柱軸力の算定方法は？計算手順と荷重の集め方
この記事の要点
柱軸力とは柱の軸方向（鉛直方向）に作用する力のことです。
固定荷重・積載荷重・積雪荷重などが柱に集められた合計値です。
算定は「上階から伝達する軸力＋その階の梁から伝達される鉛直荷重」を積み上げていきます。最下階の柱軸力が最大になり、基礎の設計に直結します。
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基礎の設計や柱の設計を行う際に重要となるのが、柱軸力です。つまり、柱にどれだけの鉛直力が作用しているかという点が非常に重要となります。
では柱軸力はどのように求めるのでしょうか？考え方を勉強しておきましょう。下の伏図をみてください。
例えばこのＣ20という柱の柱軸力を求めるとします。
まずは、柱に軸力が伝わるまでの力の伝達について考えて見ましょう。
地球には重力が生じています。つまり物体には上から下へと力が伝わります。
建物も同じく、屋根→小梁→大梁→柱というように力が伝わります。
屋根も詳細に分解して考えると、（鋼板＋断熱材）の重さがモヤに伝わります（鉄骨モヤは通常、Ｃチャンネル600ピッチで配置する）。さらに、モヤから伝わる重量が分布荷重として小梁へ、小梁に曲げモーメントとせん断力が生じ、繋がる大梁には小梁で生じたせん断力（小梁の反力）が作用します。
すると、大梁には集中荷重が作用し曲げモーメントとせん断力が発生します。ここで作用したせん断力は柱へ鉛直力（軸力）として作用するわけです。
ざっと一連の力の流れを説明しましたが、柱軸力を算定するためにこんな面倒な計算を繰り返さなきゃいけないのか？という気持ちになりますね。
でも実際に手計算でチェックする場合には、いちいち力の流れを追うわけにはいきません。
そこで良く用いる方法が柱の軸力を『負担面積』によって計算するという方法です。
どういう方法かといいますと、例えばＣ20の柱軸力を算定しようとした場合、柱に作用する軸力は梁からのせん断力から伝わるという説明をしました。つまり、『屋根の面積』×『屋根重量』を計算すれば良いのです。
下図は柱が10本並んでいるとします。N1という中柱の負担面積は、『Ｘ方向について：両隣の柱間距離の1/2を足したもの』×『Ｙ方向について：下側に位置する柱までの距離の1/2』となります。
また、隅柱Ｎ2は『Ｘ方向について：片側のＮ1までの距離の1/2』×『Ｙ方向について：下側に位置する柱までの距離の1/2』となります。
要するに、『柱から柱までの距離の1/2』がある方向の負担幅で、例えば、下図のように、1本柱が少なかったりすると、Ｎ２の負担面積は、Ｙ方向については屋根の面までとなるわけです。
混同しやすい用語
柱軸力と梁軸力
柱軸力は柱部材に作用する圧縮・引張の鉛直力です。梁の軸力は通常ゼロとして扱いますが、温度変化や水平力の影響で発生することもあります。
負担面積と影響面積
負担面積は柱が受け持つ屋根・床の面積で、軸力算定に使います。影響面積はAISC等の設計基準で用いられる等価面積の概念で、日本の設計では主に負担面積を使います。
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理解度チェック
柱軸力とは何か説明してください。
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柱軸力とは、柱の軸方向（鉛直方向）に作用する力です。固定荷重・積載荷重・積雪荷重などが柱に集められた合計値で、上階から伝達する軸力＋その階の梁から伝達される鉛直荷重を積み上げて算定します。最下階の柱軸力が最大になり基礎設計に直結します。
屋根から柱まで力が伝わる経路を順に説明してください。
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屋根（鋼板＋断熱材）→母屋→小梁→大梁→柱の順に伝わります。母屋から小梁へ分布荷重、小梁の反力（せん断力）が大梁へ集中荷重として作用し、大梁のせん断力が柱へ鉛直力（軸力）として作用します。
負担面積による柱軸力の算定方法を説明してください。
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『屋根（床）の面積×重量』で算定する方法で、負担面積は「柱から柱までの距離の1/2」を各方向の負担幅とします。中柱は両隣の柱間距離の1/2の和、隅柱は片側の柱までの距離の1/2を負担幅として面積を求めます。
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プロフィール
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- 名前 ハナダユキヒロ/ミツメラボ代表.
- 2010年 弊サイトを開設
- 2010～2017年 国立大学大学院修了
- 2017年12月に当HPが書籍化。
- 「わかる構造力学」
- 2022年4月に「わかる構造力学」の改訂版出版。
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