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  1. HOME > 鋼構造の基礎 > 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

中空断面とは？断面係数・断面二次モーメントの計算と座屈への影響

この記事の要点

中空断面とは、断面の内部が空洞になっているもので、角形鋼管（□鋼管）や円形鋼管（○鋼管）が代表例だ。

同じ断面積（同重量）の中実断面と比べると、材料が外周に分散するため断面二次モーメントが大きくなる。

重量を抑えながら高い曲げ・座屈耐力を得られるのが中空断面の最大の利点だ。

断面二次モーメントの計算は「外形の値?内形の値」で求める。

角形鋼管では I = (B? - b?)/12 の形で表せる（B:外辺、b:内辺）。

板厚tが小さいほど軽くなるが、板座屈（局部座屈）に注意が必要だ。

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。

この記事では、中空断面とは何かを整理します。

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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（ちゅうじつざい）とは？中空材との違い・断面二次モーメントの比較

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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。

BCR295（冷間ロール成形角形鋼管）の規格｜基準強度295・寸法・重量・STKR違い

冷間成形角形鋼管（コラム）とは｜BCR・BCP・STKRの違いと柱材


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（ちゅうじつざい）とは？中空材との違い・断面二次モーメントの比較

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。

梁の曲げ応力度の計算と誘導方法｜公式の意味と建築設計への応用

応力度とは？種類・計算方法・応力との違い

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｜開断面との違い・座屈抵抗性と代表的な断面形状

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。（一級建築士 頻出：角形鋼管は閉断面で座屈・ねじれに強くXY方向の断面性能が等しいため柱に適している点が繰り返し出題）

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

まとめ

今回は中空断面について説明しました。意味が理解頂けたと思います。中空断面は、中が空洞の断面です。中実断面に比べて経済性が高いです。H形断面などに比べると、座屈やねじれに対する抵抗性も高いと覚えてください。下記の記事も勉強しましょう。

冷間成形角形鋼管（コラム）とは｜BCR・BCP・STKRの違いと柱材

中実材（ちゅうじつざい）とは？中空材との違い・断面二次モーメントの比較

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理解度チェック

Q.

中空断面とは何で、なぜ柱に適しているのですか？

答えを見る

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す。中実断面に比べて重量が軽く経済的に有利です。特に角形鋼管は断面性能が高く、x・y方向で断面性能が同じ（方向性がない）ため、色々な方向から地震力が作用する柱に適しています。

Q.

中空断面の座屈・ねじれへの抵抗性と、断面二次モーメントの求め方は？

答えを見る

中空断面は断面が閉じた閉断面のため、開断面（H形断面など）に比べてねじれや座屈に対する抵抗力が高くなります。断面二次モーメントは外形の値から内形（空洞）の値を引いて求め、角形は（bh3－b1h13）/12、円形は0.0491（d4－d14）です。

ハナダユキヒロ

この記事を書いた人

ハナダユキヒロミツメラボ

設計事務所に7年勤務。

2010年より「建築学生が学ぶ構造力学」を運営（16年以上）。

著書「わかる構造力学」「わかる構造力学（改訂版）」（工学社）。

わかる構造力学 わかる構造力学（改訂版）

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