- 軸方向力ってなに?
- 軸力って同じ意味?
- 引張(+)と圧縮(-)の正負はどう決める?
- 計算方法は?
- 断面力の中でどの部材が軸力支配?
- 座屈とどう関係する?
上記の様な悩みを解決します。
「軸方向力」(または軸力)は、構造力学の3つの断面力「N(軸力)・Q(せん断力)・M(曲げモーメント)」のうちの1つ。棒を引っ張る力・押す力で、概念としては最もシンプル。でも建築の現場では「柱の自重圧縮」「鉄骨ブレースの引張」「吊材のロープ張力」「トラスの個々部材」などで支配的に効く重要な力で、しかも圧縮の場合は座屈とセットで考える必要があります。一通りの式・正負・現場の見方を整理します。
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！
軸方向力とは?
軸方向力とは、結論「部材の軸線(中心線)方向に作用する、引張または圧縮の内力」のことです。
英語では axial force(アクシャル・フォース)。記号は N(または P や F が使われることも)。単位は N(ニュートン)または kN(キロニュートン)。
ざっくりイメージすると
両手で1本の鉛筆を持って、
- 両端から引っ張る → 引張軸力(プラス)
- 両端から押す → 圧縮軸力(マイナス)
→ どちらの場合も力の方向は鉛筆の軸線方向。だから「軸方向力」。これが横向き(=せん断力Q)や、軸まわりに曲げる力(=曲げモーメントM)とは区別される。
軸力と軸方向力の違い
実務では「軸力」「軸方向力」「N」は基本的に同じ意味で使います。
- 教科書:軸方向力 が正式
- 構造計算書:軸力 が短い
- 図面記号:N が多い
→ どれを使ってもOK。話している人によって表現が違うだけで、指している現象は同一。
断面力3兄弟の整理
部材内部の内力(=断面力)は3種類あって、軸方向力はその1つ。
| 断面力 | 力の方向 | 部材の変形 |
|---|---|---|
| 軸方向力 N | 軸線方向 | 伸びる(引張)、縮む(圧縮) |
| せん断力 Q | 軸線に直交 | ズレる |
| 曲げモーメント M | 軸まわりに曲げ | 軸線が湾曲する |
→ 「軸線方向に伸び縮みする力=N」と覚える。
なぜ建築で重要か
軸力は次の場面で支配的に効きます。
- 柱:上階の自重を圧縮で受ける(柱は基本的に圧縮材)
- 鉄骨ブレース:水平力を引張・圧縮で伝える
- トラスの個々部材:節点間の各部材は引張または圧縮のみ
- 吊材・ハンガー:荷重を引張で受ける(下から吊る場合)
- アンカーボルト:引張軸力で柱脚を引き留める
→ つまり「曲げ・せん断より軸力で持っている部材」が建築には多い。設計図でN図(軸力図)を見ると、どこが圧縮・どこが引張で持っているかが一目でわかる。
断面力(N、Q、M)の全体はこちらの記事も参考にしてください。
軸方向力の正負(引張+、圧縮−の慣例)
軸力は符号で引張・圧縮を区別します。これがないと「危険側の見極め」ができないので、必ず統一して使います。
①日本の建築での慣例
| 力の向き | 符号 | 名称 |
|---|---|---|
| 部材を伸ばす方向 | +(プラス) | 引張(tension) |
| 部材を縮める方向 | −(マイナス) | 圧縮(compression) |
→ 国内の建築教科書・構造計算書はこの慣例で統一。
②引張と圧縮で何が違うか
| 項目 | 引張軸力 | 圧縮軸力 |
|---|---|---|
| 方向 | 部材を引っ張る | 部材を押す |
| 変形 | 伸びる | 縮む(座屈する) |
| 設計 | 強度のみで決まる | 強度+座屈で決まる |
| 部材選定 | 細くてもOK | 太く・短くする必要あり |
| 代表部材 | 鉄骨ブレース・吊材・鉄筋 | 柱・束材・短い圧縮ブレース |
→ 圧縮は座屈リスクがあるので、引張より厳しく設計するのが鉄則。同じ大きさの軸力でも、圧縮側は許容応力度を引き下げる。
③符号を間違えるとどうなるか
設計でよくあるトラブル。
- 鉄骨ブレース:地震時に引張+圧縮の両方が交互に発生(層間変形角に対応)
- 計算ミスで「圧縮」を「引張」と読んだ → 座屈チェックを忘れる → 部材を細くしすぎる → 地震時に圧縮側で座屈
- トラスの個々部材:設計図のN図の符号を見間違える → 引張専用の細いタイロッドを圧縮側に使ってしまう
→ 符号を必ずダブルチェックするのが構造図の読み方の基本。
④「圧縮もマイナスじゃなく絶対値で書く」流派もある
実務の構造計算書では、見やすさのために圧縮も絶対値表記でNと書くこともあります。
- 例:「N = 850 kN(圧縮)」 → -850 kNと同じ意味
- 文脈で「圧縮」「引張」を併記して符号を補う
→ 計算書をパッと見てマイナスがついていなくても、文脈で圧縮と書かれていれば圧縮。混乱を避けるためにも符号の流派は最初に確認。
層間変形角はこちらの記事も参考にしてください。
軸方向力の計算方法
代表的な計算ケースを整理します。基本的には「外力の軸線方向成分の総和」を取れば軸力が求まります。
①基本式:応力からの計算
N = σ × A
| 記号 | 意味 |
|---|---|
| N | 軸力 (N または kN) |
| σ | 軸応力度 (N/mm²) |
| A | 断面積 (mm²) |
→ 逆にσ = N/Aで部材内部の応力が出る。これが許容応力度以下ならOK、というのが基本検討。
②引張部材(タイロッド等)の検討
ブレースなどの引張部材は単純。
- 軸力N = 設計入力(構造計算で決まる)
- 必要断面積 A ≥ N / σ_allow(許容応力度)
- 鋼材SS400なら長期 σ_allow ≈ 156 N/mm²
→ 例:引張軸力 N=200kN なら、必要断面積 A ≥ 200,000/156 ≈ 1,283 mm²。これに合う鋼材(D16以上の丸鋼など)を選ぶ。
③圧縮部材(柱)の検討
圧縮は座屈の影響があるので、許容応力度を低減して使う。
- 細長比 λ = Lk / r(座屈長さ÷断面二次半径)
- λが大きいほど許容圧縮応力度σc_allowが低下
- 必要断面積 A ≥ N / σc_allow
→ 「圧縮は太く短く」の原則は、λを小さく抑えるためにある。
④トラス部材の軸力計算(節点法)
トラスは個々の部材が軸力のみで持つ構造。節点ごとの釣り合いで軸力を求めます。
ΣX = 0
ΣY = 0 (各節点で水平・鉛直の釣り合いを立てる)
→ 三角形ごとに釣り合いを解いていけば全部の部材の軸力が出ます。ただし手計算では時間がかかるので、実務では構造計算ソフトに任せます。
⑤軸力と曲げの組合せ(柱・梁の場合)
実は「軸力だけで持つ純粋な圧縮材」は柱でも珍しい。多くは軸力+曲げの組合せで設計されます。
- 検討式:N/Nallow + M/Mallow ≤ 1.0(組合せ応力度比)
- 軸力と曲げの両方の負担を加算して評価
→ 鉄骨柱・RC柱はほぼ全部この組合せ式で確認。「軸力だけで設計できるのは純トラスとブレース」と覚える。
座屈荷重についてはこちらの記事も参考にしてください。
現場で軸力支配の部材を見分ける(施工管理視点)
ここからは「現場でどの部材が軸力で持っているか」を見分けるための視点です。
①鉄骨ブレースは軸力部材の代表
筋交いとして入る斜材(=ブレース)は軸力のみで地震・風の水平力を伝える部材。
- 引張ブレース:細い丸鋼・平鋼でOK(D24などの丸鋼ブレース)
- 圧縮ブレース:H形鋼や鋼管(座屈に耐えるため断面大)
- X字配置:1本が引張、もう1本が圧縮で交互に作用
→ ブレース部材を見たときに「これは引張専用?圧縮も持つ?」を判別する目安は、断面の太さ・形状。細い丸鋼なら引張専用、H鋼や鋼管なら両方対応。
②柱は基本的に圧縮軸力
普通の柱は自重と上階の荷重を圧縮で受ける部材。
- 中柱:純圧縮(中央に荷重が集まる)
- 隅柱:圧縮+曲げ+ねじり(風や地震で偏心)
- ピロティ柱:極端に偏った荷重で曲げが大きい
→ 「柱=圧縮」と単純化されがちですが、隅柱は地震時に引張(浮き上がり)が出るケースもある。柱脚アンカーボルトの配筋・本数は引張軸力を見越して決まります。
③吊材・ハンガーは引張軸力の代表
天井や床を上から吊る部材。
- 設備配管の吊りボルト
- ファブリックダクトの吊りワイヤ
- 大スパン屋根のテンションロッド
- アトリウムの吊り階段の吊材
→ 「下から重力で引っ張られている=引張軸力」。座屈の心配がないので細い部材でOKだが、接続部(節点)が破断するリスクには注意。引張軸力部材は両端の継手強度が支配的。
④トラス梁は軸力で全体を持つ
トラス梁(屋根トラス・体育館屋根など)は個々の部材がN専門で、それを組み合わせて全体で梁の役割をする構造。
- 上弦材:圧縮(梁上端側)
- 下弦材:引張(梁下端側)
- 斜材・束材:せん断力をN方向に分担
→ トラスは「全部材がNで持つ=曲げに強い」のがメリット。スパンが大きくなるほどトラスが有利。
トラス梁についてはこちらの記事も参考にしてください。
⑤現場での観察ポイント
施工管理者として軸力支配の部材を見分けるコツ:
- 細い部材ほど引張専用の可能性が高い
- 鋼管・H形鋼など断面が大きい部材は圧縮 or 軸力+曲げ
- 端部に大きなプレート・ボルト群があれば両端で軸力を伝達している
- 中央付近に補剛材(リブ)が密に入っていれば圧縮の座屈対策
→ これらの目安で、設計図を読まなくても部材の性格が見えてくる。
座屈と細長比の話はこちらの記事も参考にしてください。
軸方向力に関する情報まとめ
最後に、軸方向力の重要ポイントを整理します。
- 定義:部材の軸線方向に作用する内力(引張+/圧縮−)
- 記号・単位:N、N/kN
- 正負:引張+、圧縮−が日本の慣例
- 基本式:N = σ × A、 σ = N/A
- 引張部材:強度のみで決まる(細くてOK)
- 圧縮部材:強度+座屈で決まる(太く・短くする)
- 軸力支配の部材:鉄骨ブレース・トラス・吊材・柱・アンカーボルト
- 現場の見分け方:細い=引張、太い+補剛=圧縮、端部プレート充実=N伝達
以上が軸方向力に関する情報のまとめです。
軸方向力は断面力の中で最もシンプルな力ですが、圧縮側は座屈とセットになるので一筋縄では行きません。設計図でN図を見る、または現場で「この部材は引張か圧縮か」を瞬時に判断できると、ブレース・トラス・吊材・柱の構造的役割が一気に見えるようになります。「太い=圧縮、細い=引張」の原則をベースに、組合せ応力度比まで意識できるようになると、さらに踏み込んだ設計図の読み方ができますよ。一通り軸方向力の基礎知識は理解できたと思います。
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