学科Ⅳ（構造）
一級建築士 令和5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：（4）
正答の考え方
降伏点の高い鋼材へ替えると、梁の弾性たわみが小さくなるという記述が誤りです。降伏点は、鋼材が元へ戻る弾性変形から、力を除いても残る塑性変形へ移り始める応力度です。一方、弾性範囲でどのくらい変形するかを決めるのは、応力度とひずみの比例係数であるヤング係数です。
一般的な建築用鋼材は、降伏点の異なる材種でもヤング係数がほぼ同じです。同じ断面・長さ・荷重・支持条件なら、曲げ剛性もほぼ変わらないので、弾性たわみは小さくなりません。たとえば中央荷重の単純支持梁はで、式に降伏点は現れません。
高強度鋼を使えば、降伏するまでに負担できる曲げモーメントを増やすことはできます。しかし断面を小さくして材料を節約するとが減り、かえってたわみが増える場合もあります。大スパン梁で変形を抑えるには、梁せい・断面形状・支え方などにより曲げ剛性を高める必要があります。「強い材料」と「硬い部材」を別の性質として理解します。
各選択肢の解説
選択肢1
（1）幅厚比は、鋼板部分の幅を厚さで割った値で、大きいほど薄く広い板です。圧縮される板が局所的に波打つ局部座屈を防ぐため、その上限が定められています。鋼材の降伏点が高いほど、降伏までに板が受ける圧縮応力度も高くなるので、局部座屈を先行させないための幅厚比の制限は厳しくなります。材料を高強度にすれば、同じ薄い板を無条件に使いやすくなるというわけではありません。
選択肢2
（2）角形鋼管は閉じた箱状の断面で、ねじれに強く、H形鋼のような横座屈を生じにくいため、曲げの許容応力度は許容引張応力度と同じ値を使う扱いができます。この記述は曲げ許容応力度の横座屈による低減について述べています。柱として圧縮軸力も受ける場合の全体座屈、軸力と曲げの組合せ、薄い板の局部座屈などまで、材長に関係なく検討不要になる意味ではありません。
選択肢3
（3）H形鋼のフランジは、ウェブにつながる側と反対の縁が自由で、板がはらみ出しやすい形です。ウェブは上下をフランジに支えられるため、局部座屈に対する支持条件が異なり、幅厚比の上限は一般にウェブの方が大きくなります。数値の大小だけを比べず、板のどの縁が支えられているかを考えると理解できます。塑性変形能力を求める場合は、降伏後も局部座屈で急に耐力が落ちないことが必要です。
選択肢4
（4）降伏点を高めても、通常の鋼材のヤング係数はほぼ変わらず、同じ断面の弾性たわみはほぼ同じです。降伏点は応力度・ひずみ関係の折れ曲がり位置、ヤング係数は最初の直線の傾きに対応します。限界位置が高くなっても、そこまでの傾きが同じなら同じ力での変形は変わりません。たわみを小さくする目的ならや支点間距離に着目し、耐力向上だけの対策と区別する必要があります。
周辺知識
鋼構造では、少なくとも材料の降伏、部材全体の座屈、断面を作る板の局部座屈を分けて考えます。降伏は材料の応力度が一定の水準へ達する現象、全体座屈は細長い部材が大きく曲がる不安定現象、局部座屈は薄い板の一部分が波打つ現象です。同じ「鋼材が壊れる」でも原因と改善策が異なります。
梁のたわみに関係するは、材料を曲げの中心軸から離して配置するほど大きくなります。H形鋼が上下のフランジに材料を多く配置するのは、この効果を利用するためです。梁せいを増すことは変形を抑える有効な方法ですが、フランジやウェブを薄くしすぎると局部座屈への確認が必要になります。
また、横補剛は圧縮フランジが横へ逃げる動きを止め、横座屈を防ぐ対策です。鉛直たわみを直接止める中間支点と同じ役割ではありません。高強度鋼、断面の大型化、板厚の増加、横補剛などの対策について、何の限界や変形を改善するものかを対応させると、設計上の判断が整理できます。