鉄骨構造（S造）の基礎｜接合・座屈・耐火被覆の考え方（一級建築士 構造）

結論から言うと、鉄骨構造（S造）は鋼材という「強くて粘り強い（靭性に富む）」材料を使う構造ですが、その強さゆえに部材を薄く細くできる分、座屈という現象に弱く、また鋼材そのものが熱に弱いという弱点を併せ持つ構造です。一級建築士の学科でS造が問われるときは、この「強いが座屈と熱に弱い」という性質の裏返しとして、接合方法・断面の考え方・耐火被覆・柱脚形式のすべてが説明できるという視点を持つと、暗記に頼らず筋道立てて理解できます。

本記事では、鋼材の性質（降伏点・引張強さ・靭性）、高力ボルト摩擦接合と溶接接合の考え方と使い分け、局部座屈・横座屈と幅厚比の考え方、耐火被覆が必要な理由、ブレース構造とラーメン構造の違い、露出柱脚と根巻き柱脚の違いを順に整理します。鉄筋コンクリート構造（RC造）との対比で構造全体を捉えたい場合は鉄筋コンクリート構造（RC造）の基礎もあわせてご覧ください。

---

図で見る（全体像）

上図は考え方を示す模式図です。実際の数値・寸法・仕様は建物ごとに異なります。

---

S造の特徴｜強くて靭性に富むが座屈・火に弱い

鉄骨構造は、鋼材（鋼＝鉄を主成分とする金属材料）を柱・梁などの骨組みに用いる構造です。鋼材はコンクリートに比べて単位重量あたりの強度が高く、また破壊に至るまでに大きく変形してから壊れるという**靭性（粘り強さ）**に富む材料です。この靭性の高さから、地震時に部材が塑性変形（元に戻らない変形）することでエネルギーを吸収しやすく、粘り強い架構をつくりやすいという特徴があります。

一方で、鋼材は強度が高い分、部材の断面を薄く・細く設計できてしまうため、圧縮力や曲げを受ける部材が急に折れ曲がるように変形する「座屈」という現象を起こしやすいという弱点があります。座屈はコンクリートのような塊状の材料では相対的に生じにくく、鋼材のように薄板・細長い部材を組み合わせる構造で特に重要な検討項目になります。

さらに、鋼材は熱による強度低下が大きいという性質があります。火災時の高温にさらされると、鋼材は変形しやすくなり、耐力を保てなくなる温度に達すると急激に強度が低下します。この弱点を補うために、鉄骨部材には後述する耐火被覆が必要になります。

観点	鉄骨構造（S造）の傾向	裏返しとして生じる課題
強度・重量比	単位重量あたりの強度が高く、軽量な架構をつくりやすい	断面が薄く細くなりやすく、座屈への配慮が必要
靭性	大きく変形してから壊れる粘り強さがある	変形量が大きくなりやすく、接合部の設計が重要になる
耐火性	材料自体は不燃だが熱で強度が急激に低下する	耐火被覆等による保護が必要になる
施工	工場加工・現場組立が中心で工期を短縮しやすい	接合部（高力ボルト・溶接）の品質管理が重要になる

---

鋼材の性質｜降伏点・引張強さ・靭性の関係

鋼材の力学的な性質を理解するうえで基本になるのが、応力とひずみの関係を表す応力度-ひずみ度曲線です。鋼材に引張力を加えていくと、はじめは力を取り除けば元の形に戻る弾性域で変形し、ある応力度（降伏点）を超えると、力を取り除いても変形が残る塑性域に入ります。さらに力を加え続けると、鋼材が耐えられる最大の応力度である引張強さに達し、その後は破断に至ります。

用語	意味のイメージ
降伏点（降伏応力度）	弾性変形から塑性変形へ移り変わる境目の応力度
引張強さ	鋼材が耐えられる最大の応力度
靭性	破断に至るまでにどれだけ大きく変形できるかを表す粘り強さ
降伏比（降伏点／引張強さ）	値が小さいほど、降伏後に破断までの余裕（粘り）が大きいことを示す目安

構造設計では、鋼材が降伏点を超えて塑性変形する段階まで見込んで架構全体の粘り強さを評価する考え方があり、地震時に建物全体が急に脆性的（粘りのない壊れ方）に破壊しないよう、降伏比が小さく塑性変形能力に余裕のある鋼材を適所に用いることが重要になります。鋼材の等級・規格ごとの具体的な数値は改定・追補があるため、この記事では性質の関係を整理するにとどめ、実際の設計では最新の規格・設計者の判断を確認してください。材料一般の考え方については建築材料の基礎もあわせて参照してください。

---

接合の考え方｜高力ボルト摩擦接合と溶接接合の使い分け

鉄骨部材同士をつなぐ接合方法は、大きく高力ボルト接合と溶接接合に分けられます。それぞれ力の伝わり方が異なるため、使い分けの考え方を理解しておくことが実務上のポイントです。

高力ボルト接合のうち代表的なものが高力ボルト摩擦接合です。これは、高い張力で締め付けたボルトによって鋼材同士を強く密着させ、力が加わったときに接合面同士の摩擦力で力を伝える方式です。ボルト自体がせん断力を直接受けて伝えるのではなく、あくまで「密着させる力（締め付け力）」を生み出す役割を担い、実際に力を伝えるのは接合面の摩擦であるという点が理解のポイントです。摩擦力で力を伝えるため、接合面の処理（さび・油分の除去など摩擦力を確保する処理）が品質管理上重要になります。

溶接接合は、鋼材同士を溶かして一体化させることで接合する方式です。部材が実質的に連続した一体の材料になるため、剛性の高い接合を実現しやすい一方、溶接部に内部欠陥が生じると発見しにくく、また溶接時の入熱によって鋼材の性質が変化する（熱影響部の性能低下）ことがあるため、施工品質の管理と検査（超音波探傷検査など)が重要になります。

接合方法	力の伝わり方の考え方	特徴・留意点
高力ボルト摩擦接合	ボルトの締め付けによる接合面の摩擦力で力を伝える	現場施工の管理がしやすく、接合面の処理（摩擦力の確保）が品質を左右する
溶接接合（現場溶接）	部材同士を溶融一体化させて力を伝える	剛性の高い接合になりやすいが、内部欠陥の検査・熱影響部の管理が重要
工場溶接＋現場ボルト接合	工場で精度よく溶接し、現場は高力ボルトで接合する組み合わせ	現場作業の効率化と品質確保を両立させる代表的な考え方

実務では、精度管理がしやすい工場での溶接加工と、現場での組立性・管理のしやすさに優れる高力ボルト接合を組み合わせ、部位ごとの要求性能（剛性・施工性・検査のしやすさ）に応じて使い分けることが基本の考え方です。ボルトの本数・耐力の算定式など具体的な数値・計算式は基準により整理が異なるため、設計にあたっては最新の基準を確認してください。

---

部材の座屈｜局部座屈・横座屈と幅厚比の考え方

鉄骨部材の設計で特に重要になるのが座屈の検討です。座屈には、部材全体が弓なりに変形する全体座屈のほか、部材を構成する薄板部分に着目した局部座屈、梁のように曲げを受ける部材に特有の**横座屈（横倒れ座屈）**があります。

局部座屈は、H形鋼などを構成するフランジ（水平の板部分）やウェブ（垂直の板部分）といった薄い板要素が、圧縮力を受けたときに面外方向へ波打つように変形してしまう現象です。板が薄く、かつ板の幅に対して厚みが小さいほど局部座屈を起こしやすくなるため、板の**幅と厚みの比（幅厚比）**が小さいほど（＝厚みに余裕があるほど）局部座屈を起こしにくく、粘り強い挙動を期待できるという関係にあります。この考え方から、部材の断面は幅厚比によっていくつかの区分（塑性変形能力をどこまで期待できるかの区分）に分類され、地震力に対して大きな塑性変形を期待する部材ほど、幅厚比の小さい（厚みに余裕のある）断面が求められる、という設計の方向性につながります。

横座屈は、梁のように曲げを受ける部材において、圧縮側のフランジが面外方向（横方向）に変形し、断面全体がねじれを伴いながら倒れ込むように座屈する現象です。梁の圧縮側フランジが横方向に拘束されていない区間が長いほど横座屈を起こしやすくなるため、床スラブや小梁・母屋などによって圧縮側フランジの横移動を拘束する（横補剛を設ける）ことが、横座屈を防ぐ基本的な考え方になります。

座屈の種類	生じやすい部位・状況	抑える基本的な考え方
全体座屈	圧縮力を受ける柱など部材全体	座屈長さを短くする（水平材で拘束するなど）、断面性能を高める
局部座屈	フランジ・ウェブなど部材を構成する薄い板要素	幅厚比を小さくする（板厚に余裕を持たせる）
横座屈（横倒れ座屈）	曲げを受ける梁の圧縮側フランジ	横補剛材で圧縮側フランジの横移動を拘束する、拘束区間を短くする

座屈は「部材が破断する前に、変形の形そのものが不安定になって耐力を失う」現象であるという点が、材料そのものの強度不足による破壊と異なる視点です。幅厚比の具体的な区分値や座屈長さの算定方法は基準によって規定されているため、実際の断面検討では最新の基準・計算方法を確認してください。構造力学の基本的な考え方全般については構造力学の基礎もあわせてご覧ください。

---

耐火被覆が必要な理由

鋼材は不燃材料ですが、火災による高温にさらされると強度が急激に低下するという性質があります。常温では十分な耐力を持つ部材でも、火災時の温度上昇によって降伏点や弾性係数（変形のしにくさを表す値）が低下し、建物の重さを支えきれずに崩壊に至る危険があります。この弱点を補うために、柱・梁などの鉄骨部材の周囲を耐火被覆材で覆い、火災時に鋼材の温度上昇を一定時間抑えることが必要になります。

耐火被覆には、吹付け材を鋼材表面に直接吹き付ける方式、耐火性能を持つボードで囲う方式、コンクリートやモルタルで巻き立てる方式など、いくつかの方法があります。建物の規模・用途や部位（柱・梁・耐火性能が求められる時間）によって求められる性能や採用しやすい方式が異なるため、実務ではこれらを比較検討して選定することになります。

耐火被覆の方式	特徴の傾向
吹付け被覆	複雑な形状にも対応しやすく、比較的施工が速いとされる
耐火ボード被覆	仕上がりが平滑になりやすく、乾式工法として扱いやすい傾向がある
巻き立て（コンクリート・モルタル等）	強度・耐久性に優れる傾向がある一方、重量が増える

必要とされる耐火時間や被覆厚みなどの具体的な基準は、建物の規模・用途・部位によって法令上定められているため、この記事では「なぜ被覆が必要か」という考え方の整理にとどめます。具体的な仕様の判断は、所轄官署・設計者に必ず確認してください。

---

ブレース構造とラーメン構造｜架構形式の違い

鉄骨造の骨組み（架構）を水平力（地震力・風力）に抵抗させる方式は、大きくラーメン構造と**ブレース構造（筋かい構造）**に分けられます。

ラーメン構造は、柱と梁の接合部を剛接合（角度を保ったまま一体的に力を伝える接合）とすることで、柱・梁全体の曲げ剛性によって水平力に抵抗する形式です。壁や筋かいを設けなくても開口部を大きく確保しやすいという利点がある一方、柱・梁に大きな曲げモーメントが生じやすく、接合部の設計・施工の精度が架構全体の性能に大きく影響します。

ブレース構造は、柱・梁で構成される架構の中に**筋かい（ブレース）**という斜め材を入れることで、主に軸力（引張・圧縮）によって水平力に抵抗させる形式です。部材が主に軸力を負担するため、比較的細い部材で効率よく水平力に抵抗できる一方、筋かいを入れた部分は壁のように扱われるため、開口部の配置に制約が生じやすいという特徴があります。

架構形式	水平力への抵抗の考え方	特徴・留意点
ラーメン構造	柱・梁の剛接合による曲げ剛性で抵抗する	開口部を確保しやすいが、接合部に大きな曲げモーメントが生じやすい
ブレース構造（筋かい構造）	斜め材（ブレース）の軸力で抵抗する	効率よく水平力に抵抗できるが、ブレース配置箇所の開口計画に制約が出やすい
併用形式	ラーメンとブレースを組み合わせて抵抗させる	それぞれの利点を補い合う架構計画として広く用いられる

実務では、両者の利点を組み合わせた併用形式も広く用いられており、平面計画上の開口の必要性と、必要な水平剛性・耐力とのバランスを見ながら架構形式を選定することが基本の考え方になります。

---

露出柱脚と根巻き柱脚｜柱脚形式の違い

鉄骨造の柱の最下部（基礎と接する部分）を柱脚といい、上部の鉄骨と基礎（多くはRC造）とをどのようにつなぐかによって、いくつかの形式に分類されます。代表的なものが露出柱脚と根巻き柱脚です。

露出柱脚は、鉄骨柱の脚部をベースプレート（鋼板）を介してアンカーボルトで基礎に固定し、柱脚部分がそのまま露出している形式です。構造が比較的単純で施工しやすい一方、柱脚部の回転に対する固定度（剛性）が他の形式に比べて小さくなりやすく、地震時の柱脚の挙動を適切に評価した設計が必要になります。

根巻き柱脚は、露出柱脚の脚部の周囲を鉄筋コンクリートで巻き立てる（根巻きする）ことで、柱脚部の剛性や耐力を高める形式です。露出柱脚に比べて柱脚の固定度を高めやすい一方、根巻き部分のコンクリートのひび割れ管理や、鉄骨とコンクリートの応力伝達の検討が必要になります。

このほか、柱脚を基礎に埋め込む埋込み柱脚という形式もあり、一般に固定度が高くなる傾向があるとされていますが、いずれの形式も柱脚に求める固定度（ピン接合に近いか、剛接合に近いか）という観点から使い分けを整理すると理解しやすくなります。

柱脚形式	概要	固定度・特徴の傾向
露出柱脚	ベースプレート＋アンカーボルトで基礎に固定し、脚部が露出する	構造・施工が比較的単純だが、固定度は他形式より小さくなりやすい
根巻き柱脚	露出柱脚の脚部周囲を鉄筋コンクリートで巻き立てる	露出柱脚より固定度を高めやすいが、根巻き部の設計・施工管理が必要
埋込み柱脚	柱脚を基礎（RC造部分）に埋め込む	一般に固定度が高くなる傾向があるとされる

柱脚は上部構造（鉄骨造）と下部構造（RC造の基礎）の接点にあたるため、鉄骨造とRC造それぞれの設計上の考え方を橋渡しする部分でもあります。RC造の基本的な考え方については鉄筋コンクリート構造（RC造）の基礎、地盤・基礎との関係については構造の他分野もあわせて確認しておくと理解が深まります。

---

実務チェックリスト

• 鋼材の降伏点・引張強さ・靭性の関係を、応力度-ひずみ度曲線のイメージで説明できるか
• 高力ボルト摩擦接合が「ボルトのせん断」ではなく「接合面の摩擦」で力を伝えるという考え方を理解しているか
• 溶接接合を採用する部位で、内部欠陥の検査・熱影響部の管理をどう行うか確認しているか
• 局部座屈と幅厚比の関係、横座屈と横補剛の関係を、それぞれ図面上のどの部材に当てはめて検討すべきか整理できているか
• 耐火被覆が必要な部位・方式（吹付け・ボード・巻き立て）を、建物の規模・用途に応じて比較検討しているか
• ラーメン構造とブレース構造のどちらを主体とするか、開口計画と水平剛性のバランスから検討しているか
• 柱脚形式（露出・根巻き・埋込み）を、必要な固定度と施工条件から選定しているか
• 具体的な数値基準（幅厚比の区分値、耐火時間、接合部の耐力算定式等）は、最新の基準・所轄官署・設計者に確認しているか

---

よくある質問

S造はRC造に比べて本当に地震に強いのですか？

鋼材そのものは靭性が高く、粘り強い変形性能を期待しやすい材料ですが、「地震に強いかどうか」は構造種別だけでなく、架構形式・接合部の設計・座屈対策など総合的な設計内容によって決まります。S造・RC造それぞれに得意・不得意があり、どちらが一律に優れているというものではないという理解が実務上は妥当です。

高力ボルト接合と溶接接合はどちらが優れていますか？

優劣ではなく適材適所の考え方です。高力ボルト摩擦接合は現場での施工・検査がしやすく品質管理をしやすい一方、溶接接合は剛性の高い一体的な接合を実現しやすい傾向があります。実務では工場溶接と現場ボルト接合を組み合わせるなど、部位ごとの要求性能に応じて使い分けることが一般的です。

幅厚比が小さいほど良いということですか？

幅厚比が小さい（板厚に余裕がある）ほど局部座屈を起こしにくく、大きな塑性変形を期待できる断面になりやすいという関係にありますが、板厚を増やせば鋼材使用量や重量が増えるため、必要とされる塑性変形性能に応じて適切な区分の断面を選ぶことが設計の考え方です。無条件に厚くすればよいというものではありません。

耐火被覆はすべての鉄骨部材に必要ですか？

建物の規模・用途・部位によって求められる耐火性能が異なるため、一律にすべての部材に同じ被覆が必要というわけではありません。求められる耐火性能の有無・時間は法令上の区分によって定められているため、具体的な要否・仕様は所轄官署・設計者に確認する必要があります。

---

まとめ

• 鉄骨構造（S造）は強度・靭性に優れる一方、座屈と熱（火災）に弱いという性質を併せ持つ
• 鋼材は降伏点・引張強さ・靭性という応力度-ひずみ度曲線上の性質で特徴づけられる
• 接合は高力ボルト摩擦接合（接合面の摩擦で力を伝える）と溶接接合（一体化させて力を伝える）を使い分ける
• 座屈には全体座屈・局部座屈・横座屈があり、幅厚比や横補剛によって抑える考え方が基本
• 鋼材は高温で急激に強度低下するため、部位に応じた耐火被覆が必要になる
• 架構形式はラーメン構造（剛接合の曲げ剛性）とブレース構造（斜め材の軸力）に大別され、併用も広く行われる
• 柱脚形式（露出・根巻き・埋込み）は、必要な固定度と施工条件から選定する

鉄骨構造は「強くて軽い材料だからこそ生じる弱点」を、接合・断面・被覆・柱脚といった各要素で補い合う構造だと捉えると、一つひとつの規定がなぜ必要なのかがつながって理解しやすくなります。具体的な数値基準・仕様は改定されることがあるため、実際の設計・判定にあたっては最新の基準・所轄官署・設計者に必ず確認してください。

---

あわせて読みたい

• 鉄筋コンクリート構造（RC造）の基礎
• 構造力学の基礎
• 建築材料の基礎