中空鋼管（HSS）の構造特性と設計・施工・防食対策 — 建築・土木向け総合ガイド

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：中空鋼管とは何か

中空鋼管（Hollow Steel Section、以下「中空鋼管」）は、断面が円形、角形、長方形などで内部が空洞になっている鋼製の管材を指します。軽量で高い断面二次モーメントとねじり剛性を持つため、ビルの柱、トラス材、橋脚、杭、照明柱、ファサードの意匠部材など、建築・土木の幅広い用途で用いられます。本稿では種類・製造法・材料特性・構造挙動・設計上の注意・接合・防食・耐火・施工・検査・実務上のポイントまで、実務で役立つ情報をできるだけ網羅的にまとめます。

種類と規格

中空鋼管は形状別に大別すると、円形（CHS: Circular Hollow Section）、角形（SHS: Square Hollow Section）、長方形（RHS: Rectangular Hollow Section）があります。呼称や寸法、公差、機械的性質については各国の規格（日本ではJIS、欧州EN、米国ASTM/AISCなど）で定められており、用途や設計条件に応じて規格品を選定します。

  • 円形（CHS）：曲げが複合的に作用する柱や橋脚、杭に適する。円断面は曲げ軸がどこであっても同一の断面係数を示すため、曲げ方向が不確定な荷重条件に有利。
  • 角形・長方形（SHS/RHS）：接合・加工（切欠き、フランジ溶接など）が容易で、架構部材や梁、トラスのメンバーに多用。

製造方法

主要な製造法には以下があります。

  • シームレス（無縫）製管：鋼塊を加熱・穿孔して作る。厚肉・大径で一部の高応力用途に使われる。
  • 溶接管（溶接継目あり）：帯鋼を成型して継ぎ目を溶接する方法が一般的。電気抵抗溶接（ERW）、スパイラル溶接（SSAW）、アーク溶接（SAW）などがある。コスト面で有利で寸法のバリエーションが豊富。
  • 熱間押出や冷間成形：熱間成形（EN 10210相当）や冷間成形（EN 10219相当）で性能と寸法精度を確保。

材料特性と品質管理

中空鋼管は使用される鋼材の化学成分・機械的性質（降伏点、引張強さ、伸び）に依存します。一般的には炭素鋼や低合金鋼が使われ、耐候性鋼（Cortenなど）やステンレス、中空断面を用いた耐食仕様もあります。規格品は引張試験、硬さ、非破壊検査（超音波検査、放射線検査）で品質確認が行われます。

構造的特性：強度・剛性・座屈挙動

中空鋼管は断面効率が高く、同じ断面積で実効断面二次モーメントが大きいため柱材などに有利です。また円断面はねじり剛性が高く、ねじりや偏心荷重に強いという特徴があります。

  • 圧縮（軸力）設計：軸圧縮においては全体座屈（Euler座屈）と局部座屈（シェル状局部座屈）が問題になります。薄肉でスレンダーな場合は局部座屈が先に生じるため、設計曲線や幅厚比（b/t相当）による補正が必要です。
  • 曲げ設計：円断面は曲げ方向に無関係な断面係数を持つため偏心荷重やランダムな風荷重に有利。角形断面は溶接ラインやコーナー部の応力集中に注意。
  • ねじり設計：中空断面は実効断面係数が大きく、ねじりに強い。特に円形は最も効率が良い。

設計上の実務的注意点

設計者が実務で注意すべき点を挙げます。

  • 座屈対策：部材の有効長、拘束条件、座屈長さを正しく評価し、局部座屈を回避するために厚さや補強（リブ、内部補強）を検討する。必要に応じて部分的に中に充填（コンクリート充填）して複合柱とする。
  • 開口・切欠：配管や結合のための穴あけは強度低下と疲労集中を招く。規格や設計手法に従い、穴の位置や大きさ、補強方法（補強板、リング溶接など）を決定する。
  • 接合詳細：CHS同士、CHSとフラット材の溶接は專門的な配慮が必要。全面貫通溶接やフランジ溶接、ガセットプレート併用などが一般例。角形は平面接合が容易だが、角部の開先形成や応力集中に注意。
  • 疲労設計：橋梁やトラスなど繰返し荷重のある部材は溶接部の疲労に注意。溶接形状、連続性、仕上げ（グラインディング）で疲労寿命を確保する。

接合・継手・施工技術

中空鋼管の接合は用途により様々です。一般的な接合法には以下があります。

  • 溶接接合：現場溶接・工場溶接ともに広く用いられる。CHS同士の突合せ溶接は円形開先やフィレット溶接で行われるが、完全貫通溶接が求められる場合もある。溶接熱による歪み対策として仮締めや適切な溶接シーケンスが重要。
  • ボルト接合・フランジ：大径管や分解可能な架設でボルト接合が多用される。ボルト孔の扱いは耐力に影響するため、設計段階から考慮する。
  • 内部補強：端部の座屈防止や荷重伝達を良くするためにリング状の内部補強材や充填材（コンクリート）を用いる。

腐食と防食対策

鋼は腐食に弱いため、防食対策は寿命に直結します。海岸近傍や土中に埋設する場合、特に注意が必要です。

  • 表面処理：溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっき、フッ素系・エポキシ系塗装など。溶接部の防錆処理（めっきの再処理や塗膜の局部補修）も忘れてはならない。
  • 複合コーティング：下地処理＋エポキシ系＋ポリウレタン等の上塗りで二重防御。海洋構造物では高性能な複合系塗装が用いられる。
  • 被覆・埋設：橋脚の基礎や杭では被覆材や腐食抑制剤、カソード防食（犠牲陽極や印加電流）を併用することが多い。
  • 点検と維持管理：塗膜の劣化は定期点検で早期発見し、補修を行うことが長寿命化の鍵。

耐火・耐震・複合化（コンクリート充填）

中空鋼管は薄肉であることが多く、加熱時の強度低下や残留応力が問題となることがあります。

  • 耐火対策：耐火被覆（繊維系、セラミック系）、不燃材での包覆、あるいはコンクリート充填が考えられる。コンクリート充填は耐火性を高め、局部座屈の抑制と耐震性能向上に寄与する。
  • 耐震設計：HSSの継手・突合せ部は塑性化のしやすさを考慮し、粘り強い塑性化挙動を確保するための接合詳細（連続溶接や適切な板厚の選択）が重要。
  • 複合柱：中空鋼管にコンクリートを充填した複合柱は断面性能・座屈抑制・耐火性の観点から有効。設計では複合効果と相互作用を評価する必要がある。

施工・据付・検査

施工段階では以下の点に注意します。

  • 取扱い：吊り荷重時の支持点、曲げ・衝撃による座屈や凹みを避ける。大径で薄肉の管は輸送および取扱い中の損傷に注意。
  • 溶接施工管理：溶接の資格・手順（WPS）、加熱前処理・後処理、非破壊検査（VT、PT、UT、RT）を実施。
  • 寸法公差・据付精度：埋込部の位置精度、長さ調整のためのスプライス（継手）設計、ボルト孔の位置精度管理。
  • 現場検査：防食塗装の膜厚チェック、めっきの有無や品質、溶接部の外観・内部検査、貫通穴や切欠部の補強確認。

用途事例

中空鋼管は多用途です。代表的な用途を示します。

  • 建築：柱、ラーメンの間柱、ファサードの意匠材、エントランスの支柱。
  • 土木：橋梁の桁・支柱、上部構造のトラス、海岸構造物の杭、照明塔・塔状構造。
  • 特殊用途：耐震補強材、既存構造物の補強ジャケット（鋼管巻き立て）、風力タワー。

コスト・ライフサイクル・環境面

中空鋼管は軽量で部材効率が良いため、材料費・輸送・施工の総コストで有利になる場合が多い一方、薄肉鋼管は防食対策で生涯コストが増すこともあります。鋼は高い再生利用率を持ち、リサイクル性と鉄鋼メーカーの省エネ・低炭素鋼の取り組みを考慮すると環境面でも評価できます。設計段階でライフサイクルコスト（LCC）評価を行い、防食・保守計画を組み込むことが望ましいです。

設計者への実務的チェックリスト

設計・施工で後悔しないためのチェックリストを簡潔に示します。

  • 用途に応じた断面形状（CHS/SHS/RHS）の選定が適切か。
  • 荷重条件（軸・曲げ・ねじり・疲労）に基づく断面・厚さの検討。
  • 座屈や局部座屈を考慮した有効断面の評価。
  • 接合詳細（溶接・ボルト・フランジ）と現場での施工性を両立しているか。
  • 防食仕様（めっき・塗装・被覆・カソード）を環境条件に合わせて設定しているか。
  • 耐火・耐震、必要ならばコンクリート充填などの複合化の検討。
  • 検査・保守計画（点検間隔、補修方法、予算）を明確化しているか。

まとめ

中空鋼管は高い断面効率、ねじり剛性、意匠性を兼ね備え、建築・土木で多様な役割を果たします。一方で薄肉による局部座屈や腐食、溶接部の疲労などの課題もあります。適切な材料選定、設計（座屈評価・接合詳細）、防食・耐火対策、そして定期的な維持管理を組み合わせることで、信頼性の高い構造部材として長期にわたり機能させることが可能です。実務では関連規格（ASTM、EN、JISなど）や設計ガイド（AISCなど）に従い、必要に応じて試験データやメーカー仕様を照合してください。

参考文献

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建築・土木
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