- せん断剛性ってどういう量？
- 公式はどう書くの？
- 単位はN/mm²で合ってる？
- せん断弾性係数とどう違うの？
- 曲げ剛性（EI）とは別もの？
- 建築のどこで使うの？
上記の様な悩みを解決します。
せん断剛性は、部材がせん断力を受けたときに「どれだけ変形しにくいか」を示す量で、ヤング率や曲げ剛性と並んで構造設計の中心にある概念です。耐震壁の挙動、層間変形角、短スパン梁のたわみなど、せん断剛性を意識するべき場面は思った以上に多いです。
なるべく分かりやすい表現で記事をまとめていくので、初心者の方にも理解しやすい内容になっているかなと思います。
それではいってみましょう！
せん断剛性とは？
せん断剛性とは、結論「部材がせん断力に対してどれだけ変形しにくいかを表す量」のことです。
英語では Shear Stiffness と呼ばれます。
具体的には、せん断弾性係数 G に断面積 A をかけたもの、
せん断剛性 = G × A（=GA）
で表され、せん断たわみの式に登場する分母として効いてきます。GA が大きい部材ほど、せん断力に対してびくともしません。
「せん断」とは、ハサミで紙を切るときのように、面を平行にずらそうとする力のことです。せん断力 Q が部材に作用すると、断面はせん断応力で抵抗しつつ、わずかにずれて変形します。このずれのしにくさを GA が支配します。
ちなみに、よく似た言葉として「曲げ剛性 EI」がありますが、こちらは曲げ変形に対する性質。役割が違うので、最後まで一緒に整理していきます。せん断応力そのものの定義は別記事にまとめてあります。
せん断剛性の公式と単位
せん断剛性 GA は、つねに「材料の物性 G」と「断面の大きさ A」の掛け算で決まります。
主な公式
- せん断剛性 = G × A
- 単位：N（ニュートン） ※面ではなく直接の「力」の単位
せん断たわみとの関係
部材長さ L、せん断力 Q、せん断剛性 GA、せん断補正係数 κ を使うと、せん断によるたわみ δ は
δ = (κ Q L) / (G A)
で表されます。せん断補正係数 κ は断面形状によって決まる係数で、長方形断面なら 1.2、円形断面なら約 1.18、I形断面ではフランジ無視で約 1.0 を使うのが慣例です。
GA が大きいほど δ は小さくなる、というのがいちばん大事な関係です。普段「たわみ」と聞くと曲げによるたわみが頭に浮かびますが、短スパンや厚肉断面ではせん断たわみが無視できません。詳しくは曲げ剛性との違いの章で見ていきます。
よくある単位の使い分け
- 鋼材：G ≒ 79,000 N/mm²、A は mm²、GA は N
- コンクリート：G ≒ E/2.3（≒ 9,000〜12,000 N/mm²）
- 木材（針葉樹）：G ≒ 500〜800 N/mm²
GA を kN 単位で扱う実務も多く、「kN」「N」の単位ミスは構造計算書でも要注意ポイントです。
せん断弾性係数との関係（違い）
せん断剛性とせん断弾性係数の違いを混同する方は本当に多いので、最初にきっちり整理しておきます。
両者の役割
| 量 | 記号 | 性質 | 単位 |
|---|---|---|---|
| せん断弾性係数 | G | 材料の物性 | N/mm² |
| せん断剛性 | GA | 部材の特性（材料 × 断面） | N（または kN） |
「せん断弾性係数 G」は鋼・コンクリート・木材といった材料ごとに値が決まっている物性です。一方、「せん断剛性 GA」は同じ材料でも断面積が違えば変わる量です。
フックの法則の対応
引張・圧縮では、
- σ = E × ε（ヤング率 × ひずみ）
せん断では、
- τ = G × γ（せん断弾性係数 × せん断ひずみ）
という対応関係になっていて、せん断弾性係数 G はせん断におけるヤング率 E のような立ち位置です。
G と E の関係
材料が等方均質弾性体なら、G と E は次の関係で結ばれます。
G = E / 2(1 + ν)
ν はポアソン比。鋼材なら ν ≒ 0.3 なので、G ≒ E / 2.6 ≒ 79,000 N/mm²。コンクリートなら ν ≒ 0.2 なので、G ≒ E / 2.4 程度。ヤング率 E の値が分かれば G は機械的に出せる、と覚えておくと便利です。ヤング率の意味は別記事にまとめてあります。
曲げ剛性（EI）との違い
「剛性」と一口に言っても、対象によって式が違います。代表的な3つを並べると違いが見えやすくなります。
3つの剛性
| 剛性の名称 | 公式 | 何に効くか |
|---|---|---|
| 軸剛性 | EA | 引張・圧縮による軸方向変形 |
| 曲げ剛性 | EI | 曲げモーメントによる曲げ変形・たわみ |
| せん断剛性 | GA | せん断力によるせん断変形 |
それぞれの「材料の物性 × 断面の幾何」の組み合わせで、抵抗する変形モードが違います。
たわみへの寄与
部材のたわみは、曲げによる成分とせん断による成分の合計で決まります。
- たわみ δ = δ曲げ + δせん断
長スパン・細い梁では曲げが支配的になり、せん断は無視されることが多いです。一方、短スパン・深い梁・厚いウェブの梁では、せん断たわみの比率が無視できなくなります。RC耐震壁、SRC柱、鉄骨小スパン梁あたりは要注意です。
せん断スパン比による効き方の違い
「せん断スパン a を有効せい d で割った値」を a/d と書きます。
- a/d ＞ 2.5：曲げ支配
- a/d ＝ 1〜2.5：せん断支配
- a/d ＜ 1：深梁（ストラット作用）
a/d が小さくなるほど、曲げよりもせん断が支配する破壊モードに変わります。せん断剛性が効くのもこの領域で、せん断補強筋（あばら筋）の設計が重要になります。
単純梁のたわみ式での扱い
単純梁中央集中荷重 P・スパン L のたわみは、
- 曲げ成分：δb = PL³ / (48 EI)
- せん断成分：δs = PL / (4 GA) × κ
長さ L の効きが、曲げでは L の3乗、せん断では L の1乗。だから L が短くなるほどせん断の比率が上がります。これがせん断剛性を意識すべき場面のメカニズムです。単純梁のたわみは別記事も参考になります。
建築・現場での使い方
実務でせん断剛性が効いてくる代表的な場面を整理します。
耐震壁の水平変形
RC耐震壁は、地震時の水平力に対して主にせん断で抵抗します。壁脚部のせん断たわみは GA に支配され、せん断剛性が低いと層間変形角が大きくなります。剛性率の評価でも、各層のせん断剛性のバランスが効いてきます。
偏心配置とねじれ
各層の剛心と重心がずれると偏心率が大きくなり、地震時にねじれ振動を起こします。剛心の位置はせん断剛性 GA の大きい場所に寄る、と覚えておくと、平面プランの段階でせん断剛性のバランスを見るクセがつきます。
短スパン鉄骨梁の梁せい
工場の短スパン鉄骨梁、機械設備のフレームなど、L/h（スパン÷せい）が小さい部材ではせん断たわみが効いて、設計たわみの何割かを占めます。「曲げで決めたら実測で意外とたわむ」という現象は、せん断成分を無視した結果であることが多いです。
木造軸組と面材
木造の構造用合板や筋交い面材も、せん断剛性で水平力を受け持ちます。壁倍率は実は「せん断剛性 ÷ 基準値」の比で決まる量で、壁量計算の根っこにいる概念です。
僕の現場体験
電気施工管理時代、ある現場で機械室の鉄骨ベース下に空調機の重量級ユニットを据えるとき、当初の設計よりも振動が出るという話があり、構造設計者が「せん断剛性で決めると、ここはあと一段強い梁が要るかも」と判断して梁サイズを上げたケースがありました。曲げ剛性 EI で設計してOKと思っても、運転時の小振動はせん断剛性 GA が効くシビアな世界。GA を一回でも意識するとしないとでは、現場の見え方が変わってきます。
せん断剛性に関する情報まとめ
- せん断剛性とは：部材のせん断変形のしにくさを表す量
- 公式：せん断剛性 GA = G × A（材料の物性 × 断面積）
- 単位：N（または kN）
- せん断弾性係数 G との違い：G は材料の物性（N/mm²）、GA は部材の特性（N）
- 曲げ剛性 EI との違い：曲げに効くのが EI、せん断に効くのが GA
- せん断ひずみとの関係：τ = G × γ（フックの法則のせん断版）
- せん断スパン比が小さいほど、せん断剛性の影響が大きい
- 用途：耐震壁の変形・偏心率・剛性率・短スパン梁のたわみ・木造の壁倍率 など
以上がせん断剛性に関する情報のまとめです。
「曲げで EI、せん断で GA、軸で EA」。剛性の3兄弟をセットで覚えておくと、構造計算書を読むときに、どの剛性が効いているのかが見えるようになります。短スパンや耐震壁を扱うときには、ぜひせん断剛性の存在を思い出してください。
合わせて、せん断応力・せん断スパン比・層間変形角・偏心率の記事も押さえると、せん断挙動の全体像がつかめます。
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