角鋼（角形鋼材）完全ガイド：種類・製造方法・設計計算・施工上の注意点と選び方

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：角鋼とは何か

角鋼（かくこう）は、断面が角形（正方形または長方形）を持つ鋼材を指す総称で、固体の角棒（角鋼棒、角鋼材）と中空の角形鋼管（角パイプ、角形鋼管）の両方が含まれます。建築・土木では構造部材、支柱、手摺、建具、機械部品など幅広く使われます。本稿では材料仕様・製造法・力学特性・設計計算（断面特性の式を含む）・加工・溶接・防食・保管・選定基準・施工上の注意点まで、実務で役立つ観点から詳しく解説します。

角鋼の分類と用途

  • 角鋼棒（ソリッドバー）：実断面が正方形または長方形の実心鋼材。機械部品、治具、框（かまち）などに使用。
  • 角形鋼管（角パイプ、SHS/RHS）：中空断面の角鋼。軽量で曲げ・圧縮に強く、建築の柱・部材、フェンス、手すりなどに多用。
  • 加工製品：溶接組立品、曲げ加工品、表面処理品（亜鉛めっき、塗装）など。

材料と規格

角鋼に用いられる鋼種は用途によって異なります。代表的な構造用鋼としてはSS材（例：SS400等）が一般的で、引張強度や降伏点の目安が規格化されています。機械用にはより高強度の合金鋼（S45C、SCM材など）が用いられます。角形鋼管は製造方法と用途に応じて冷間成形品や溶接管があり、それぞれJIS規格などに準拠しています。

製造方法の違いと特性

  • 熱間圧延（ホットロール）：高温の鋼塊を圧延して角棒を作る。寸法許容差は比較的緩やかだが大量生産に適しコストが低い。表面はスケール（酸化皮膜）が残ることがある。
  • 冷間引抜き・冷間圧延（コールドドローン）：室温付近で引抜・圧延して精密寸法、良好な表面粗さ、高い寸法精度を得る。引張強度が若干向上するが加工硬化や残留応力が発生し得る。
  • 角形鋼管の製造：フラットバーや鋼帯を成形し縦溶接して角形断面を作る溶接管と、シームレスな丸鋼を加工して作る方法がある。溶接部の品質管理が重要。

断面特性（設計で使う式）

角鋼の断面特性は設計・許容応力度計算や曲げ・座屈計算で必須です。代表的な式を示します（正方形側長をa、外側B、内側bとします）。

  • 正方形実心断面の断面二次モーメント（中立軸周り）: I = a^4 / 12
  • 正方形実心断面の断面係数（曲げモーメントに対する）: W = I / (a/2) = a^3 / 6
  • 角形中空断面（外辺B、内辺b）の断面二次モーメント: I = (B^4 - b^4) / 12
  • 角形中空断面の断面係数: W = I / (B/2) = (B^4 - b^4) / (6B)

これらの値と材料の許容応力度（引張強さや降伏点、許容応力度係数を用いる）を用いて曲げ・せん断・圧縮設計を行います。柱として用いる場合は座屈長さや断面係数だけでなく、細長比（断面二次半径で表される）や局所座屈の判定が重要です。

機械的性質と設計上の注意

  • 代表的な構造用鋼（例：SS400）の引張強さは目安として約400～510MPa、耐力（降伏近傍）は約245MPa程度が一般的に示されます（材種・熱処理で変動）。設計には必ず製品証明書や材質証明を確認してください。
  • 冷間加工品は引張強度が上がる一方、延性が落ちる場合がある。塑性変形を期待した設計では材質選定に注意が必要。
  • 角形鋼管は同じ断面二次モーメントでも質量が軽く、曲げ剛性・座屈耐力の面で有利。ただし溶接部やコーナー部の応力集中に注意。

加工・接合（切断・穴あけ・溶接・ねじ）

  • 切断：鋸（バンドソー）、プラズマ切断、レーザー切断、水ジェットなどが用いられる。角形鋼管は中空部の支持や反りが発生しやすいためクランプや内支えが必要。
  • 穴あけ・タップ：ドリルでの穴あけが一般的。中空断面は貫通時のバリや内側の面取りに注意。
  • 溶接：角鋼棒は一般溶接（アーク、MIG/MAG等）可能。角形鋼管は端部の肉厚、溶接ひずみ、通気（内部のガス抜き）や溶接前の内側処理が重要。厚板溶接では適切な仮止めや予熱・後熱処理を行い、割れや歪みを抑制する。
  • 曲げ加工：実心の角鋼棒を曲げる場合、角部の割れや断面歪に注意。中空角形鋼管は曲げ用のフィル（内支え）を用いることで断面のつぶれを抑えられる。

表面処理・防食対策

鋼は大気中で腐食するため、用途に応じた表面処理が不可欠です。

  • 亜鉛めっき（溶融亜鉛めっき）：屋外や土木用途で長期耐食性を得る代表的処理。角形鋼管は内部までめっきが行きにくい構造だが、連続めっき法や前処理で対応する。
  • 塗装・粉体塗装：外観や色指定がある場合に使用。塗膜の確認（付着性、膜厚）を行う。
  • 防食設計：接合部や継手は塗膜欠損が起きやすく、点検・補修をしやすい設計にする。

施工上の注意点

  • 搬入・保管時の保護：角材は端部保護、縦置き・横置きでの安定確保、雨ざらしを避ける。屋外保管すると酸化が早まるため、必要に応じて仮防錆処理を行う。
  • 取り付け精度：組立時に断面の角が合わないと接合ズレ・応力集中が発生する。加工時の公差管理が重要。
  • 溶接部の検査：外観検査のほか、重要構造では非破壊検査（浸透、超音波等）を行う。
  • 熱膨張・取り付け拘束：長スパンでの温度変化による伸縮を考慮した支持方法（スロット穴やスライド支持）を採用する。

選定ポイント：何を基準に角鋼を選ぶか

  • 荷重条件：曲げ主導か圧縮主導かによって断面形状（実心か中空か）、厚さを決定。
  • 耐食性：屋外・海岸近傍・化学環境ではめっき・ステンレス等高耐食材を検討。
  • 加工性：曲げやタップ、精密組立が必要なら冷間引抜き材や加工後の仕上げを考慮。
  • 経済性：同等の剛性を軽量で安価に実現するには角形鋼管が有利な場合が多い。

品質管理と検査項目

  • 材質証明（ミルシート）で化学成分・機械的性質を確認。
  • 外観検査：欠陥（割れ、凹み、めっきムラ）を確認。
  • 寸法検査：公差内かをチェック。
  • 必要に応じて非破壊試験（超音波、磁粉、浸透）を実施。

コストと調達の実務

角鋼の価格は鋼材相場（鉄スクラップ価格、鋼材市場）、製造方法（熱間・冷間）、表面処理、加工（切断、溶接）、物流で決まります。大量に使う構造材は定尺でのロスを最小化する切り出し計画、経済ロットでの手配、複数業者での相見積りが重要です。

環境面・リサイクル性

鋼はリサイクル率が非常に高く、建築・土木の角鋼も解体後の再資源化が容易です。設計段階から分解性やリサイクルを考慮した接合・仕上げ仕様を選ぶと、ライフサイクルコストの低減につながります。

よくあるトラブルと対策

  • 腐食による断面欠損：定期点検と早期補修、めっきや塗装の適正施行で防止。
  • 溶接割れ・ひずみ：適切な加熱処理・フィットアップ、不適切な溶接順序を避ける。
  • 取り付け精度不良：加工・組立図の入念なチェックと現場でのジャッキ調整。

実務的なチェックリスト（発注前・施工前）

  • 用途・荷重・耐食性を基に材質と断面を決定したか。
  • 寸法、公差、表面処理の仕様を明記した図面・仕様書があるか。
  • 製造者の品質保証（材質証明、溶接検査等）を要求しているか。
  • 現場での搬入・保管・取り付け手順を周知しているか。

まとめ

角鋼はそのシンプルな形状ゆえに用途が広く、選定・設計・加工・施工・維持管理の各段階で注意すべき点が多い材料です。断面特性や材料特性を正しく理解し、適切な表面処理と溶接・加工管理を行うことで、経済的で長寿命な構造を実現できます。特に中空角形鋼管は軽量で効率的な断面利用が可能なため、構造的な最適化でコストダウンにつながるケースが多い点も押さえておきましょう。

参考文献

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