杭に作用する応力とは？

この記事の要点

杭には鉛直荷重による軸力（圧縮・引張）・水平力によるせん断力・杭頭の固定条件に応じた曲げモーメントが同時に作用する。

地震時は水平力が増大してせん断力と曲げモーメントが支配的になるため、各応力の組み合わせに対する断面検討が必要です。

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杭に作用する応力杭は上部構造の重さを支持するだけでなく、地震時でも水平力を伝達する役目があります。地面より下に作用する水平力とは、当然、上部構造の水平力（１階に作用している水平力）＋地中部に埋もれている基礎重量×ｋが作用します。

杭、上部構造の意味は下記が参考になります。

杭の種類は？支持方式・材料・施工法による分類と各杭の特徴

上部構造とは｜建築での意味・下部構造との違い・例

ｋとは水平震度で、１次設計の場合は0.1です。地中部に埋もれている基礎重量とは、例えば、フーチングであったり地中梁や１階のスラブが該当します。これらは、地中部ということで、小さい水平震度しか作用しないことに注目してくださいね。

また、終局時の検討ではｋを0.2で割り増して使うことが多いです。設計条件によって、さらに割増すこともあります。

また、杭に作用する水平力は上部構造と同じように「剛床仮定」が適用されます。

剛床仮定をおさらいすると、剛床仮定とは、床は剛な部材であるため水平力が伝達できると考えます。

分かるような分からないような文言ですが、これが非常に重要なのです。

剛床仮定の詳細は下記をご覧下さい。

床剛性とは｜剛床と剛床仮定の意味と構造設計への影響をわかりやすく解説

剛床仮定があることで、地震力は床を介して柱へ伝達することが可能です。例えば、吹き抜け部分のように床が無い建物も多く存在します。これは、剛床仮定が成立しているとは言えません。

こういった場合、地震力はどのように伝達すればよいでしょうか？

上図のように、床がなければ、地震時の水平力を全ての部材に伝えることができませんね。杭でも同じことが言えます。つまり、１階の床によって剛床仮定が成立するからこそ、全ての地震力は、全ての杭で負担することができるのです。

もし、剛床仮定が成立しなければ、負担している軸力毎に水平力を決める必要があり、非常に手間ですし、色々な断面が増えて面倒です。下記も参考にしてくださいね。

杭の種類は？支持方式・材料・施工法による分類と各杭の特徴

杭基礎の設計とは？設計手順・杭本数の決め方とフーチング・支持力の計算

混同しやすい用語

「軸力」と「せん断力」

軸力は杭の長軸方向に作用する力（圧縮・引張）。

主に鉛直荷重によって生じる。

「長期応力」と「短期応力」

長期応力は固定荷重・積載荷重など常時作用する荷重による応力。

短期応力は地震・風など一時的な荷重を加えた組み合わせによる応力。

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理解度チェック

杭に作用する主な応力を答えてください。

答えを見る

鉛直荷重による軸力（圧縮・引張）、水平力によるせん断力、杭頭の固定条件に応じた曲げモーメントが同時に作用します。地震時は水平力が増大しせん断力と曲げモーメントが支配的になるため、応力の組み合わせに対する断面検討が必要です。

杭に作用する水平力の計算で用いる水平震度kを答えてください。

答えを見る

1次設計の場合 k＝0.1 です。地中部に埋もれている基礎重量（フーチング・地中梁・1階スラブ）には小さい水平震度しか作用しません。終局時の検討ではk＝0.2に割り増して使うことが多く、設計条件によりさらに割り増します。

杭の水平力負担に剛床仮定が重要なのはなぜですか。

答えを見る

床が剛な部材として水平力を伝達できるとする剛床仮定により、地震力が1階の床を介して全ての杭で負担できるためです。剛床仮定が成立しないと、負担軸力ごとに水平力を決める必要があり手間が増えます。吹き抜けなど床がない部分は剛床仮定が成立しません。

この記事を書いた人

ハナダユキヒロミツメラボ

設計事務所に7年勤務。2010年より「建築学生が学ぶ構造力学」を運営（16年以上）。著書「わかる構造力学」「わかる構造力学（改訂版）」（工学社）。

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