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トラス構造とは？強さの理由・メリット・デメリット・計算法を解説

この記事の要点

トラス構造とは部材を三角形に組み、節点をピン接合にした構造で、曲げモーメントやせん断力が概ねゼロとなるため部材が軸力（圧縮・引張）のみで設計できる。

大スパンを軽量・合理的に実現できるのがメリットで、体育館・ドーム・橋などに用いられるが、施工が複雑で費用が高くなりやすいのがデメリット。

この記事では、トラス構造とは何か、強さの理由はどこにあるのか、メリット・デメリットと計算法はどのようなものかを整理します。

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トラス構造とは、部材を三角形になるように組んだ構造物です。部材の接合部（節点）は"ピン接合（自由に回転できる接合）"とします。

タップできる目次

トラス構造とは？

トラス構造

つまり、下記の２点がトラス構造の大きな特徴です。

・三角形に組んだ構造・接合部はピン接合（自由に回転できる接合）

なお、"自由に回転できる"とは、「節点の曲げモーメントはゼロになる」ことを意味します。

トラス部材では曲げモーメント、せん断力が概ねゼロとなるため、トラス部材は圧縮力または引張力（軸力）のみに対して設計を行います。

トラス部材では曲げモーメント、せん断力が概ねゼロとな

部材は曲げモーメントやせん断力に弱いですが、圧縮力や引張力（とくに引張力）に対して強いです。

よって、トラス構造は、主に大スパン構造（体育館やドーム、橋）などに利用される構造形式の1つです。

下図をみてください。これはトラス構造を利用した橋です。このように部材同士を三角形につなぎ合わせた構造形式が「トラス構造」です。

（写真元：写真素材足成さんから引用）

今回はトラス構造の仕組み、メリット、デメリット、計算法、トラス構造の種類について説明します。

また、トラス構造とラーメン構造の違いを説明します。ラーメン構造の詳細は、下記が参考になります。

ラーメン構造とは？1分でわかる意味、特徴、由来、メリットとデメリット

トラス構造とは？

トラス構造は部材を三角形に組んだ構造です。さらに、部材の接合部（節点）はピン接合（自由に回転できる構造）とします。

トラス構造

"自由に回転できる"とは、「節点の曲げモーメントはゼロになる」ことを意味します。

トラス部材では曲げモーメント、せん断力が概ねゼロなので、トラス部材は圧縮力または引張力（軸力）のみに対して設計を行います。

トラス部材では曲げモーメント、せん断力が概ねゼロとな

なお、ピン接合にする具体的な方法は

隅肉溶接

です。

トラス構造はなぜ強い？

トラス構造は、なぜ強いのでしょうか？

三角形と四角形の違い

それは

・トラス構造の形と接合部が関係

しています。前述したようにトラス構造の大きな特徴は

・三角形に組んだ構造
・接合部はピン接合（自由に回転できる接合）

です。トラス構造の節点はピン接合なので、トラス部材では

・曲げモーメント＝０、せん断力＝０

です。

さらに、トラス構造は部材を三角形に組んでいるため、部材には余計な力や変形が作用せずに

・部材には圧縮力または引張力のみ作用する構造

となります。部材は曲げモーメントやせん断力に弱いですが、圧縮力や引張力（とくに引張力）に対して強く、要するに

三角形は四角形に比べて「強い」構造

です。

試しに、紙で三角形と四角形を作ってみください。指で押してみると、四角形は簡単に変形します。一方、三角形は堅いはずです。

この性質を利用したのが、トラス構造です。

三角形と四角形の違い

これは前述した曲げモーメントが関係します。

前述したように、部材は曲げモーメントやせん断力に弱いですが、圧縮力や引張力（とくに引張力）に対して強いです。

よって、曲げモーメント、せん断力の発生しないトラス構造は「大きな力に耐えられる構造」で、トラス構造は大空間構造（体育館やドーム）や、長い橋梁に利用されます。

例えば名古屋ドームの屋根はトラス構造です。※トラス構造は、様々な橋に利用されます。

橋の構造とは？12種類の名称・特徴・強度と建築ラーメン構造・トラス構造との関係

トラス構造の橋とは｜なぜ強いのか、種類と構造計算をわかりやすく解説

下図に示す京都駅アトリウムは原広司さん＋アトリエファイ建築研究所の意匠設計で、構造設計は木村俊彦さんと金箱構造設計事務所による設計です。

軽快でスレンダ―なトラス構造ですよね。

（写真元：写真素材足成さんから引用）

トラス構造の特徴を、下記に整理しました。覚えておきましょう。

・部材同士で構成される形状が三角形であること
・部材同士の節点がピン接合であること

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トラス構造とラーメン構造の違い

部材（柱と梁）の接合部が回転しないようガッチリかためた（剛接合した）構造を「ラーメン構造」といいます。

トラス構造とラーメン構造の違い

一般に、四角形は安定性に欠ける構造です。下図のように水平力が作用すると、四角形は平行四辺形のように変形します。

四角形は安定性に欠ける構造

そこで柱と梁の接合部を剛接合して「ガッチリ固める」のです。ガッチリかためると接合部は自由に回転できないので、力が作用しても変形は小さく済みます。

柱と梁の接合部を剛接合して「ガッチリ固める

柱と梁を剛接合することで柱と梁を一体化すれば、地震が来ても柱と梁が一体として抵抗するので強くなります。

普通、四角形は弱い形ですが、上記の工夫（剛接合）をすることで立派な耐震構造となります。

ラーメン構造は空間を広く取れる（斜材が無い）ので、現在、ほとんどの建物に採用されています。

剛接合とピン接合の意味と、納まりと構造性能の違い

ただし、接合部が自由に回転できない分、部材には曲げモーメント（曲げる力）やせん断力（ずらす力）が作用します。

部材には曲げモーメント（曲げる力）やせん断力（ずらす力）が作用

前述したように、部材は曲げモーメントやせん断力に弱いので、ラーメン構造の場合、曲げモーメントやせん断力に耐えられる部材断面（部材の大きさ）が必要です。よって、トラス構造とラーメン構造では

・トラス構造　⇒　部材断面は比較的"小さくできる"
・ラーメン構造　⇒　部材断面は比較的"大きくなる"

という違いがあります。またラーメン構造については下記が参考になります。

ラーメン構造とは？1分でわかる意味、特徴、由来、メリットとデメリット

以上、ラーメン構造の特徴は下記の通りです。

・ラーメン構造は節点を剛接合することで柱と梁を一体化する構造
・斜材が無いので、空間を広くとれる
・トラスに比べると、変形しやすい
・小規模、中規模の建築物に広く採用される構造形式

トラス構造のメリット

トラス構造のメリットを考えます。トラスは部材の接合部をピン接合にします。

且つ、三角形の形状であるため、部材には軸力しか発生しません。軸力の意味は、下記が参考になります。

軸方向力とは？1分でわかる意味、読み方、軸力との違い、求め方、圧縮

トラスとラーメン構造の違い

例えば四角形に力を作用させます。すると、四角形は力を受けて曲がってしまいます。

一方、三角形は力に対して「曲がる」ではなく、「縮む」又は「伸びる」ような変形をします。

「曲がる」という変形が起きる部材には、曲げモーメントが作用しています。しかし、「縮む、伸びる」変形には軸力しか作用していません。

同じ大きさの部材でも、曲げモーメントが作用する部材と、軸力のみ作用する部材では、後者が圧倒的に有利です。

つまり、軸力のみ作用する部材は効率的な断面が選定できます（部材を小さくできる）。

効率が良い断面形状とは｜I形・H形断面が曲げに強い理由

以上、トラス構造のメリットを下記に示します。

・部材間には軸力しか作用しない。
・よって、細い部材で構造物を構成することが可能。
・大規模空間の屋根構造等にも適した構造形式である。
・軽快で細い部材で建築物を創ることができ、意匠的にも魅力がある。

トラス構造が強い理由は？軸力のみで成り立つ仕組みと力の流れ

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トラス構造のデメリット

トラス構造はメリットの大きな形式ですが、下記のデメリットもあります。

・施工が面倒

・トラス架構としての「せい」が大きい

１つは施工が面倒と言う点です。トラス構造は、上弦材、下弦材、束材、斜材という部材が必要です。部材が交錯する点は、どうしても接合部が複雑になりがちです。

２つめは、トラス架構としての梁せいが大きい点です。下図をみてください。トラス構造は、各部材に作用する応力は小さいのですが、その分、高さを大きくします。

一般的な構造物では、階高に制約があるためトラス構造は採用できないのです。

トラス梁のデメリット

トラス構造のデメリットは？｜施工費用・複雑さと有名建築物の事例

トラス構造の計算方法

ではトラス構造に作用する部材力（応力）は、どのように計算するのでしょうか。計算方法は、下記のように２つあります。

・節点法
・断面法

それぞれ下記が参考になります。是非、勉強に役立ててくださいね。

節点法とは？トラスの軸力の求め方と計算手順

断面法とは？リッター法・クルマン法の計算手順と節点法との違い（例題付き）

クルマン法とは｜リッター法との違いとトラスの部材力計算の手順を解説

トラスの部材力を素早く判定する方法｜節点法と断面法の使い分け

さて今回は、節点法を使って下図のトラスに作用する部材力を計算します。※とても簡単なトラスについて解きます。

少し複雑な形状や、詳細な解き方は上記の記事を参考にしてください。

トラスに作用する部材力

まず反力を計算します。外力は下向きにＰなので、反力Ｒは下記です。

Ｒ＝Ｐ／2

斜材の部材力をＮ1、水平材の部材力をＮ2とします。節点法は、節点周りの外力と応力の釣り合いから未知数を解く方法です（外力＝応力になる関係）。

また部材力は「引張力として作用している」と仮定します。別に圧縮力として仮定しても良いのですが、一応そういう慣習です。

つまり引張力が作用する部材は「正の値」、圧縮力が働く部材は「負の値」です。

Ｎ1を鉛直、水平成分に分けます。正三角形なので1：2：√3の関係より鉛直成分は、

Ｎ1×√3／2+Ｐ／2＝0
Ｎ1＝－Ｐ／√3（圧縮力）

次に水平材の部材力Ｎ2を計算します。水平方向に外力は作用していません。よって、Ｎ1との釣り合いを考えます。

Ｎ1×1／2+Ｎ2＝0
－Ｐ／√3×1／2+Ｎ2＝0
Ｎ2＝Ｐ／2√3（引張力）

です。以上のように、斜材は圧縮力が、水平材には引張力が「圧縮力の半分だけ」作用します。部材に曲げモーメントが一切作用しませんね。

トラスの種類とトラス橋

「トラス」は、三角形の組み方により沢山の種類に分けられます。最も一般的なトラス構造が、ワーレントラスです。下図に示します。

ワーレントラス橋

ワーレントラスとは？鉛直材なしの特徴・軸力計算・プラットトラスとの違い

トラスの種類が良く分かる構造物が、トラス橋です。建築物は、天井や壁に隠されて構造材が見えません。

トラス橋は、構造部材がそのままトラス構造を表現するので一目瞭然です。詳細は下記が参考になります。

トラス構造の橋とは｜なぜ強いのか、種類と構造計算をわかりやすく解説

下図は、プラットトラス構造です。

プラットトラス

プラットトラスとは？1分でわかる意味、特徴、計算、ハウトラスとの違い

混同しやすい用語

トラス構造

部材を三角形に組み、節点をピン接合にした構造形式。

部材には軸力（圧縮・引張）のみが発生し、曲げモーメントやせん断力は概ねゼロになる。

ラーメン構造は節点を剛接合にするため梁・柱に曲げモーメントが発生する。

トラス構造は節点がピン接合で「軸力のみ」という点がラーメン構造と根本的に異なる。

ラーメン構造

柱と梁を剛接合（溶接・モノリシック）でつないだ構造形式で、曲げモーメントやせん断力を部材全体で負担する。

住宅・マンション・ビルに広く採用。

トラス構造が「三角形＋ピン接合＋軸力のみ」であるのに対し、ラーメン構造は「矩形フレーム＋剛接合＋曲げ・せん断も負担」という点で設計思想が異なる。

トラス構造を整理した表を示します。

項目	内容	備考
構造の特徴	部材を三角形に組み、節点をピン接合にした構造形式	部材には軸力（圧縮・引張）のみが発生
メリット	大スパンを軽量・合理的に実現できる	体育館・ドーム・橋などに採用
デメリット	節点（接合部）の数が多く施工が複雑で費用が高くなりやすい	ラーメン構造と比べて工期が長い場合がある