ニュース - 鉄骨構造：現代工学における重要な構造システム

現代建築、交通、産業、エネルギー工学において、鉄骨構造は、材料と構造の両面で優れた強みを持ち、エンジニアリング技術の革新を牽引する中核的な力となっています。鋼材を中核の耐荷重材料として用いることで、工業化生産とモジュール式施工を実現し、従来の構造物の限界を克服し、幅広い複雑なプロジェクトに効率的なソリューションを提供しています。

鉄骨構造の定義と性質
鉄骨構造とは、次のような構造の荷重支持構造システムを指します。鋼板、鋼材（H形梁, Uチャンネル, アングル鋼など）、鋼管を溶接、高力ボルト、リベットで固定する構造です。その本質は、鋼材の高い強度と靭性を活かして、建物やプロジェクトから基礎へ垂直荷重（自重や機器の重量）と水平荷重（風や地震）を均等に伝達し、構造の安定性を確保することです。コンクリート構造と比較した鉄骨構造の核心的な利点は、その機械的特性にあります。引張強度は345MPa以上に達し、これは通常のコンクリートの10倍以上です。また、優れた塑性により、荷重を受けても破損することなく変形できるため、構造の安全性が二重に保証されます。この特性により、大スパン、高層、高荷重のシナリオでは鉄骨構造はかけがえのない存在となっています。

鉄骨構造の主な種類

（I）構造形態による分類
ゲートウェイフレーム構造：柱と梁を組み合わせ、「ゲートウェイ」型の骨組みと支持構造を組み合わせた構造で、工場、物流倉庫、スーパーマーケットなどの建物に適しています。一般的なスパンは15～30メートルですが、40メートルを超えるものもあります。部材は工場でプレハブ化できるため、現場での設置期間はわずか15～30日です。例えば、JD.comのアジアNo.1物流パークの倉庫では、主にこの構造が採用されています。
トラス構造：この構造は、直線状のロッドをノードで接続し、三角形または台形の形状を形成する構造です。ロッドは軸力のみを受けるため、鋼材の強度を最大限に活用できます。トラス構造は、スタジアムの屋根や橋の主径間によく使用されます。例えば、北京工人体育館の改修工事では、トラス構造を採用することで、120メートルの柱のないスパンを実現しました。
フレーム構造：梁と柱を強固に連結して形成される空間システムは、柔軟な間取りが可能で、高層オフィスビルやホテルの主流となっています。
グリッド構造：複数の部材（多くの場合、正三角形や正四角形のノード）で構成される空間グリッドは、強固な構造と優れた耐震性を備えています。空港ターミナルやコンベンションセンターなどで広く利用されています。

（II）負荷特性による分類
曲げ部材：梁に代表されるこれらの部材は、上部に圧縮モーメント、下部に引張モーメントを受ける曲げモーメントに耐えます。工場のクレーン梁のように、H形鋼や溶接箱形鋼が使用されることが多く、強度と疲労耐性の両方の要件を満たす必要があります。
軸方向荷重を受ける部材：トラスタイロッドやグリッドメンバーなど、軸方向の張力／圧縮のみを受ける部材です。タイロッドは強度を重視し、圧縮ロッドは安定性を重視して設計されます。一般的には、円筒形鋼管またはアングル鋼が使用されます。偏心荷重を受ける部材：フレーム柱など、軸力と曲げモーメントの両方を受けます。梁端部の荷重が偏心するため、力と変形のバランスをとるために、対称断面（ボックス柱など）が必要となります。

鉄骨構造の主な利点
（I）優れた機械的特性
高強度と軽量は、鉄骨構造の最大の利点です。同じスパンで比較すると、鉄骨梁の自重はコンクリート梁の1/3～1/5に過ぎません。例えば、30メートルスパンの鉄骨トラスの自重は約50kg/mですが、コンクリート梁は200kg/mを超えます。これにより、基礎工事のコストが20%～30%削減されるだけでなく、地震の影響も軽減され、構造物の耐震安全性が向上します。
（II）高い施工効率
鉄骨構造部材の90%以上は、工場でミリ単位の精度でプレファブリケーションされています。現場での設置は、吊り上げと接合のみで済みます。例えば、10階建ての鉄骨オフィスビルは、部材の製作から完成までわずか6～8ヶ月で、コンクリート構造に比べて工期を40%短縮できます。例えば、深センのプレファブリケーション鉄骨住宅プロジェクトでは、「7日間で1階分」という施工速度を実現し、現場の労働コストを大幅に削減しました。
（III）強い耐震性と耐久性
鋼鉄の強靭性により、地震発生時に変形によって鋼構造物のエネルギーを分散させることができます。例えば、2008年の汶川地震では、成都の鋼構造工場はわずかな変形にとどまり、倒壊の危険はありませんでした。さらに、防錆処理（亜鉛メッキやコーティング）を施すことで、鋼鉄は50～100年の耐用年数を実現し、コンクリート構造物に比べてメンテナンスコストを大幅に削減できます。
（IV）環境保護と持続可能性
鉄鋼のリサイクル率は90%を超えており、解体後に再製錬・加工が可能で、建設廃棄物による汚染を排除します。さらに、鉄骨構造は型枠やメンテナンスが不要で、現場での湿式作業も最小限で済みます。また、コンクリート構造に比べて粉塵排出量を60%以上削減できるため、グリーンビルディングの原則にも合致しています。例えば、2022年北京冬季オリンピックのアイスキューブ会場の解体後、一部の部材が他のプロジェクトで再利用され、資源循環が実現しました。

鉄骨構造の普及
（I）建設
公共の建物: スタジアム、空港、コンベンションセンター、展示センターなどでは、大きなスパンと広々としたデザインを実現するために鉄骨構造が採用されています。
住宅建築: プレハブの鉄骨構造住宅はますます人気が高まっており、個別の住宅ニーズを満たすことができます。
商業ビル：複雑な設計と効率的な施工を実現するために鉄骨構造を採用した超高層オフィスビルやショッピングモール。
（II）交通
橋梁工学：海上橋と鉄道橋。鋼橋はスパンが長く、耐風性や耐震性に優れています。
鉄道輸送: 地下鉄駅の屋根とライトレールの線路梁。
（III）産業
産業プラント：重機工場および冶金工場。鉄骨構造は大型設備の荷重に耐えることができ、その後の設備改造も容易です。
倉庫施設：コールドチェーン倉庫および物流センター。ポータルフレーム構造は、大スパンの保管要件を満たし、迅速な建設と迅速な運用開始を実現します。
（IV）エネルギー
発電施設：火力発電所の主要建屋および送電塔。鉄骨構造は、高荷重や過酷な屋外環境に適しています。新エネルギー：風力タービンタワーおよび太陽光発電架台システムは、軽量鉄骨構造を採用しているため、輸送と設置が容易で、クリーンエネルギー開発に貢献します。