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柱軸力の算定

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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。

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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。


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