部を部材より強くしておくのです。

「部材を主役に粘らせ、接合部は脇役として先に壊れさせない」——S造設計の根幹です。

座屈との戦い——S造設計の本質

鋼材は強いぶん部材を細く薄くできます。その結果、S造の設計は座屈との戦いになります。座屈には「板が部分的に折れる局部座屈」「部材全体が曲がる全体座屈」「梁が横にはらむ横座屈」の3種類があります。

① 幅厚比——局部座屈を防ぐ

幅厚比＝板要素の幅÷板厚。

幅厚比が大きい（薄くて幅広い）ほど、局部座屈しやすい。

地震エネルギーを塑性変形で吸収するには、局部座屈する前に十分変形できる必要があります。だから靭性を期待する部材ほど幅厚比を小さく制限します。

② 細長比——全体座屈を防ぐ（令第65条）

部材	有効細長比の上限
柱	200以下
柱以外（梁・筋かいなど）	250以下

細長比が大きい（細長い）ほど座屈しやすく、許容圧縮応力度は小さくなります。

③ 横座屈——梁の弱軸方向の座屈

曲げを受ける梁は、圧縮側フランジが**横にはらみ出す「横座屈」**を起こすことがあります。

対策は横補剛材を設けること。「均等間隔で配置する」または「端部（応力の大きい部分）に近いほど密に配置する」方法があります。H形鋼では弱軸まわりの細長比で横座屈のしやすさが決まります。

柱脚——3つの形式

鉄骨柱と基礎の接合部（柱脚）は3形式。固定度の違いが出題の核心です。

形式	構造	固定度
露出柱脚	ベースプレート＋アンカーボルト	小さい（回転しやすい）
根巻き柱脚	柱脚部をRCで巻く	中間
埋込み柱脚	柱を基礎に埋め込む	大きい（固定に近い）

押さえどころ：

露出柱脚は施工が容易だが、回転剛性が低いため設計でその影響を考慮する
根巻き柱脚は、根巻き部分の高さを柱せいの2.5倍以上とする
埋込み柱脚は、埋込み深さを柱せいの2倍以上とする

○×で総チェック

Q1. SN490材のヤング係数は、SN400材より大きい。

→ ×。ヤング係数は鋼材の強度によらずほぼ一定（約2.05×10⁵ N/mm²）。

Q2. 高力ボルト摩擦接合は、ボルト軸部のせん断力で応力を伝達する。

→ ×。締付けによる板間の摩擦力で伝達する。

Q3. 高力ボルト摩擦接合の摩擦面には、すべり係数を高めるため塗装を行う。

→ ×。塗装は摩擦力を低下させるため不可。赤錆状態やブラスト処理で0.45以上を確保する。

Q4. 隅肉溶接の有効のど厚は、サイズの0.7倍として計算する。

→ ○。

Q5. 溶接と高力ボルトを併用する場合、先に溶接を行えば両方の許容耐力を加算できる。

→ ×。逆。高力ボルトを先に締め付けた場合は加算できるが、溶接が先では加算できない。

Q6. 鋼材の幅厚比が大きいほど、局部座屈は生じにくい。

→ ×。幅厚比が大きい（薄い）ほど局部座屈しやすい。

Q7. 柱の有効細長比は250以下とする。

→ ×。柱は200以下。250以下は柱以外の部材。

Q8. 露出柱脚は、埋込み柱脚に比べて回転剛性が高い。

→ ×。固定度は露出＜根巻き＜埋込み。

Q9. 地震時に粘らせたい主要な構造部材には、SN材のB種が適している。

→ ○。降伏比の上限等で靭性を保証。板厚方向の性能まで要るならC種。

Q10. 保有耐力接合では、接合される部材より先に接合部が降伏するように設計する。

→ ×。逆。部材が降伏する前に接合部が壊れないようにする（接合部を強く）。

Q11. 降伏比が大きい鋼材ほど、塑性変形能力（粘り）に優れる。

→ ×。降伏比は小さいほど降伏後の余力が大きく、粘りに優れる。

Q12. ラメラテアは、鋼材の板厚方向の引張力によって層状に裂ける現象である。

→ ○。SN-C種で対策する。

まとめ

ヤング係数は強度によらず一定——S造最頻出のひっかけ
鋼材はSS・SM・SN、主要部材はSN-B種（粘りを保証）。弱点は脆性破壊・疲労・ラメラテア
高力ボルトは摩擦で伝達：すべり係数0.45・塗装NG・孔径**＋2mm**・中心距離2.5d
普通ボルトは3,000㎡・軒高9m・張り間13mの制限
隅肉溶接：のど厚＝0.7×サイズ、併用はボルト先行なら加算可
設計思想は保有耐力接合（接合部を部材より先に壊さない）
座屈3兄弟：幅厚比（局部）・細長比（全体：柱200）・横座屈（横補剛で対処）
柱脚の固定度：露出＜根巻き（2.5倍）＜埋込み（2倍）

S造は「強い材料を細く薄く使う」構造。だからこそ、あらゆる規定が座屈と接合部に集中しています。この視点で整理すると、バラバラの数値が一本につながります。

構造の関連記事：

📚 構造の全範囲を体系的に学ぶなら → 一級建築士【構造】完全ガイド