船体構造方式

　敷設艦「むろと」の記事の中でも若干触れたが、「商船構造」「軍艦構造」と言った誤解を正すためにも、現在の艦船における船体構造について簡単に説明しておくことにした。
　極めて小さな船の場合には、例えば一寸法師が乗ったお椀の船のように、一体化された船殻構造、所謂モノコック構造でも強度は十分である。乗員が大きくなって人間になったとしても、数人が乗るだけならやはりモノコックの丸木舟でも差し支えない。カヤック等はこれとは全く逆で、船体の強度は骨材が担当しており、骨に張られた膜で浮力を確保している。漕艇用のボートもほぼ同様であり、骨の上に足を置かなければ踏み抜いてしまう。しかし船が大型化してくるとこのような単純な構造では強度を保てなくなり、骨と膜（板）とで強度を保つ、セミモノコック構造となってくる。

　長い間船体の主材料としては木材が用いられてきたが、小型木造船の断面の一例を図に示す。キールに取り付けられたフレームは上部でビームと結合してリングを形成し、横方向の強度を確保する。フレームは前後方向に適度の間隔を保って設置され、外板が張られて縦方向の強度を確保する。複数の甲板がある場合には、同じ位置で甲板間にもフレームを設け、上部甲板のビームと結合して強度を確保する。
　現在のようにブロック工法が確立されていない時代には、船台に据え付けられたキールから無数のフレームが林立し、外板の取り付けを待つばかりの状態となる。この時のフレームの様子があばら骨に似ているので、日本語ではフレームのことを肋骨と呼んでいる。
　キールの日本名は竜骨であるが、木造船の方形キールの場合にはその名に相応しい。しかし鋼船の場合にはキールも平板キールとなり、板厚は他の外板より厚いものの船底外板の一部であり、木造船における方形キールほど特別な存在ではない。
　この構造はフレームが横方向に配置されるので「横式構造」と呼ばれており、一般の貨物船で多用されている構造方式である。貨物船で用いられる理由の一つは、フレームの深さが後述する縦式構造に比べて小さいので、船内容積を広く取れる利点があるためである。更にフレームとガーダーが交差する縦式構造より簡単な構造であるため、建造費を低く押さえられる利点もある。貨物船で多用されているためにこの構造方式を「商船構造」と誤解する場合もあるようだが、鋲接時代には軍艦も横式構造で造られているのである。

　右の図は縦式構造を採用した鋼船の一例である。縦式構造は外板を支えるフレームを縦方向に配置し、そのフレームを特設フレームで支える構造である。船側を縦フレーム式とした場合には甲板ビームも縦方向に配置することとなり、横方向の強度は特設フレームと特設ビームとがリングを形成して確保している。
　縦式構造における特設フレームの間隔は横フレームの場合より大きくなるので、横強度を負担する範囲は大きくなる。更に縦フレームを通すための開口があるので、特設フレームの深さは横フレームよりも大きなものとなる。汎用性のある一般貨物船の場合には特設フレームの内側が貨物倉として有効となるので、縦式構造の貨物倉は横式の場合よりも小さくなってしまうのである。しかしタンカーのように対象が液体の場合には影響を受けないし、鉱石運搬船等でも両側がバラストタンクになっている場合には、特設フレームをタンク側に設ければ貨物倉への影響を無くすことが出来る。
　特設フレームで縦フレームを支持して荷重を負担するためには、特設フレームの貫通部でしっかりと固着されていなければならない。現在のように溶接が発達していれば現場での工事も簡単であるが、鋲接構造で縦フレームを固着しようと思うと、なかなか面倒な工事となる。船体の軽量化に心血を注いだ旧海軍の艦艇は縦式構造を採用したかったことと思われるが、溶接の信頼性が不十分な状況では横式とせざるを得なかったのであろう。

　縦式構造の利点は、船体の縦強度に対して優れた構造であるため、船殻重量を軽量化出来ることであろう。そして欠点は構造が複雑となるために建造工数が増し、特設フレームの深さが大きいので、貨物倉の有効容積がなることがあげられる。横式構造の場合はこの逆であると思って大きな間違いは無い。
　縦式構造が横式構造に比べて縦強度面で有利なのは、フレーム間隔が狭いためである。右の図は両構造方式の簡単な説明図であるが、フレームとガーダーで囲まれたパネルに注目して頂きたい。同じフレーム間隔であれば、局部強度上は外板や甲板の板厚はどちらも同じで良い。しかし矢印の方向、すなわち船首尾方向に圧縮力を受けた場合には、両者のパネル幅（図のｂ）が強度に大きく影響する。詳細は省略するが、幅の大きなパネルの座屈限界応力は、幅の小さなパネルよりも小さなものとなってしまうのである。
　当該箇所の応力は、曲げモーメントを断面係数で除した値となる。設計基準では引張り応力・圧縮応力共に定められた値があり、当然応力はその値以下で無ければならない。引張り強度の場合にはそれだけで良いのだが、圧縮応力は更にパネルの座屈限界以下で無ければならない。もし座屈限界応力を満足していない場合には板厚を増すことにより、許容応力を引き上げて座屈強度を確保しなければならない。横式構造では座屈限界応力の方が小さくなる場合が多いので、どうしても板厚が増して船殻重量は増えることとなるのである。

　溶接により薄板構造の艦艇を建造する場合、どうしても溶接歪により、ある程度の痩せ馬（痩せ馬については「排水量の謎」を参照）が発生するのは避けられない。縦式構造の場合には痩せ馬が発生しても縦強度への影響は少ないのだが、横式構造の場合には座屈強度に大きく影響してくる。初期歪が座屈強度を如何に低下させるかは、波型のトタン板や樹脂板を思い起こせば容易に理解出来ることと思う。
　座屈に弱い横式構造の場合、高張力鋼を採用する場合にも注意しなければならない。引張り強度の場合には許容応力が高くなるので板厚を減らすことが出来るのだが、圧縮の場合には降伏点の平方根に比例しての増加となるので注意を要する。更にパネルとしてみた場合には、その算定式は降伏点の影響を受けない。ヤング係数やポアソン比は高張力鋼でもほぼ同じと思われるので、座屈強度はパネルの厚さと幅によって決定すると言っても良い。引張り強度だけに注意を払って安易に板厚を減らすと、横式構造では座屈強度が不足する事態になり兼ねないのである。
　旧海軍において特型駆逐艦等に発生した艦首の皺は、明らかに座屈強度の不足によるものである。高速を発揮するために柱形係数を小さくしている（船首尾が痩せている）艦艇の場合、中央部ではホグ状態の方がサグ状態よりも曲げモーメントが大きくなる。しかし特型の前後部ではサッギングモーメントの方が大きくなり、甲板や船首楼の船側外板では大きな圧縮応力を受けることとなってしまった。重量軽減のために高張力鋼を使い、更に引張り強度ぎりぎりまで板厚を落としたとすれば、座屈限界応力は極めて低い値になっていたことが予想される。過酷とも言える重量軽減は並の人間には出来ることではないが、高張力鋼への過信もあったのではないかと思える。
　巡洋艦「最上」の場合には船首外板に溶接構造を採用しているが、新造時から見られた皺は溶接歪によるもの（痩せ馬）と思われる。横式構造の船に発生した痩せ馬、特に船首部の痩せ馬は波浪の影響も受けるので、次第に大きくなって行ったものと思われる。しかしもしも船首部が縦式構造であったなら、痩せ馬が成長することも無く、特型の場合でも船首切断には至らなかった可能性もあり得ると考える。

　一部の巡洋艦においては、装甲板を縦強度部材として利用したと言われている。設計図面を見ていないので断定は出来ないが、恐らく右の図のような方法ではなかったかと推測する。
　装甲板の船体への取付はボルトかリベットとなるが、そのピッチは船殻構成部材よりも大幅に荒いものと考えられる。しかも装甲板同士を結合する部材は存在しないので、装甲板を引張り強度部材として算入するのは無理と言って良いだろう。
　しかし圧縮応力に関しては装甲板同士が結合している必然性は無いので、装甲板を強度部材と見なしても問題なかったものと思われる。断面係数を増すことによって部材にかかってくる圧縮応力を下げることが出来れば、座屈に弱い横式構造の欠点を補う上でも有効だったのではないだろうか。

《追記》04.6.7
　松本喜太郎氏の回想録によれば、巡洋艦の35mm甲板甲鈑の場合、圧縮強度では100％、引っ張り強度でも80％の比率で有効部材として計上していたと言う。
　これらの値が実験によって確認されたものかどうかは不明であるが、目一杯に頑張った値であり、船体の軽量化に苦労した状況がありありと窺える。結果としてはこれが原因で損傷をこうむった艦は無いと思われるが、設計に自信が無ければ出来ないことである。
　舷側甲鈑でもっと板厚が厚い場合、圧縮強度に関しては同様であるが、引っ張りの場合にはその値を下げている。やはり装甲板の船体への取付部の縦方向への連続性が、厚くなるほど低下するためであろう。なお取り付け部の詳細な図面は添付されていない。

　戦前においても縦式構造が縦強度に対しては優れていることは分かっていたと思うが、それでも横式構造で艦艇を建造していたのは、鋲接で縦式構造とするのは困難だったからではあるまいか。私自身も鋲接艦は担当したことが無いので詳しいことは知らないが、それなりの推論は持っているので、機会を改めて紹介したいと思っている。

　一般貨物船では横式構造が多いと述べたが、船の大型化に伴って横式構造では縦強度の確保が困難となりつつある。船体断面を見た場合、応力が一番大きくなるのは甲板である。貨物船では貨物倉のための大きな開口があるので、多少板厚を上げても船底部より断面係数は小さなものとなってしまう。そこでかなり以前から船側は横式構造とし、甲板（状況により船底も）を縦式とする船が増えている。
　商船構造＝横式構造、軍艦構造＝縦式構造では無いことは分かって貰えたと思うが、敢て分類するならば次のような説明が適当かと思う。すなわち商船構造とは重量が増えても建造工数の少ない構造であり、そしてそれとは逆に軍艦構造は工数の増加よりも軽量化を重視した構造である、と。
　なお水密隔壁の数が多いのは区画配置、すなわち性能上の問題であり、水密隔壁にはドアを設けないとか言う類のものは、艤装上の問題である。船体構造はそれらを満足するために設計されているだけであり、水密隔壁が多いのが軍艦構造と言う訳では無いのである。

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