機械要素の基礎：型鋼

形鋼は、建設、土木、造船、機械製造といった多岐にわたる産業分野において、構造物の骨格を形成する最も基本的かつ重要な鉄鋼材料です。その定義は、棒状の圧延鋼材のうち、その断面が円形や正方形といった単純な形状ではなく、H型、L型、溝型といった特定の断面形状を持つものを指します。

形鋼の最大の特徴は、限られた断面積、すなわち限られた重量の材料を用いて、曲げモーメントや座屈荷重に対する抵抗力である断面二次モーメントや断面係数を極大化させる、断面効率の追求にあります。中実の四角い棒を梁として使うよりも、H形鋼を用いたほうが、同じ重量であれば遥かに高い剛性と強度を得ることができます。これは、材料力学における、曲げ応力は中立軸から離れるほど大きくなるという原理に基づき、材料を中立軸から遠い位置に効率的に配置しているためです。

断面形状の力学的合理性

形鋼の設計思想は、材料力学の基本原理である、部材に作用する応力の分布に基づいています。構造部材として最も頻繁に受ける負荷は、曲げモーメントです。梁に曲げ荷重がかかると、部材の内部には、圧縮応力と引張応力が発生します。このとき、部材の中心にある中立軸付近では応力はゼロに近く、表面に近いほど応力は最大になります。

中実断面の非効率性

長方形や円形の中実断面の場合、応力がほとんどかからない中立軸付近にも大量の材料が存在しています。これは重量の増加を招くだけでなく、構造効率の観点からは無駄な質量と言えます。

H形鋼の合理的設計

形鋼の代表格であるH形鋼を例にとると、その断面はフランジと呼ばれる二枚の水平板と、ウェブと呼ばれる一枚の垂直板で構成されています。フランジは、中立軸から最も離れた位置に配置されており、曲げモーメントによって発生する最大の引張応力および圧縮応力を効率的に負担します。一方、ウェブは、主にせん断力を負担すると同時に、二枚のフランジの間隔を保持する役割を担います。このように、役割に応じて材料を最適な位置に配置することで、H形鋼は、断面積当たりの曲げ剛性を示す断面二次モーメントを飛躍的に高めています。これが、形鋼が「効率的な断面」と呼ばれる所以です。

主要な形鋼の種類と工学的特性

形鋼には、その用途や力学的要求に応じて多種多様な断面形状が存在します。

1. H形鋼

現代の鉄骨構造において最も多用される形鋼です。断面がアルファベットのHの形をしており、ウェブと平行な二枚のフランジを持ちます。工学的な最大の特徴は、フランジの内面と外面が平行であることです。これにより、ボルト接合や他の部材との取り合いが容易になり、施工性が大幅に向上しました。また、強軸方向（ウェブと垂直な方向）の曲げ剛性が極めて高く、柱や梁として理想的な性能を発揮します。圧延技術の進化により、ウェブ高さとフランジ幅が等しい正方形断面に近いものから、梁に適した細長い断面まで、幅広いサイズが製造されています。

2. I形鋼

H形鋼の原型とも言える形状ですが、明確な違いがあります。I形鋼のフランジ内面は、ウェブに向かって斜めに傾斜（テーパー）しています。このテーパーは、かつての圧延技術の制約によるものでしたが、ボルト締結時にテーパーワッシャーが必要になるなど施工上の難点があります。現在では建築構造用としての主役の座をH形鋼に譲りましたが、その断面形状から、ホイストレールや特定の産業機械レールなど、車輪が走行する用途では今なお重要な役割を果たしています。

3. 山形鋼（アングル）

断面がアルファベットのLの形をした形鋼です。二つの辺の長さが等しい等辺山形鋼と、異なる不等辺山形鋼があります。構造用としては、トラス部材やブレース（筋交い）として引張力を負担する用途に広く用いられます。また、その形状から、部材同士を接合するためのガセットプレート代わりや、機械の架台、補強リブなど、補助的な構造部材としても極めて汎用性が高い材料です。ただし、断面の図心とせん断中心が一致しないため、曲げ荷重を受けた際にねじれが生じやすい点には設計上の注意が必要です。

4. 溝形鋼（チャンネル）

断面がカタカナのコの字型（チャンネル状）をした形鋼です。H形鋼と同様にウェブとフランジを持ちますが、フランジは片側にしかありません。裏面が平坦であるため、他の部材への取り付けが容易であり、壁面の下地材や、機械のフレーム、階段のササラ桁などに用いられます。力学的には非対称断面であるため、荷重のかかり方によっては、ねじれモーメントが発生します。これを防ぐために、二つの溝形鋼を背中合わせに接合して閉断面に近い形で使用することも一般的です。

5. 鋼矢板（シートパイル）

土木工事において、土砂の崩壊を防ぐ土留めや、水の浸入を防ぐ締切り壁として使用される特殊な形鋼です。両端に継手（インターロック）と呼ばれる嵌合部を持っており、互いに噛み合わせながら地盤に打ち込むことで、連続した壁体を形成します。U形、Z形、直線形などがあり、土圧や水圧による曲げモーメントに耐えるよう設計されています。

製造プロセスと圧延技術

形鋼の多くは、熱間圧延と呼ばれるプロセスによって製造されます。

素材と加熱

出発材料となるのは、連続鋳造によって作られたブルームやビームブランクと呼ばれる鋼片です。これらを加熱炉で摂氏1200度程度まで均一に加熱し、オーステナイト組織とします。高温状態の鋼は変形抵抗が低く、巨大な塑性変形を与えることが可能です。

ユニバーサル圧延機

特にH形鋼の製造において革命的だったのが、ユニバーサル圧延機の導入です。通常の2ロール圧延機では、ロールの軸方向への圧下を加えることが難しく、フランジとウェブを同時に、かつ精密に成形することが困難でした。ユニバーサル圧延機は、水平ロールと垂直ロールを同一平面内に配置し、H形鋼のウェブとフランジの四面を同時に圧下します。これにより、フランジ内面のテーパーをなくした平行フランジの製造が可能となり、また、ロールの幅を調整することで、同一のロールから多様なサイズの製品を作り分けることができるようになりました。

冷却と矯正

圧延直後の形鋼は赤熱状態にありますが、冷却床にて常温まで冷却されます。この冷却過程で、部位による冷却速度の違い（例えば、厚いフランジと薄いウェブの温度差）により、残留応力が発生したり、反りや曲がりが生じたりします。これを修正するために、ローラー矯正機（レベラー）による機械的な矯正が行われます。材料に繰り返し曲げを与えることで、内部応力を均一化し、JIS規格などの厳しい寸法公差に収まるよう真直度を出します。

材料規格と溶接性

形鋼の性能は、形状だけでなく、その素材である鋼の材質によっても決定されます。日本のJIS規格では、用途に応じていくつかの重要な鋼種が規定されています。

SS材（一般構造用圧延鋼材）

最も広く使用される規格で、SS400がその代表です。400という数字は引張強さの下限値（400メガパスカル）を示します。成分規定において炭素量の上限などが厳密ではないため、溶接性が必ずしも保証されていません。したがって、ボルト接合を主とする建築物や、軽微な溶接で済む用途に用いられます。コストパフォーマンスに優れています。

SM材（溶接構造用圧延鋼材）

溶接を行うことを前提とした鋼材です。SM490などが代表的です。 SS材との最大の違いは、炭素量の上限や、炭素当量（Ceq）が管理されている点です。炭素当量は、溶接時の熱影響部における硬化や割れの感受性を示す指標であり、これを低く抑えることで、溶接割れを防ぎ、健全な溶接継手を得ることができます。橋梁や船舶、高層ビルなど、溶接接合が多用される重要構造物には必須の材料です。

SN材（建築構造用圧延鋼材）

近年の耐震設計の高度化に伴い、建築構造専用として開発された規格です。SN400BやSN490Bなどがあります。最大の特徴は、降伏比（降伏点と引張強さの比率）の上限が規定されていることです。地震時に建物が変形しても、部材がすぐに破断するのではなく、塑性変形能力を維持しながらエネルギーを吸収することを目的としています。また、板厚方向の引張特性（ラメラテア耐性）なども考慮されており、現代の建築鉄骨における標準材料となっています。

設計上の工学的留意点

形鋼を用いた構造設計においては、単に強度が足りているかだけでなく、様々な破壊モードを考慮する必要があります。

座屈現象

形鋼は、薄い板を組み合わせた断面形状をしているため、圧縮力を受けた際に、材料の強度限界に達する前に、幾何学的に形状が崩れる座屈という現象が支配的になることがあります。

全体座屈: 柱として使用した際に、部材全体が弓なりに曲がる現象です。細長比（部材長さと断面回転半径の比）が大きいほど発生しやすくなります。
局部座屈: フランジやウェブといった構成要素単体が、波打つように変形する現象です。幅厚比（板の幅と厚さの比）の制限を守ることで防止します。
横座屈: H形鋼を梁として使用した際、強軸回りに曲げようとしても、弱軸方向へ横倒れしながらねじれてしまう現象です。これを防ぐために、保有耐力横補剛などの横支えが必要となります。

接合部の設計

形鋼構造の信頼性は、部材そのものだけでなく、部材同士をつなぐ接合部に大きく依存します。

高力ボルト接合: 高強度のボルトを強い力で締め付け、接合板間の摩擦力によって力を伝達する方法です。施工が早く、品質管理が容易であるため、現場接合の主流となっています。
溶接接合: 部材同士を溶融一体化させる方法です。剛性が高く、すっきりとした外観が得られますが、熱による歪みや、溶接欠陥の管理、現場での溶接条件の確保など、高度な技術管理が求められます。工場での製作においては、ロボット溶接なども活用され、主要な接合手段となっています。