I形鋼とは？断面特性・製造・設計・施工・耐久性まで徹底解説（建築・土木向け）

2025年12月28日 最終更新日時 : 2025年12月28日 エバープレイ編集部

はじめに — I形鋼の基本概念

I形鋼（I形断面鋼材、一般にIビーム・H形鋼を含む）は、中央に薄い板（ウェブ）と上下に幅のある板（フランジ）を持つ断面形状を特徴とする鋼材です。フランジが広く平行なものを「H形鋼」、フランジが細くテーパー状のものを「I形鋼」と区別する場合がありますが、用途上は同列で扱われ、曲げ・圧縮に対して高い効率を発揮します。本稿では形状、製造・材料、断面特性、構造設計上のチェック項目、施工・接合、耐久性対策、選定のコツまで、建築・土木の実務で役立つ観点から詳述します。

I形鋼の断面形状と名称

I形鋼は外観から上下フランジと中央のウェブで構成されます。主要な幾何パラメータは以下の通りです。

  • フランジ幅（bf）
  • フランジ厚さ（tf）
  • ウェブ高さ（h または d） — フランジ間の有効高さ
  • ウェブ厚さ（tw）
  • 断面二次モーメント（I）および断面係数（W = I/（y_max））

これらの寸法が断面性能（曲げ剛性、せん断耐力、座屈特性）を決定します。デザインでは主に曲げに対する断面係数Wと剛性EI、せん断に対するウェブの耐力、長柱・梁の座屈挙動が重要です。

寸法規格・材料規格

日本国内では形鋼の寸法・許容差についてJIS規格（例: JIS G 3192「形鋼の寸法及び許容差」）が参照されます。材料は用途に応じて選ばれ、代表的な鋼種には圧延鋼材のSS材（JIS G 3101 SS400 等）や、溶接構造用高張力鋼（JIS G 3106 SM490・SM520 等）があります。橋梁・高層建築など荷重が大きい用途では高強度鋼が選ばれることが多く、同一断面でより高い耐力が得られます。

製造方法

  • 熱間圧延（hot rolling）: 工場で所定の断面形状に圧延された形鋼。寸法精度・表面状態が良好で、一般的なH/I形鋼はほとんどがこの方法で供給されます。
  • 組立（built-up）: 大断面や特殊断面は平鋼やフランジを溶接して作ることがあります。現場での重ね材やプレートを用いたビルトアップ断面は、断面性能のカスタマイズに有効です。
  • 溶接加工・切断: ガス切断、プラズマ切断、CNC穴あけ、フランジの切欠きなどが行われます。加工後は溶接などで接合して部材化。

断面特性と設計上の基本式

主な式（構造設計の基礎）を示します。ここでは概念式を示しますが、詳細は設計規準に従ってください。

  • 曲げ応力度: σ = M / W（M：曲げモーメント、W：断面係数）
  • せん断応力度（概念）: 平均せん断応力度 τ = V / (ウェブ断面積) ただし詳細にはτ = VQ / (I tw) を用いる（Qはウェブ上部の一時モーメント、twはウェブ厚）
  • 曲げ剛性: EI（Eは弾性係数、Iは主軸周りの断面二次モーメント）

また、座屈（局部座屈・弾塑性座屈・横座屈など）に対する検討が重要です。長い梁は横ねじれ座屈（lateral-torsional buckling）を生じるため、座屈長さ、有効支持条件、断面のねじれ剛性が設計に影響します。

設計上のチェック項目（実務で必須）

一般的なチェック項目を列挙します。設計は各種規準（日本建築学会の仕様、建築基準法、土木系規準など）に従って実施してください。

  • 曲げ強度: 設計曲げモーメントに対する断面耐力（耐力 = 材料強度 × 断面係数）を確認
  • せん断強度: ウェブのせん断破壊やせん断座屈を評価
  • 局部座屈: 薄いフランジやウェブの局所的な座屈を評価（フランジ幅厚さ比 bf/tf、ウェブ高さ厚さ比 h/tw が指標）
  • 横座屈（Lateral-torsional buckling）: 梁の支持条件や圧縮フランジの拘束状態で臨界曲げモーメントを評価
  • 変形（たわみ）: 使用限界に対するたわみ検討（目安：用途によりL/250〜L/360程度を採用することが多い）
  • 疲労: 繰返し荷重を受ける橋梁やクレーン等では疲労耐久の評価（詳細なスリット・溶接形状の影響）
  • 接合部の検討: せん断力、曲げを受ける継手の板厚・ボルトグレード・溶接の詳細検討

接合・施工上のポイント

  • ボルト接合: 高力ボルト接合（グレード8.8等）は現場での組立性が良く、摩擦接合や突合せプレート接合が多用されます。
  • 溶接: フランジ突合せ溶接やスタッド溶接（複合梁でコンクリートスラブと一体化するため）など。溶接歪みに対する管理が必要です。
  • 重量と扱い: 大断面は重量が大きく、建方用クレーンや仮支持、リフティングポイントの配慮が不可欠です。
  • 補強（ウェブスタッファー）: 高せん断・集中荷重がかかる箇所ではウェブにスタッファー（補強板）を設けることで局部座屈を抑制します。

複合梁・耐火・耐食対策

複合梁として用いる場合、鋼梁の上にコンクリートスラブを敷き、スタッド等のせん断補強で一体化すると断面性能の向上とたわみ低減が得られます（鋼・コンクリート複合梁）。

耐火対策は鋼材が高温で急激に降伏・軟化するため重要です。一般的な対策は不燃被覆（コンクリート覆工・耐火被覆板）や膨張性塗料（インチュメッセント塗料）による被覆で、必要な耐火時間に応じた処理が行われます。

耐食対策では溶融亜鉛めっき（HDG）、防錆塗装（亜鉛リッチプライマー＋中塗り・上塗り）、環境に厳しい場所ではC4/C5相当の塗膜設計を採用します。海岸近接地や化学薬品飛散環境ではより厳格な表面処理が必要です。

設計上の実務的な注意点（現場と設計のギャップ回避）

  • 寸法公差と組立: 圧延品はJIS許容差があり、梁同士の突合せやボルト孔位置は余裕をもって設計する。
  • 溶接・穴開けの影響: 圧延材に対する現場穴あけやガス切断は応力集中を生むため、詳細部では補強・面取り等を検討。
  • 施工順序: 部材の取り付け順序で一時的な支持条件が変化し、座屈や過大たわみが生じることがあるため、仮支持の検討が重要。
  • 耐久保守計画: 塗膜の経年劣化、継手の緩み、腐食の進行を定期点検で把握し、計画的な再塗装・補修を行う。

用途別の実例（建築・土木）

  • 建築梁・柱: 床梁、桁、耐力壁を設けないラーメン構造の梁・柱として多用。高層建築ではH形断面の柱が一般的。
  • 橋梁: 主桁・トラスの上部材・下部材として大型断面が使われ、疲労や疲労亀裂対策が重要。
  • 工場・倉庫の架構: 長スパンの屋根梁やクレーン走行用桁（クレーンビーム）は断面のねじり剛性・局所座屈対策が必要。
  • 特殊構造: 組立造船台、プラント構台などではビルトアップ断面や特殊厚板で対応。

選定のコツ（設計者向け）

  • 荷重特性を正確に把握する: 恒荷重・積載荷重・衝撃・疲労など用途による荷重特性で最適断面が変わる。
  • 断面率（I/A）を比較する: 曲げ剛性を重視する場合は断面二次モーメントIが大きい断面を選ぶ。
  • 施工性を加味する: 取り扱い重量、現場での接合・組立作業のしやすさを評価。
  • 将来のメンテ性を考える: 塗装・塩害・点検性を考慮した設計にする。

まとめ

I形鋼は高い曲げ剛性と材料効率を活かして建築・土木分野で広く用いられる基本的な鋼材です。実務では断面特性（断面二次モーメント、断面係数）、座屈および局部不安定性、せん断性能、接合ディテール、耐火・耐食対策といった多面的な検討が必要です。規格（JIS）や日本建築学会・土木系規準に基づき、荷重条件と施工条件を踏まえた断面選定・接合設計・保守計画を行うことが安全で経済的な構造物をつくる鍵となります。

参考文献

カテゴリー
建築・土木
前の記事
ワークライフインテグレーション徹底解説：導入手順・利点・課題と実践策New!!
2025年12月28日
次の記事
野球の『ベンチ』完全ガイド：戦術・役割・マナーとベンチワークの極意New!!
2025年12月28日