出典：建築物衛生管理技術者試験令和3年度(2021年)｜建築物の構造概論第94問
問題
鉄骨構造とその材料に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) 降伏比の大きい鋼材は、靭性に優れる。
(2) 建築構造用鋼材は、降伏点又は耐力の上限と下限が規定されている。
(3) 鋼材の強度は温度上昇とともに低下し、1,000°Cではほとんど零となる。
(4) 軟鋼の炭素量は0.12〜0.30％である。
(5) 高力ボルト接合の締め付け時の余長は、ねじ山3以上とする。
ビル管過去問｜鉄骨構造の基礎知識｜降伏比・高力ボルト・鋼材強度を解説
この問題は、鉄骨構造に使われる鋼材の性質や、高力ボルト接合、温度による鋼材強度の変化などについての基本事項を確認する問題です。正答は(1)です。降伏比が大きい鋼材は、一般に塑性変形能力が小さくなりやすく、靭性に優れるとはいえません。一方で、建築構造用鋼材の降伏点又は耐力の規定、鋼材強度の高温時の低下、軟鋼の炭素量、高力ボルトの余長に関する記述は、いずれも適切な内容です。鉄骨構造では、強さだけでなく、変形能力や接合部の施工性まで含めて理解することが大切です。
(1) 降伏比の大きい鋼材は、靭性に優れる。
不適切です。降伏比とは、降伏点または耐力を引張強さで割った値のことです。降伏比が大きいということは、降伏してから破断に至るまでの余裕が小さいことを意味します。鉄骨構造では、地震や風などの外力を受けたときに、急に壊れるのではなく、ある程度変形しながらエネルギーを吸収する性質が重要です。このような粘り強さが靭性です。一般に降伏比が小さい鋼材のほうが、降伏後に十分な塑性変形をしやすく、構造物として望ましい性質を持ちます。そのため、降伏比が大きい鋼材は靭性に優れる、という表現は誤りです。
(2) 建築構造用鋼材は、降伏点又は耐力の上限と下限が規定されている。
適切です。建築構造用鋼材は、設計時に想定した性能を確実に発揮できるよう、降伏点または耐力の範囲が規格で定められています。下限だけでなく上限も定めるのは、強すぎる鋼材が必ずしも望ましいとは限らないためです。たとえば、想定以上に降伏点が高いと、部材や接合部のどこが先に変形するかという設計上のバランスが崩れるおそれがあります。鉄骨構造では、部材全体が計画どおりに変形し、必要な安全性を確保することが大切なので、こうした上下限の規定には大きな意味があります。
(3) 鋼材の強度は温度上昇とともに低下し、1,000°Cではほとんど零となる。
適切です。鋼材は常温では高い強度を持ちますが、加熱されると次第に強度や剛性が低下します。火災時に鉄骨造の耐火被覆が重要なのは、この性質があるためです。特に高温域では強度低下が著しくなり、1,000°C付近では構造材として期待できる強度はほとんど失われます。その結果、部材が自重や積載荷重を支えられなくなる危険があります。試験では、鋼材は燃えないから安全と考えるのではなく、高温に弱いという点をしっかり押さえておくことが重要です。
(4) 軟鋼の炭素量は0.12〜0.30％である。
適切です。軟鋼は、鋼の中でも比較的炭素量が少ない材料で、加工しやすく、溶接性や靭性にも優れています。炭素量が増えると一般に強度や硬さは上がりますが、その反面、もろくなりやすく、加工や溶接がしにくくなります。鉄骨構造で使われる鋼材では、単に強ければよいのではなく、現場での加工性や接合性、地震時の粘り強さも重視されます。そのため、軟鋼の炭素量として0.12〜0.30％程度という知識は、鋼材の基本的な性質を理解するうえで重要です。
(5) 高力ボルト接合の締め付け時の余長は、ねじ山3以上とする。
適切です。高力ボルト接合では、ボルトに適切な軸力を導入し、摩擦接合などで確実に力を伝えることが求められます。そのためには、ナットを締め付けたあとにボルト先端が適切に突出していることが必要です。この突出分を余長といい、一般にねじ山3以上を確保することが基本です。余長が不足すると、ナットが十分にかからず、所定の締付け性能が得られないおそれがあります。接合部は鉄骨構造の安全性を左右する重要な部分なので、こうした施工上の基準もよく問われます。
この問題で覚えるポイント
鉄骨構造では、鋼材の強さだけでなく、降伏後にどれだけ粘り強く変形できるかが重要です。降伏比は、降伏点または耐力を引張強さで割った値であり、これが小さいほど降伏後の塑性変形能力を期待しやすくなります。したがって、降伏比が大きい鋼材ほど有利と単純にはいえません。むしろ、地震時のエネルギー吸収性能を考えると、過度に大きい降伏比は不利に働くことがあります。 建築構造用鋼材では、降伏点や耐力に上限と下限が設けられています。これは、必要な強度を確保するためだけでなく、部材や接合部の力の流れを設計どおりに保つためです。試験では、下限だけでなく上限も規定される理由を理解しておくと応用が利きます。 鋼材は高温で急激に性能が低下します。特に火災時には、鋼材自体は燃えなくても、強度低下によって構造耐力を失うおそれがあります。そのため、耐火被覆が重要になります。鉄骨造は火に強いと誤解しやすいですが、正しくは不燃材料であっても高温には弱いという理解が必要です。 鋼材の炭素量は性質に大きく関係します。炭素量が少ない軟鋼は、強度は中程度でも、加工性、溶接性、靭性に優れ、構造用材料として扱いやすい特徴があります。炭素量が増えると硬く強くなる一方で、もろさや加工のしにくさが増す点も押さえておくと、材料問題に対応しやすくなります。 高力ボルト接合では、余長、締付け、摩擦接合の考え方など、施工に関する基準も重要です。ボルトは入っていればよいのではなく、所定の締付け性能が出る状態で施工されていることが必要です。ねじ山3以上の余長は、その基本的な確認事項として覚えておくと得点につながります。
ひっかけポイント
この問題の大きなひっかけは、強い材料ほどよい材料だと考えてしまう思考の罠です。降伏比が大きいという表現を見ると、数値が大きいのだから性能もよいはずだと感じやすいですが、鉄骨構造では降伏後の粘り強さが重要であり、数値が大きいことがそのまま有利とは限りません。強度と靭性は別の性質であることを区別する必要があります。 また、建築構造用鋼材の規定についても、最低限の強度だけが決められていると考えがちです。しかし実際には、強すぎても設計上不都合が生じるため、上限も規定されます。このように、規格は安全側に大きければよいという単純な発想では理解しにくい点が狙われやすいです。 さらに、鋼材は火に強いという日常感覚も誤答の原因になります。金属は燃えないので火災に強そうに見えますが、試験では燃焼の有無ではなく、高温で強度が低下するという構造材料としての弱点が問われます。日常感覚をそのまま持ち込まず、構造性能の観点で考えることが大切です。 施工分野では、高力ボルトの余長のような細かな数値があいまいになりやすいです。こうした問題は、概念だけ覚えていても正解できません。余長、締付け、ねじ山数など、実務的な基準値を数字とセットで押さえることが、確実な得点につながります。