トラス構造の基礎と設計ポイント：種類・解析法・実務での注意点を徹底解説
エバープレイ編集部トラス構造とは
トラス構造は、細長い棒状部材（メンバー）を三角形に組み合わせて荷重を支える構造形式です。三角形の安定性を利用することで、部材に軸力（引張・圧縮）を主に負担させ、曲げを最小限に抑えることができます。橋梁、屋根、タワー、クレーンのブームなど幅広い用途で採用され、軽量で大スパンを効率よく架けることが可能です。
歴史と発展
産業革命以降、鉄や鋼が普及する中でトラス構造は急速に発展しました。木造トラスは古くから存在しましたが、鉄の導入により長スパン化が可能になり、各種橋梁や屋根構造で広く用いられるようになりました。20世紀には溶接や高強度鋼、解析技術の進歩で形態と適用範囲がさらに拡大しました。
基本構成要素
- 上弦材（トップチャード）・下弦材（ボトムチャード）：主に曲線または直線で外周を形成する長手部材。
- 斜材・垂直材（ウェブメンバー）：上弦と下弦を結び、内部の力の流れを伝える。
- ノード（節点）：メンバーの接合点。理想化ではピン結合として扱われることが多い。
- ガセットプレート・接合金物：実際の接合部はボルト・溶接などで固定される。
代表的なトラス形式
- プラット（Pratt）トラス：斜材が斜め下向きに配置され、鉛直材が圧縮、斜材が引張を主に受ける配置（垂直材短く、施工が容易）。
- ハウ（Howe）トラス：プラットの逆で、斜材が圧縮、垂直材が引張となる配置。木造に適した形式。
- ウォーレン（Warren）トラス：等辺三角形を連ねた形状で、荷重分布に応じて斜材が引張・圧縮を交互に受ける。
- キングポスト・クイーンポスト：小スパンの単純トラス。屋根架構に多い。
- Kトラス、格子（ラティス）トラス、弓形（ボウストリング）など：用途と施工性に応じ多様なバリエーションが存在。
力学的性質と解析手法
トラスは一般にメンバーに純軸力しか作用しないという理想化の下で解析されます（ピン結合モデル）。主な解析法は以下の通りです。
- 節点法（Method of Joints）：各節点の平衡式（ΣFx=0, ΣFy=0）を使い、順次メンバー力を求める。小規模トラスに有効。
- 断面法（Method of Sections）：構造を断ち切って外力と静 equilibrium を使い、特定メンバーの力を直接求める。効率的に解を得られる。
- 行列法・有限要素法（FEM）：現代の実務では、剛体節点やプレート要素を含むFEM解析で詳細に解析する。剛接合や二次曲げ、せん断なども考慮可能。
圧縮部材の座屈（座屈荷重）は設計上重要です。オイラーの座屈荷重は Pcr = π^2 EI / (K L)^2 で表され、Kは有効長係数、Lは部材長、Eはヤング率、Iは断面二次モーメントです。細長比（スレンダネス比）λ = KL/r（rは回転半径）に基づく座屈判定が用いられます。
設計上の主要チェック項目
- 強度チェック：各メンバーの引張・圧縮耐力と設計内力の照査。
- 座屈チェック：圧縮メンバーは座屈荷重、側方座屈、局部座屈を検討する。ブレースや横補剛が必要。
- 接合部の検討：ガセットプレートやボルト・溶接の耐力、局所座屈やせん断破壊を確認。
- 疲労・拘束・二次応力：繰返し荷重による疲労設計、拘束により発生する二次応力を評価。
- 変形・使用性：たわみ、振動特性（人荷重や風荷重下の快適性）を確認。
- 耐久性：腐食防止（塗装・亜鉛めっき）、点検性、交換可能性を配慮。
材料と施工上のポイント
鋼は高強度・靭性があり工場で精密に加工できるためトラスに適しています。木造トラスは軽く断熱性があるため小スパンや屋根に用いられます。コンクリートトラスは稀で、一般にトラスの目的に対して非効率な場合が多いです。
施工では、仮組み・現場溶接・ボルト締結の順序、仮受けの設計、輸送・クレーンリフト時の変形管理が重要です。接合部の精度や締結トルク管理は強度と変形に直結します。
メンテナンスと補強の実務
橋梁や歴史的建造物のトラスでは腐食・疲労により部材や接合部が劣化します。定期点検で亀裂・腐食・ボルト緩みを確認し、必要に応じて以下の補修・補強を行います。
- 部材交換：疲労で割れたメンバーや腐食深い部材の取り替え。
- 局所補強：ハードウェアの追加（プレート、スプライス）やFRPラップによる引張補強。
- 防食処理：サンドブラスト後の塗装や亜鉛めっき、カソード防食など。
- 冗長性の向上：一次破壊に耐えられるよう設計の見直しや代替荷重経路の確保。
実例と教訓
歴史的な事故は設計や点検の重要性を示します。例えば1967年のシルバーブリッジ（米国）は重要なアイバーメンバーの疲労破壊が原因で崩落し、一次破壊に対する冗長性の欠如と点検の困難さが問題となりました。こうした事例は、トラスにおける“破断臨界部材”の存在と、定期的な非破壊検査（NDT）の必要性を強く示しています。
現代の動向と設計ツール
BIMや高度な有限要素解析、最適化アルゴリズム（トポロジー最適化、形態最適化）により、材料効率の良いトラス形状や接合の最適化が可能になっています。また、高強度鋼や複合材料（FRP）を用いた軽量化・耐久性向上の研究も進んでいます。耐震設計においては、地震荷重下での非線形挙動、粘り強さ、降伏後の荷重経路などを詳細に検討することが重要です。
まとめ
トラス構造は軽量で効率的に荷重を伝える優れた構造形式ですが、圧縮部材の座屈、接合部の挙動、疲労・腐食など固有の課題があります。設計段階で力の流れを明確にし、圧縮部の補剛、接合部の十分な検討、点検・保守性の確保を行うことが長寿命化の鍵です。最新の解析・最適化ツールを用いることで、より効率的かつ安全なトラス設計が可能になります。
参考文献
- American Institute of Steel Construction (AISC)
- Eurocodes
- 日本建築学会 (AIJ)
- トラス構造 - Wikipedia（日本語）
- Silver Bridge collapse - Wikipedia
- 国土交通省（日本）
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