中空断面とは？1分でわかる意味、断面係数、断面二次モーメント、面積、応力度、座屈の関係

この記事の要点

中空断面とは、中が空洞の断面のことで、角形鋼管や円形鋼管が代表例である。閉断面のため、座屈やねじれに対する抵抗力が高い。

中空断面の断面二次モーメントは外形断面から内部空洞断面を引いた値で求め、中実断面より軽量で経済的である。

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中空断面（ちゅうくうだんめん）とは、中が空洞の断面です。例として、角形鋼管や円形鋼管があります。今回は中空断面の意味、断面係数と断面二次モーメント、面積、応力度、座屈との関係について説明します。中身が詰まった断面を、中実断面（ちゅうじつだんめん）といいます。詳細は、下記が参考になります。

中実材とは？1分でわかる意味、読み方、断面二次モーメント、中空材

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中空断面とは？

中空断面とは、中が空洞の断面です。下図をみてください。これが中空断面です。

中空断面

中空断面は、主に鉄骨造の柱に使います。特に、中空断面である角形鋼管や鋼管（円形鋼管）は、一般的に使う鋼材です。角形鋼管は断面性能が高く、断面性能の方向性が無いです（ｘ、ｙ方向で断面性能が同じ）。よって、色々な方向から地震力が作用する「柱」に、角形鋼管は適しています。角形鋼管の特徴、規格は下記の記事が参考になります。

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コラム（冷間成形角型鋼管）とは何か？

また、中空断面は中が空洞のため、中実断面に比べて重量が軽いです。中実断面を使うより、経済的に有利です。中実断面の意味は、下記が参考になります。

中実材とは？1分でわかる意味、読み方、断面二次モーメント、中空材

中空断面の断面係数と断面二次モーメント

中空断面の断面二次モーメントは下式で求めます。

角形の中空断面　(bh^3－b1h1^3)/12

円形の中空断面　0.0491(d^4－d1^4)

下図に、上式で用いた記号を示します。

中空断面の断面二次モーメント

中空断面の断面係数は、下式で求めます。

角形の中空断面　(bh^3－b1h1^3)/6h

円形の中空断面　0.0982 (d^4－d1^4)/d

下図に、上式で用いた記号を示します。

中空断面の断面係数

中空断面の面積

中空断面の断面積は、下式で計算します。

角形の中空断面　Bh－b1h1

円形の中空断面　0.785(d^2－d1^2)

下図に、上式で用いた記号を示します。

中空断面の断面積

中空断面の応力度

中空断面の応力度も、他断面の応力度計算方法は同じです。曲げモーメント、軸力、せん断力に対する応力度の算定方法は、下式を参考にしてくださいね。

梁の曲げ応力度と誘導方法

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中空断面と座屈、ねじれの関係

中空断面は、断面が閉じた形状です。これを閉断面といいます。閉断面は、ねじれや座屈に対する抵抗力が高いです。同じ大きさの中空断面とH形断面があります。どちらが座屈しそうですか？何となく、H形断面が弱そうに見えますよね。

その通りです。H形断面のように、閉じていない断面を開断面といいます。閉断面、開断面の意味は下記が参考になります。

閉断面とは？1分でわかる意味、開断面との違い、断面二次モーメント、座屈との関係

開断面とは？1分でわかる意味、読み方、閉断面との違い、ねじれ、座屈との関係

混同しやすい用語

中実断面（ちゅうじつだんめん）

中実断面とは、内部が詰まった断面のことで、丸鋼（丸棒）や角棒などが代表例である。

中空断面が内部に空洞を持つ閉断面であるのに対して、中実断面は内部が詰まっているため同じ外形でも重量が重く、座屈への抵抗力も中空断面に劣る点で異なる。

試験での問われ方｜管理人の一言

建築士試験では「角形鋼管は閉断面で座屈・ねじれに強い」「x・y方向で同じ断面性能を持つため柱に適している」という点が問われやすい。中空断面と中実断面の違い、開断面と閉断面の違いもセットで覚えておこう。

中空断面と中実断面の特徴を整理した表を示します。

項目	中空断面	中実断面
代表例	角形鋼管・円形鋼管	丸鋼・角棒
重量	軽い（経済的）	重い
座屈・ねじれ	閉断面で抵抗力が高い	開断面より抵抗力が低い