- ヤング率ってなに？
- 単位はN/mm²？それともGPa？
- 鋼材やコンクリートのヤング率はいくつ？
- ヤング係数とヤング率って違うの？
- ポアソン比との違いって？
- 現場で目にすることってあるの？
上記の様な悩みを解決します。
ヤング率は構造材料の「硬さの度合い」を表す数値で、構造設計の中で最も基本的な材料定数。施工管理として図面や構造計算書を読む立場でも、ミルシート（材料試験報告書）の値を確認するときに必ず登場します。
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！
ヤング率とは？
ヤング率とは、結論「材料の硬さを表す比例定数」のことです。英語では「Young’s modulus」、日本語ではヤング係数や縦弾性係数とも呼ばれます。
身近な例で言うと、輪ゴムと鋼の棒で同じ力で引っ張ったときの伸びの違いを数値化したもの、というイメージ。輪ゴムはビヨーンと伸びるけど、鋼の棒はほとんど伸びない。この「伸びにくさの度合い」を数値にしたのがヤング率です。
ヤング率が大きいほど「変形しにくい＝硬い」材料、小さいほど「変形しやすい＝柔らかい」材料ということになります。
なお、構造計算書で見かける表記としては「ヤング係数」という言い方が多いですが、ヤング率＝ヤング係数＝縦弾性係数で意味は全部同じ。文脈によって呼び分けているだけなので、用語の違いに惑わされる必要はありません。
ヤング率の単位と計算方法
ヤング率は応力をひずみで割った値として定義されます。
ヤング率の式
E ＝ σ／ε
- E：ヤング率（N/mm² または GPa）
- σ（シグマ）：応力（N/mm²）＝ 荷重 ÷ 断面積
- ε（イプシロン）：ひずみ（無次元）＝ 変形量 ÷ 元の長さ
つまり「ある材料を引っ張ったときの応力と、その結果生じたひずみ（伸びの割合）の比例関係」がヤング率。これを「フックの法則」とも呼びます。
単位の整理
ヤング率の単位は文献によって書き方が違うので最初は混乱しますが、すべて同じ意味。
- N/mm²（ニュートン毎平方ミリメートル）：建築でよく使われる
- MPa（メガパスカル）：N/mm²と同じ値（1 N/mm² ＝ 1 MPa）
- GPa（ギガパスカル）：N/mm²の1/1000（1 GPa ＝ 1000 N/mm² ＝ 1000 MPa）
- kN/mm²：GPaと同じ意味で、まれに使う
換算例
鋼材のヤング率は205,000 N/mm² ＝ 205,000 MPa ＝ 205 GPa ＝ 205 kN/mm²。同じ値を単位だけ変えて表現しているだけ、ということです。建築構造計算書ではN/mm²またはkN/mm²で書かれていることが多いですね。
代表的な材料のヤング率の値
施工管理として覚えておくと便利な代表値を、用途別にまとめておきます。
| 材料 | ヤング率（N/mm²） | 備考 |
|---|---|---|
| 構造用鋼材（SS400・SN材） | 205,000 | 全鋼種ほぼ共通 |
| アルミニウム合金 | 70,000 | 鋼の約1/3 |
| コンクリート（Fc24） | 約25,000 | 強度で変動 |
| コンクリート（Fc36） | 約30,000 | 強度で変動 |
| 木材（杉・縦圧縮） | 約7,000 | 樹種・含水率で変動 |
| 木材（米松・縦圧縮） | 約10,000 | 樹種・含水率で変動 |
| ガラス | 約70,000 | 種類で変動 |
鋼材のヤング率は強度に関係なく一定というのが構造計算上の重要ポイント。SS400もSN490も、引張強度は違いますがヤング率は同じ205,000 N/mm²です。「強い鋼ほど硬い」という直感に反する話ですが、鋼材は鋼種を変えても変形しにくさは変わらないんですね。
一方でコンクリートは設計基準強度Fcによってヤング率が変わります。Fcが大きいほどヤング率も大きくなる。これが構造設計で「Fcによって梁のたわみが変わる」原因にもなります。
公的な資料としては、JIS規格や日本建築学会のRC計算規準にコンクリートのヤング率算定式が示されており、設計実務ではその式に従って計算します。
ヤング率とポアソン比の違い
混同されやすいのがヤング率とポアソン比。両方とも材料の弾性的性質を表す定数ですが、見ている方向が違います。
| 項目 | ヤング率 | ポアソン比 |
|---|---|---|
| 定義 | 縦方向の応力とひずみの比 | 縦方向と横方向のひずみの比 |
| 単位 | N/mm²（GPa） | 無次元（比） |
| 意味 | 縦方向の硬さ | 引っ張ったとき横にどれだけ縮むか |
| 鋼材の値 | 205,000 N/mm² | 約0.30 |
| コンクリート値 | 約25,000 N/mm² | 約0.20 |
ポアソン比は「引っ張ると横が縮む割合」。鋼の棒を縦に1mm伸ばすと、横方向に約0.3mm縮む、という比率を表します。ゴムのポアソン比は0.5に近く、コルクは0に近い、というように材料によって特徴があります。
構造計算ではヤング率がメインで使われますが、せん断応力の解析や3次元応力解析ではポアソン比も必要になります。
構造設計でのヤング率の使い方
ヤング率の代表的な使われ方を3つ。
1. たわみ計算
梁のたわみは「δ ＝ 5wL⁴／(384EI)」のような式で計算します（等分布荷重・単純梁の場合）。式の中のEがヤング率、Iが断面二次モーメント。たわみはヤング率に反比例するので、ヤング率が大きい材料ほどたわみが小さくなる、ということですね。
2. 座屈計算
長い柱が荷重で横にぐにゃっと曲がる「座屈」の限界荷重も、ヤング率と断面二次モーメントから決まります。オイラーの座屈荷重式「Pcr ＝ π²EI／L²」が有名。
3. 振動計算・固有周期
建物の固有周期もヤング率の関数。地震時の応答を予測する上で、構造体のヤング率は不可欠なパラメータです。
つまりヤング率は「変形」「座屈」「振動」のすべてを左右する基本定数。構造計算書のかなりの部分は、結局ヤング率と断面の組み合わせで成り立っていると言っても過言ではありません。
なお、コンクリートに関する関連記事はこちら。
施工管理がヤング率を意識する場面
現場でヤング率を直接計算することはほぼありませんが、以下の場面で関係してきます。
ミルシート（材料試験報告書）の確認
鉄骨工事の納入時に提出されるミルシートには、引張強さ・降伏点とともに材料の性質が記載されます。ヤング率自体は鋼種ごとに一定なので変動しませんが、規格外の材料が紛れ込んでいないかを確認する意味でミルシートをチェックする習慣を持っておきたいですね。
ミルシートについて詳しくはこちら。
コンクリート強度試験との関連
打設したコンクリートの圧縮強度試験結果がFc未満だと、ヤング率も計算値より下がります。強度不足は単に「強度の問題」ではなく、構造体全体のたわみや変形が増えるという問題にもつながります。だからコンクリート強度試験は重要なんですね。
鉄骨建方時の事前たわみ計算
長スパンの梁を架ける際、設計段階でむくり（事前にわずかに上に反らせておく加工）を計算するのにヤング率が使われます。施工計画段階で、メーカーから出てくる加工図にむくりが入っているのは、ヤング率とスパンと荷重から事前たわみを予測しているからなんです。
温度応力の検討
材料が温度変化で伸び縮みする際、その変位が拘束されると応力が発生します。この温度応力もヤング率の関数。マスコンクリートの温度ひび割れなどは、まさにヤング率と温度膨張係数で決まる現象ですね。
ヤング率に関する情報まとめ
- ヤング率とは：材料の硬さを表す比例定数。ヤング係数・縦弾性係数とも呼ぶ
- 単位：N/mm²、MPa、GPa、kN/mm²。すべて同じ意味
- 計算方法：応力 ÷ ひずみ（フックの法則）
- 代表値：鋼材205,000、コンクリート約25,000、木材約7,000〜10,000（N/mm²）
- 鋼材のヤング率は強度に関係なく一定（SS400もSN490も同じ）
- コンクリートはFcで変動：強度設計値が変わるとヤング率も変わる
- ポアソン比との違い：縦の硬さ（ヤング率）vs 横の縮み具合（ポアソン比）
- 設計での使い方：たわみ計算、座屈計算、振動・固有周期、温度応力など
- 現場での意味：ミルシート確認、強度不足の影響、むくり加工、温度応力など
以上がヤング率に関する情報のまとめです。
ヤング率は構造材料の「硬さ」を一発で表す定数で、これを押さえておくだけで構造計算書の式の意味がぐっと分かりやすくなります。鋼が205,000、コンクリートが約25,000、木材が約7,000〜10,000という3つの代表値を覚えておけば、他の材料も大体スケール感がつかめますよ。
合わせて読みたい関連記事はこちら。
