建築・土木における座屈の基礎と実務対策：理論、設計法、検査・補強の完全ガイド

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

はじめに：座屈とは何か

座屈（ざくつ）は、軸方向に圧縮力を受ける部材が突然横方向に変形して耐力を失う現象です。柱や圧縮材、長い梁の圧縮部、薄肉板の局所部などで発生しやすく、構造全体の安全性に直結します。本稿では座屈の基本理論、分類、解析・設計上の留意点、実務での対策や検査方法までを詳しく解説します。

座屈の基本理論：オイラーの臨界荷重

弾性座屈の古典解はオイラーによるもので、細長い柱の臨界荷重 P_cr は次式で与えられます。

P_cr = π^2 E I / (K L)^2

ここで E はヤング率、I は曲げ二次モーメント、L は柱の長さ、K は有効長係数（境界条件に依存）です。代表的な K の値は以下の通りです。

  • 両端ピン支持（回転自由）: K = 1.0
  • 両端固定: K = 0.5
  • 片端固定・片端ピン: K ≒ 0.7
  • 片端自由（片持ち）: K = 2.0

オイラー式は部材が弾性範囲で座屈する場合に適用でき、断面係数や長細さが重要です。断面の回転剛性や支持条件が臨界値を左右します。

スレンダネスと座屈区分：弾性・非弾性の境界

一般に座屈の挙動は「弾性座屈（Euler領域）」と「塑性座屈（短柱での座屈を含む）」に分かれます。断面のスレンダネス指標としては有効長さ L_e = K L と最小の半径二次モーメントから求まる回転半径 r を用い、細長比 λ = L_e / r で表します。

弾性座屈は λ が大きい（細長）部材で生じ、オイラー式が支配的です。λ が小さく（太い柱）材料の降伏が先に起きる場合は塑性挙動となり、単純なオイラー式は適用できません。実務では AISC、Eurocode、各国の設計規準がこの領域を橋渡しする経験式や補正式を用いて許容応力度を示しています。

局部座屈・全体座屈・側方捩じれ座屈

  • 全体座屈（column buckling）：柱全体が曲げモードで座屈する現象。オイラー理論が基礎。
  • 局部座屈（local buckling）：薄肉のフランジやウェブが部分的に波打つ現象。板要素の座屈理論（格子・板座屈荷重）や有効幅法が用いられる。
  • 側方捩じれ座屈（lateral-torsional buckling, LTB）：曲げを受ける長手方向の梁が横方向にたわみつつ捩れる現象。単純梁や片持ち梁などで発生し、曲げモーメント、曲率とねじり剛性の相互作用で決まる。

初期不整合・残留応力・幾何学的非線形性の影響

実際の部材には直線性からの初期曲げや残留応力（製作時の塑性変形や冷却によるもの）があり、これらは座屈荷重を低下させます。また、P-Δ（軸力と横変位の相互作用）や P-δ（二次曲げモーメント）といった幾何学的非線形効果は、荷重が増すにつれて座屈を促進します。設計時にはこれらを考慮した二次解析や安全率の適用が必要です。

設計規準と実用的な扱い

各国の設計基準は座屈を経験式と実験で扱います。代表例：

  • AISC（米国）：AISC 360 は細長比に応じた座屈補正を規定。
  • Eurocode（EN 1993-1-1）：部分係数法に基づく安定性チェックと座屈長さ係数の評価手順を示す。
  • 日本（AIJ、JISなど）：日本の設計法でも有効長や断面細長比、板要素の有効幅に基づく扱いがある。

これらの規準は実務上、鋼構造・RC構造・木構造それぞれで適用法が異なるため、用途に応じて該当規準を参照してください。

解析手法：線形固有値・非線形解析

座屈荷重の評価には次の解析が有効です。

  • 線形固有値解析：初期剛性に基づく臨界荷重と座屈モードを求める。設計初期段階で有効。
  • 幾何学的・材料非線形解析（非線形弾塑性解析）：初期不整合や残留応力、P-Δ効果を含めた実際の挙動を評価。崩壊荷重やポスト座屈挙動を把握できる。
  • 局部座屈解析：板要素メッシュや壊れ方を詳細に評価するために必要。

実務での対策と設計上の工夫

  • 有効長を短くする：中間支持（筋かい・ブラケット）を設けて K を低減。
  • 断面二次モーメントを増やす：大断面化やI形鋼の腹板・フランジ強化。
  • 薄肉部の補強：リブやステッフナーで局部座屈を抑制。
  • 材料・継手の品質管理：残留応力低減や溶接ひずみ管理。
  • 冗長性の確保：荷重経路を複数確保して局所崩壊が全体崩壊に及ばないようにする。
  • 検査・保守：変形増大や横変位、亀裂の発生を早期発見して補修。

現場での簡易チェック手順（実務向け）

1) 支持条件と有効長係数 K を決定する。 2) 断面係数（I, A）から回転半径 r を算出する。3) スレンダネス λ = K L / r を計算し、規準に従い弾性/非弾性領域を判定する。4) オイラー式で臨界応力度を計算し、材料の降伏強度と比較。5) 必要なら非線形解析で安全率やポスト座屈挙動を確認する。

検査・実験・モニタリング

実構造物では以下を行います：定期点検（たわみや亀裂の追跡）、荷重試験、研究試験での座屈試験、センサーによる変位モニタリング。特に長スパンや高荷重の構造では長期的な挙動監視が重要です。

まとめ：安全設計のための要点

  • 座屈は単純な降伏ではなく幾何学的・材料的複合現象である。
  • オイラー式は有効だが、境界条件・初期不整合・残留応力・非線形性を必ず考慮する。
  • 設計規準（AISC、Eurocode、AIJ等）に従い、必要時は非線形解析で確認すること。
  • 場での補強・ブレース設置・品質管理・モニタリングが実効的な対策である。

参考文献

Wikipedia: 座屈（日本語）
Wikipedia: Euler's critical load（英語）
AISC（American Institute of Steel Construction）
Eurocode EN 1993-1-1: Design of steel structures
一般社団法人 日本建築学会（AIJ）

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