学科Ⅳ（構造）
一級建築士 令和3年度 学科Ⅳ（構造） 問17
問題・正答・学習用解説
問題
鉄骨構造の設計に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。選択肢
正答と解説
正答：（1）
正答の考え方
四周にアンカーボルトを配置した露出型柱脚を、曲げモーメントが生じないとして設計する記述が不適切です。露出型柱脚は、鉄骨柱の下にベースプレートを溶接し、アンカーボルトで基礎へ取り付ける形式です。柱が回転しようとすると、一方でプレートが基礎を押し、反対側でボルトが引っ張られます。
この圧縮と引張りが離れた位置で働くことにより、柱脚は曲げモーメントへ抵抗します。四周にボルトがあるという条件は、この力の分担が生じる納まりであり、曲げを伝えない理想的なピンとは同じではありません。柱脚の回転剛性は有限で、完全固定とも限りませんが、だからといって曲げが0になるわけでもありません。
設計では、実際の柱脚の回転特性と骨組の解析上の扱いを対応させ、軸力、せん断力、曲げモーメントの組合せに対して、ボルト、ベースプレート、溶接、基礎コンクリートなどを確認します。特に引張りとなるボルトと圧縮される基礎側の抵抗を省くと、地震時の力を安全に受け渡せません。「露出型」という名称だけで、曲げ0の支点として扱わないことが要点です。
各選択肢の解説
選択肢1
（1）ベースプレート四周のアンカーボルトは、柱脚の回転に応じて引張力を受け、反対側のコンクリートへの圧縮力と組になって曲げへ抵抗します。従って軸力とせん断力だけを調べ、曲げを0とすることはできません。剛性が小さい柱脚であっても、所定の曲げ抵抗や変形が生じるため、その特性を反映して設計します。完全固定と理想ピンの中間の働きをする場合があることを理解し、ボルトの配置とプレートの支圧範囲から力の経路を考えます。
選択肢2
（2）H形鋼梁の圧縮側フランジは、圧縮される細長い板のように横へ逃げようとし、梁全体のねじれを伴う横座屈につながります。その横変位を拘束できる横補剛材を設けるのは適切です。単に梁へ接触する部材を置くだけではなく、必要な力を伝える接合と、変位を止める剛性を確保します。地震で曲げの向きが反転する場合には圧縮側も変わり得るため、想定する荷重状態に応じて有効な補剛となることを確認します。
選択肢3
（3）曲げ剛性に余裕があるという条件なら、強度の高いSN490Bを用いて必要な断面係数を小さくし、梁せいを減らす計画が可能です。ただしSN490Bにしてもヤング係数はほぼ同じなので、梁せいを小さくすれば曲げ剛性も低下する方向です。たわみや振動が支配的なら、高強度化だけでは梁せいを減らせません。本問は剛性の余裕を明記しており、強度を高める効果を利用できる条件となっています。幅厚比等の確認も必要です。
選択肢4
（4）角形鋼管は閉じた断面なのでねじり抵抗が大きく、一般的なH形鋼梁のような横座屈を生じにくい性質があります。記述の小梁について横座屈を考えず曲げの断面検定をする扱いは適切です。ただし全ての座屈や変形がなくなるわけではありません。鋼管壁の局部座屈、曲げ・せん断の耐力、たわみ、支点や接合部での局部変形などは確認します。閉断面の有利な性質を、構造上の全ての検討が不要になることへ広げないようにします。
周辺知識
H形鋼は上下のフランジを離して配置するため、少ない材料で強軸回りの曲げに抵抗できます。一方、開いた断面なのでねじりや横方向の変形には弱い面があります。角形鋼管は閉じた形によってねじりへ抵抗しやすく、同じ「鉄骨梁」でも検討すべき座屈の性質が異なります。
高強度鋼を使うと降伏に対する余裕を増やせますが、鋼材の弾性的な硬さは大きく変わりません。梁せいを減らす計画では、強度だけでなくたわみ・振動・局部座屈を確認します。強度と剛性を区別することは、経済的な断面を決める際にも重要です。
支点のピン・固定という記号も、実際の接合の働きを理想化したものです。露出柱脚ではボルト、プレート、コンクリートが変形しながら曲げを伝えます。その回転のしやすさと耐力を解析へ反映し、そこで生じる力を接合各部が安全に受け渡せることを確認します。部材と接合部を一続きに考えることが鉄骨設計の基本です。