(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄筋コンクリート部とその上方に設けられた鋼管コンクリート部とが一体化して構築される場所打ち杭の設計方法であって、
前記鉄筋コンクリート部から前記鋼管コンクリート部の内部に向けて延設された鉄筋の上端部を含む前記鉄筋コンクリート部内の内部鉄筋コンクリート部分と、前記鋼管コンクリート部の鋼管とが重複する継手部における曲げモーメントを検討する曲げモーメント検討工程を含み、
前記曲げモーメント検討工程は、
前記場所打ち杭の上部に略水平方向の荷重が作用した際に該場所打ち杭に生じる曲げモーメントによって、前記継手部区間の前記内部鉄筋コンクリート部分を介して前記継手部区間の前記鋼管の内周面と前記内部鉄筋コンクリート部分の外周面との間に作用する圧縮応力と、該圧縮応力と反対方向に作用する前記鋼管の引張応力との釣合い関係式を算出してから、前記圧縮応力及び前記引張応力と前記曲げモーメントによって前記継手部区間の前記鋼管の前記内周面に作用する集中荷重との関係式をそれぞれ算出する釣合検討工程と、
前記釣合検討工程によりそれぞれ算出された関係式に基づいて、前記圧縮応力及び前記引張応力をそれぞれ算出する応力算出工程と、
前記圧縮応力及び前記引張応力がそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する許容値検討工程と、を含むことを特徴とする場所打ち杭の設計方法。
【請求項２】
前記曲げモーメント検討工程の後には、更に前記継手部におけるせん断力を検討するせん断力検討工程を含み、
前記せん断力検討工程は、
前記継手部に作用する前記曲げモーメントによって付加されるせん断力と、前記略水平方向の荷重によって前記継手部に作用するせん断力の合計となる総せん断力を算出する総せん断力算定工程と、
前記総せん断力が前記継手部の前記内部鉄筋コンクリート部分のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程と、
前記総せん断力が前記継手部の前記鋼管のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する鋼管せん断力検討工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の場所打ち杭の設計方法。
【請求項３】
前記せん断力検討工程は、
前記継手部におけるせん断補強筋の径、材質、ピッチを設定する継手部仕様設定工程と、
前記継手部仕様設定工程にて設定された仕様における前記継手部の前記内部鉄筋コンクリート部分のせん断耐力及び前記継手部の前記鋼管のせん断耐力をそれぞれ算定するせん断耐力算定工程と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の場所打ち杭の設計方法。
【請求項４】
前記許容値検討工程、前記内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程、及び前記鋼管せん断力検討工程のうち、これら工程における前記許容値に対する算出値の割合を示す検定比が最大となる工程において、前記検定比の妥当性を検討する検定比検討工程を更に含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の場所打ち杭の設計方法。
【請求項５】
前記許容値検討工程、前記内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程、及び前記鋼管せん断力検討工程における前記算出値が前記許容値の範囲外であると判定された場合、又は前記検定比検討工程で前記検定比が妥当でないと判定された場合に、前記継手部の仕様選定又は前記鋼管が券着された鋼管巻き部分の仕様選定のコストを比較する仕様選定コスト比較工程を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の場所打ち杭の設計方法。
【請求項６】
前記許容値検討工程では、前記所定の許容値として、終局設計時の前記鋼管及び前記鋼管に充填されたコンクリートの基準強度、又は短期設計時の前記鋼管及び前記コンクリートの基準強度の何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の場所打ち杭の設計方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の場所打ち杭の設計方法をコンピュータに実行させるための設計プログラム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の場所打ち杭の設計方法をコンピュータに実行させるための設計プログラムを前記コンピュータで読み取り可能に記憶した記憶媒体。
【請求項９】
鉄筋コンクリート部とその上方に設けられた鋼管コンクリート部とが一体化して構築される場所打ち杭の設計システムであって、
少なくとも前記場所打ち杭が設けられる地盤の土質データ、前記場所打ち杭の構成要素に係る仕様データ、及び前記場所打ち杭の過去の設計実績データを含む前記場所打ち杭の設計に係る所定のデータを記憶する記憶部と、
少なくとも前記所定のデータ及び前記鉄筋コンクリート部から前記鋼管コンクリート部内まで延設された鉄筋の上端部を含む前記鉄筋コンクリート部内の内部鉄筋コンクリート部分と前記鋼管コンクリート部の鋼管とが重複する継手部における曲げモーメントに基づいて、所望の前記継手部の長さの設計値を算出して、該設計値の妥当性を検討した上で前記継手部の仕様を決定する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記継手部における曲げモーメントを設定する曲げモーメント設定部と、
前記継手部におけるせん断力を設定するせん断力設定部と、
前記継手部における前記曲げモーメントの妥当性を検討する曲げモーメント判定部と、
前記継手部における前記鋼管及び前記内部鉄筋コンクリート部分の前記せん断力の妥当性を検討するせん断力判定部と、
少なくとも前記曲げモーメント判定部及び前記せん断力判定部の判定結果に基づいて、前記継手部の仕様を決定する継手部仕様決定部と、を備え、
前記曲げモーメント判定部は、前記曲げモーメントによって、前記長さを有する前記継手部区間の前記内部鉄筋コンクリート部分を介して前記継手部区間の前記鋼管の内周面と前記内部鉄筋コンクリート部分の外周面との間に作用する圧縮応力と、該圧縮応力と反対方向に作用する前記鋼管の引張応力との釣合い関係式を算出してから、前記圧縮応力及び前記引張応力と前記曲げモーメントによって前記継手部区間の前記鋼管の前記内周面に作用する集中荷重との関係式をそれぞれ算出してから、前記圧縮応力と前記引張応力の釣り合いを検討しながら前記圧縮応力及び前記引張応力をそれぞれ算出して、前記圧縮応力及び前記引張応力がそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する機能を有することを特徴とする場所打ち杭の設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭頭部に鋼管が巻着される場所打ち杭の設計方法、設計プログラム、記憶媒体、及び場所打ち杭の設計システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
場所打ち杭は、地盤中に地表から杭孔を削孔し、杭孔内に鉄筋カゴ等の補強部材を配設した後にコンクリートを打設して形成される。このため、工場で製作された杭を地中に打ち込む既製杭に比べて、杭の径や長さを大きくすることができ、大きな支持力を必要とする基礎を施工する場合等に使用される。場所打ち杭の耐震性を向上させるために、場所打ち杭の杭頭部に鋼管を巻き付け、杭の曲げやせん断耐力を確保する耐震場所打ち杭、すなわち杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭が広く用いられている。杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭は、杭上部を鋼管コンクリート部又は鋼管鉄筋コンクリート部とし、杭下部を鉄筋コンクリート部とした構成となっている。
【０００３】
杭上部と杭下部との境界付近であって、杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭を構成する主筋と鋼管とが長手方向に重複する区間である継手部は、地震時等に杭上部に作用する軸力、曲げモーメント、及びせん断力を確実に杭下部に伝達する必要がある。例えば、特許文献１には、鋼管の下端側内周面に複数の管状リブを設けることによって鋼管と内部コンクリートとの滑りを防止して、杭上部から杭下部に応力伝達を可能にする場所打ち杭が開示されている。
【０００４】
また、杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭のうち、主筋が鋼管コンクリート部を貫通しないＳＣタイプでは、特に、継手部の仕様が重要となる。継手部の仕様等については、非特許文献１に継手部の長さを含めた仕様の内容が開示されている。さらに、非特許文献２には、杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭の長さや杭径を考慮することなく、継手部の長さを主筋径の４５倍にすることが好ましいことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３８０９５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ＫＣＴＢ場所打ち鋼管コンクリート杭」（耐震杭協会）、１４〜１５頁、１９９０年１０月）
【非特許文献２】「建設工事共通仕様書  平成９年版」（社団法人  公共建築協会、３２〜３７頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、継手部は、前述したように、地震時等に杭上部に作用する軸力以外にも、曲げモーメント及びせん断力を確実に杭下部に伝達する必要がある。このため、杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭を設計する際に、軸力の伝達のみでなく、曲げモーメント等を踏まえて継手部の最適な長さを算定して、その仕様を設定することが必要となる。特許文献１では、軸方向に応力伝達を可能にすることに関しては、言及しているが、継手部に作用する曲げモーメント及びせん断力を踏まえて継手部の最適な仕様を設計することに関しては、言及していない。また、非特許文献１及び２では、継手部の長さ等の仕様について言及しているが、曲げモーメント及びせん断力を踏まえて継手部の最適な仕様を設計することに関しては、言及していない。
【０００８】
そして、杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭の長さや杭径には、各種態様のものがあることから、継手部の長さを一律に主筋径の４５倍程度と設定せずに、その杭径等に応じて、適宜、所望の大きさに設定することが好ましいと考えられる。すなわち、鋼管コンクリート部と鉄筋コンクリート部の主筋の上端部とが重複する継手部の長さを必要以上に大きくすると、必要以上の応力伝達能力を有する過剰設計となり、不経済な設計となってしまう。一方、継手部の長さを確保しないと、鋼管コンクリート部から鉄筋コンクリート部への応力を十分に伝達できずに、杭破損等の不具合が生じる虞がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、地震等の外力によって作用する曲げモーメント等に対して最適な継手部の仕様を理論的に設計可能な、新規かつ改良された場所打ち杭の設計方法、設計プログラム、記憶媒体、及び場所打ち杭の設計システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、鉄筋コンクリート部とその上方に設けられた鋼管コンクリート部とが一体化して構築される場所打ち杭の設計方法であって、前記鉄筋コンクリート部から前記鋼管コンクリート部の内部に向けて延設された鉄筋の上端部を含む前記鉄筋コンクリート部内の内部鉄筋コンクリート部分と、前記鋼管コンクリート部の鋼管とが重複する継手部における曲げモーメントを検討する曲げモーメント検討工程を含み、前記曲げモーメント検討工程は、前記場所打ち杭の上部に略水平方向の荷重が作用した際に該場所打ち杭に生じる曲げモーメントによって、前記継手部区間の前記内部鉄筋コンクリート部分を介して前記継手部区間の前記鋼管の内周面と前記内部鉄筋コンクリート部分の外周面との間に作用する圧縮応力と、該圧縮応力と反対方向に作用する前記鋼管の引張応力との釣合い関係式を算出してから、前記圧縮応力及び前記引張応力と前記曲げモーメントによって前記継手部区間の前記鋼管の前記内周面に作用する集中荷重との関係式をそれぞれ算出する釣合検討工程と、前記釣合検討工程によりそれぞれ算出された関係式に基づいて、前記圧縮応力及び前記引張応力をそれぞれ算出する応力算出工程と、前記圧縮応力及び前記引張応力がそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する許容値検討工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様によれば、地震時等に場所打ち杭の杭上部に作用する水平荷重によって、鋼管コンクリート部に生じる曲げモーメントを継手部区間の鋼管と継手部区間の内部鉄筋コンクリート部分との間に生じる梃子作用によって、鉄筋コンクリート部に確実に伝達することができる。そして、梃子作用によって生じる圧縮応力及び引張応力に基づいて継手部の仕様を設定するために、曲げモーメントに対する最適な仕様を設計できる。
【００１２】
このとき、本発明の一態様では、前記曲げモーメント検討工程の後には、更に前記継手部におけるせん断力を検討するせん断力検討工程を含み、前記せん断力検討工程は、前記継手部に作用する前記曲げモーメントによって付加されるせん断力と、前記略水平方向の荷重によって前記継手部に作用するせん断力の合計となる総せん断力を算出する総せん断力算定工程と、前記総せん断力が前記継手部の前記内部鉄筋コンクリート部分のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程と、前記総せん断力が前記継手部の前記鋼管のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する鋼管せん断力検討工程と、を含むこととしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、鋼管部分及び内部鉄筋コンクリート部分のせん断力も検討した上で、継手部をより好適な仕様に設計できる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、前記せん断力検討工程は、前記継手部におけるせん断補強筋の径、材質、ピッチを設定する継手部仕様設定工程と、前記継手部仕様設定工程にて設定された仕様における前記継手部の前記内部鉄筋コンクリート部分のせん断耐力及び前記継手部の前記鋼管のせん断耐力をそれぞれ算定するせん断耐力算定工程と、を含むこととしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、継手部に作用するせん断力も踏まえて、継手部をより好適な仕様に設計できる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、前記許容値検討工程、前記内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程、及び前記鋼管せん断力検討工程のうち、これら工程における前記許容値に対する算出値の割合を示す検定比が最大となる工程において、前記検定比の妥当性を検討する検定比検討工程を更に含むこととしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、継手部の設計値が妥当でない場合に、より好適な工程から設計をやり直せるので、好適な継手部の仕様設計を効率的に行える。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記許容値検討工程、前記内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程、及び前記鋼管せん断力検討工程における前記算出値が前記許容値の範囲外であると判定された場合、又は前記検定比検討工程で前記検定比が妥当でないと判定された場合に、前記継手部の仕様選定又は前記鋼管が券着された鋼管巻き部分の仕様選定のコストを比較する仕様選定コスト比較工程を更に含むこととしてもよい。
【００１９】
このようにすれば、設計した継手部の不具合を解消するための必要コストを検討した上で、より好適な工程からの設計をやり直すことができる。
【００２０】
また、本発明の一態様では、前記許容値検討工程では、前記所定の許容値として、終局設計時の前記鋼管及び前記鋼管に充填されたコンクリートの基準強度、又は短期設計時の前記鋼管及び前記コンクリートの基準強度の何れかを用いることとしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、所望の使用状況下における場所打ち杭の継手部の好適な仕様を効率的に設計できる。
【００２２】
また、本発明の他の態様は、上述した何れかに記載の場所打ち杭の設計方法をコンピュータに実行させるための設計プログラムである。
【００２３】
本発明の他の態様によれば、かかる設計プログラムに沿って、継手部を効率的に好適な長さの仕様に設計できる。
【００２４】
また、本発明の他の態様は、上述した何れかに記載の場所打ち杭の設計方法をコンピュータに実行させるための設計プログラムを前記コンピュータで読み取り可能に記憶した記憶媒体である。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、記憶媒体に記憶された設計プログラムに沿って、継手部を効率的に好適な長さの仕様に設計できる。
【００２６】
また、本発明の他の態様は、鉄筋コンクリート部とその上方に設けられた鋼管コンクリート部とが一体化して構築される場所打ち杭の設計システムであって、少なくとも前記場所打ち杭が設けられる地盤の土質データ、前記場所打ち杭の構成要素に係る仕様データ、及び前記場所打ち杭の過去の設計実績データを含む前記場所打ち杭の設計に係る所定のデータを記憶する記憶部と、少なくとも前記所定のデータ及び前記鉄筋コンクリート部から前記鋼管コンクリート部内まで延設された鉄筋の上端部を含む前記鉄筋コンクリート部内の内部鉄筋コンクリート部分と前記鋼管コンクリート部の鋼管とが重複する継手部における曲げモーメントに基づいて、所望の前記継手部の長さの設計値を算出して、該設計値の妥当性を検討した上で前記継手部の仕様を決定する演算部と、を備え、前記演算部は、前記継手部における曲げモーメントを設定する曲げモーメント設定部と、前記継手部におけるせん断力を設定するせん断力設定部と、前記継手部における前記曲げモーメントの妥当性を検討する曲げモーメント判定部と、前記継手部における前記鋼管及び前記内部鉄筋コンクリート部分の前記せん断力の妥当性を検討するせん断力判定部と、少なくとも前記曲げモーメント判定部及び前記せん断力判定部の判定結果に基づいて、前記継手部の仕様を決定する継手部仕様決定部と、を備え、前記曲げモーメント判定部は、前記曲げモーメントによって、前記長さを有する前記継手部区間の前記内部鉄筋コンクリート部分を介して前記継手部区間の前記鋼管の内周面と前記内部鉄筋コンクリート部分の外周面との間に作用する圧縮応力と、該圧縮応力と反対方向に作用する前記鋼管の引張応力との釣合い関係式を算出してから、前記圧縮応力及び前記引張応力と前記曲げモーメントによって前記継手部区間の前記鋼管の前記内周面に作用する集中荷重との関係式をそれぞれ算出してから、前記圧縮応力と前記引張応力の釣り合いを検討しながら前記圧縮応力及び前記引張応力をそれぞれ算出して、前記圧縮応力及び前記引張応力がそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する機能を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の他の態様によれば、演算部で継手部に作用する曲げモーメントを踏まえて継手部の最適な長さを設定してから、その設定値における継手部の曲げモーメントとせん断力に対する妥当性を検討した上で最終的な継手部の仕様を設定するので、好適な仕様の継手部を効率的に設計できる。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば、継手部に作用する曲げモーメントを踏まえて継手部の最適な長さを算定して、その仕様を設定できる。このため、オーバースペックとならない継手部の仕様を効率的に設計できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法で設計される場所打ち杭の構成を説明する縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計システムの全体構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法の概略を示すフロー図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法に含まれる鋼管上部の曲げ応力及びせん断力の検討工程の詳細を示すフロー図である。
【図５】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法の前提となる検証結果を示す説明図である。
【図６】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法の前提となる検証結果を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法に含まれる継手部の曲げ応力検討工程の詳細を示すフロー図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法に含まれるせん断力検討工程の詳細を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３１】
まず、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法で設計される場所打ち杭の構成の概略について図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法で設計される場所打ち杭の構成を説明する縦断面図である。
【００３２】
本実施形態に係る場所打ち杭１０は、図１に示すように、杭体１１の杭頭部１１ａに鋼管１８が巻着される耐震場所打ち杭、すなわち杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭である。換言すると、本実施形態に係る場所打ち杭１０は、杭上部が鋼管コンクリート部１２からなり、杭下部が鉄筋コンクリート部１４からなるＳＣタイプの杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭である。また、本実施形態の場所打ち杭１０は、鉄筋コンクリート部１４の下部側に略截頭円錐状の拡底部１４ｂが設けられる拡底杭である。鉄筋コンクリート部１４の主筋１６の上端部１６ａは、鋼管コンクリート部１２の下端側まで延設されている。なお、場所打ち杭１０には、主筋１６が鋼管コンクリート部１２を貫通するように設けられているＳＲＣタイプと、主筋１６が鋼管コンクリート部１２を貫通しないＳＣタイプとがある。
【００３３】
図１に示すように、鋼管コンクリート部１２は、略円筒形状の鋼管１８と、その内空に充填される内部コンクリート２０によって主に構成される。本実施形態では、鋼管１８として、例えば、直径が７００ｍｍ〜２５００ｍｍ程度の鋼製でその内周面が平らな平鋼管の管材が使用される。このように、場所打ち杭１０の杭上部側に鋼管１８を設置することによって、せん断耐力や曲げ耐力を向上させて経済性と調達力に優れた杭体とすることができる。
【００３４】
なお、図１では、場所打ち杭１０として、ＳＣタイプの杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭を示しているが、ＳＲＣタイプとした場合では、鋼管１８の内空に設けられる内部構造部分が内部鉄筋コンクリートとなる。また、本明細書中で言及する「内部構造部分」とは、鋼管１８の内部に設けられる内部コンクリート２０又は内部鉄筋コンクリートを示す。
【００３５】
地震時には、杭頭部に上部構造からの水平力及び変動軸力が入力される。これによって、場所打ち杭１０に曲げモーメントやせん断力が作用することになる。かかる曲げモーメントやせん断力に対抗させるために、杭体１１の杭頭部１１ａに鋼管１８を巻着し、杭体１１の曲げ耐力やせん断耐力を増大させている。
【００３６】
鋼管コンクリート部１２の下端側には、鉄筋コンクリート部１４から鋼管コンクリート部１２の内部に向けて延設された主筋１６の上端部１６ａを含む内部鉄筋コンクリート部分１５と鋼管１８の下部１８ｂとが重複する継手部１３が設けられている。すなわち、継手部１３では、鉄筋コンクリート部１４の主筋１６の上端部１６ａが鋼管コンクリート部１２の下端側の内部コンクリート２０に埋め込まれている。
【００３７】
この継手部１３に曲げモーメントが作用すると、鋼管コンクリート部１２の継手部１３の区間における鋼管１８の下部１８ｂと、当該継手部１３の区間に有する内部鉄筋コンクリート部分１５との間に梃子作用が生じる。そして、継手部１３の区間における鋼管１８の内面と内部鉄筋コンクリート部分１５との間で圧縮応力が発生する。これによって、鋼管コンクリート部１２から内部鉄筋コンクリート部分１５及び当該内部鉄筋コンクリート部分１５に続く鉄筋コンクリート部１４に曲げモーメントを確実に伝達することができる。
【００３８】
すなわち、地震時等に場所打ち杭１０の杭上部に作用する水平荷重によって、曲げモーメントが鋼管コンクリート部１２に生じる。そして、当該曲げモーメントが継手部１３の区間における鋼管１８の下部１８ｂと継手部１３の区間における内部鉄筋コンクリート部分１５との間に生じる梃子作用によって、鉄筋コンクリート部１４に確実に伝達される。
【００３９】
そこで、本実施形態では、以下で説明する設計システム１００（図２参照）による場所打ち杭１０の設計方法を実施して、継手部１３に作用する曲げモーメントに基づいて、より効率良く確実に最適な継手部１３の長さＬ、換言すると鋼管コンクリート部１２の内部コンクリート２０が主筋１６の上端部１６ａを包むラップ長さＬを求めるようにしている。そして、当該設計システム１００によって、かかる最適値となるラップ長さＬを有する仕様となる継手部１３を効率的に設計可能としている。すなわち、曲げモーメントを杭上部から杭下部に伝達する際に、梃子作用によって鋼管１８の下部１８ｂの内面と内部鉄筋コンクリート部分１５の外周面との間に生じる圧縮応力、及び鋼管１８の下部１８ｂの軸方向断面に生じる引張応力に基づいて、継手部１３の仕様を設定するので、曲げモーメントに対する最適な仕様を設計できる。
【００４０】
なお、本実施形態では、ＳＣタイプの杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭を設計する際に、本発明の一実施形態に係る設計方法及び設計システムを適用しているが、ＳＲＣタイプの杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭でも、主筋の一部が鋼管巻き部分の内部コンクリートを貫通しないで、鋼管下部に継手部が設けられる構成の場所打ち杭にも適用可能である。
【００４１】
次に、本発明の第１の実施形態に係る場所打ち杭の設計システムの構成について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計システムの全体構成を示すブロック図である。
【００４２】
本実施形態に係る場所打ち杭の設計システム１００は、鉄筋コンクリート部１４とその上方に設けられた鋼管コンクリート部１２とが一体化して構築される場所打ち杭１０を設計する際に使用される。当該設計システム１００は、図２に示すように、ユーザが保有するコンピュータ１０１が場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータを記憶するデータベースを有するデータベースサーバにアクセスして検索処理を行いながら、外部からの曲げモーメントに対する最適な継手部１３のラップ長さＬを求める。そして、設計システム１００は、外力等で作用させた曲げモーメントを杭上部から杭下部に伝達する際に、梃子作用によって生じる圧縮応力及び引張応力に基づいて、継手部１３の仕様を設定するために、曲げモーメントに対する継手部１３の最適な仕様を設計する際に使用される。
【００４３】
なお、本明細書中において、「ユーザ」とは、場所打ち杭１０の設計又は施工業務を行う者をいう。また、「コンピュータ」とは、例えば、スーパーコンピュータ、汎用コンピュータ、オフィスコンピュータ、制御用コンピュータ、パソコン、携帯情報端末等の各種演算処理が可能な演算装置を備えた情報端末をいう。
【００４４】
本実施形態の設計システム１００は、場所打ち杭１０を設計する過程において、継手部１３に作用する曲げモーメントＭの大きさを踏まえて、継手部１３の最適値となるラップ長さＬを算定して、その仕様を設定する際に使用される。当該設計システム１００は、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータ等に基づいて、コンピュータ１０１で継手部１３に作用する曲げモーメントＭの応力伝達が可能な最適なラップ長さＬを算出してから、その妥当性を検討して当該ラップ長さＬを有する継手部１３の仕様を決定する。なお、設計システム１００の構成は、図２に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加する等の種々の変形実施が可能である。
【００４５】
コンピュータ１０１は、図２に示すように、記憶部１０２、ＣＰＵ（ Central Processing Unit ）１１０、入力部１２０、出力部１２２、通信部１２４、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０８、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０６、及び記憶媒体１０４を備え、これらの構成要素がシステムバス１２５を介して相互に電気的に接続されている。従って、ＣＰＵ１１０は、記憶部１０２、ＲＯＭ１０８、ＲＡＭ１０６、記憶媒体１０４へのアクセス、入力部１２０に対する操作状態の把握、出力部１２２に対するデータの出力、通信部１２４を介したインターネット１２６に対する各種情報の送受信等を行える。
【００４６】
記憶部１０２は、少なくとも場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータを記憶する機能を有するデータベースサーバである。本実施形態では、記憶部１０２は、当該所定のデータとして、少なくとも場所打ち杭１０が設けられる地盤の土質データ、鋼管１８や内部構造部分２０、主筋１６、ＳＲＣ、ＳＣ等の杭体１１の構成要素に係る仕様データ、及び場所打ち杭１０の過去の設計実績データをデータベース化して記憶している。
【００４７】
このような場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて、継手部１３を所望の長さＬに設定できるので、当該長さＬを有する継手部１３の仕様を効率的に決定できるようになる。また、これらのデータを記憶部１０２に蓄積することにより、場所打ち杭１０を別の施工場所に設ける際に、記憶部１０２に記憶された蓄積データを利用して、最適値となるラップ長さＬを有する継手部１３の仕様をより高精度に求められるようになる。
【００４８】
ＣＰＵ１１０は、通信部１２４を介して受信したデータや、ＲＯＭ１０８や記憶媒体１０４に記憶されている各種プログラムに従って、設計システム１００に備わる各構成要素の動作を制御する機能を有する。また、ＣＰＵ１１０は、これら各種処理を実行する際に、必要なデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ１０６に適宜記憶させる機能を有する。
【００４９】
本実施形態では、ＣＰＵ１１０は、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいてコンピュータで演算処理して、継手部１３に作用する曲げモーメントＭに基づいて、所望の継手部１３の長さＬを算出するために必要となる各種演算処理を行う演算部として機能する。すなわち、ＣＰＵ１１０は、少なくとも当該所定のデータに基づいてコンピュータ１０１で演算処理して、所望の継手部１３のラップ長さＬを算出して、かかるラップ長さＬを有する継手部１３に作用する曲げモーメントに対する妥当性を検討してから、当該長さＬを有する仕様の継手部１３を決定する機能を有する。
【００５０】
また、本実施形態では、ＣＰＵ１１０は、設定部１１２と、判定部１１４と、決定部１１６とを備える。なお、本明細書中において、場所打ち杭１０の設計に係る「所定のデータ」とは、少なくとも場所打ち杭１０が設けられる地盤の土質データ、鋼管１８や内部構造部分２０、主筋１６、ＳＲＣ、ＳＣ等の杭体１１の構成要素に係る仕様データ、及び場所打ち杭１０の過去の設計実績データ等の各種データをいう。すなわち、「所定のデータ」とは、場所打ち杭１０を設計する過程で、継手部１３に作用する曲げモーメントに基づいて、継手部１３のラップ長さＬの最適値を求めて、その仕様を決めるのに必要となる各種データをいい、杭種を決定する上でも利用される。
【００５１】
設定部１１２は、設計システム１００で場所打ち杭１０を設計する過程において、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて、継手部１３の長さＬの最適値を求めるために、継手部１３に作用させる曲げモーメント等を設定する機能を有する。本実施形態では、設定部１１２は、継手部１３における曲げモーメントを設定する曲げモーメント設定部としての機能と、継手部１３におけるせん断力を設定するせん断力設定部としての機能を有する。
【００５２】
本実施形態では、設定部１１２は、曲げモーメント設定部として、場所打ち杭１０の杭上部に作用する水平荷重により生じる曲げモーメントによって、継手部１３の区間における鋼管１８の内周面と内部鉄筋コンクリート部分１５との間で発生する圧縮応力と、この圧縮応力と反対方向に作用する鋼管１８の引張応力との釣合い関係式を算出する機能を有する。また、設定部１１２は、曲げモーメント設定部として、圧縮応力及び引張応力と、曲げモーメントによって継手部区間の鋼管１８の内周面に作用する集中荷重との関係式をそれぞれ算出する機能と、これらの算出された関係式に基づいて、圧縮応力及び引張応力をそれぞれ算出する機能と、を有する。
【００５３】
さらに、本実施形態では、設定部１１２は、せん断力設定部として、曲げモーメントによって継手部１３に作用するせん断力と、略水平方向の荷重によって継手部１３に作用するせん断力の合計となる総せん断力を算出する機能を有する。また、設定部１１２は、せん断力設定部として、少なくともせん断補強筋の径、材質、ピッチを含む継手部１３の仕様を設定する機能と、かかる仕様における継手部１３の内部鉄筋コンクリート部分１５のせん断耐力及び継手部１３の鋼管１８のせん断耐力をそれぞれ算定する機能を有する。
【００５４】
判定部１１４は、設計システム１００で場所打ち杭１０を設計する過程において、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて設定された各種データの妥当性を判定する機能を有する。本実施形態では、判定部１１４は、少なくとも設定部１１２で設定した曲げモーメントに対する継手部１３の設計値の妥当性を検討する曲げモーメント判定部としての機能を有する。具体的には、判定部１１４は、曲げモーメント判定部として、曲げモーメントによって継手部１３の鋼管内面に作用する圧縮応力と、この圧縮応力と反対方向に作用する鋼管１８の引張応力がそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する。
【００５５】
また、判定部１１４は、継手部１３における鋼管部分１２及び内部鉄筋コンクリート部分１５のせん断力に対する継手部１３の設計値の妥当性を検討するせん断力判定部としての機能を有する。具体的には、判定部１１４は、せん断力判定部として、総せん断力が継手部１３の内部鉄筋コンクリート部分１５のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する機能と、総せん断力が継手部１３の鋼管１８のせん断耐力の許容範囲内か否かを検討する機能とを有する。
【００５６】
決定部１１６は、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて設定された各種データの最適値を決定する機能を有する。本実施形態では、決定部１１６は、判定部１１４での判定結果に基づいて、継手部１３の仕様を決定する機能を有する。具体的には、決定部１１６は、シミュレーションでラップ長さＬ等の仕様を選定した継手部１３に曲げモーメントを作用させた際に、発生応力等が許容値の範囲内であったら、当該ラップ長さＬを有する継手部１３の仕様に決定する。
【００５７】
入力部１２０は、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータ等の各種データを入力する機能を有し、例えばマウスやキーボード、タッチパネル等が用いられる。本実施形態では、入力部１２０により、例えば、設定部１１２、判定部１１４、決定部１１６を作動させる際の文字や各種データの入力が行われる。
【００５８】
また、本実施形態では、入力部１２０は、少なくとも場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて、シミュレーションで継手部１３に作用させる曲げモーメントやせん断力等を入力して、仕様を仮定した継手部１３の設計値の妥当性を判定する際に、必要なデータ等を入力するときにも使用される。すなわち、入力部１２０は、記憶部１０２に記憶される各種データを入力する際や、継手部１３のラップ長さＬ等の仕様を決定するための各種データを入力する際に使用される。
【００５９】
出力部１２２は、ＣＰＵ１１０による演算結果やデータベースとなる記憶部１０２の情報等を出力する機能を有する。出力部１２２としては、例えば、表示モニタ等が用いられる。本実施形態では、出力部１２２により、例えば、設定部１１２、判定部１１４、決定部１１６を作動させる際の画面表示が行われる。
【００６０】
記憶媒体１０４は、コンピュータ１０１により読み取り可能な媒体であり、プログラムやデータ等を格納する機能を有する。また、当該記憶媒体１０４の機能は、光ディスク（ＣＤ、ＤＶＤ）、ＨＤＤ、或いはＵＳＢメモリ等の各種メモリ等により実現できる。記憶媒体１０４には、本実施形態の設計システム１００の各構成要素の機能を実現させるための設計プログラムが、コンピュータ１０１で読み取り可能に記憶されている。
【００６１】
このため、当該設計プログラムによって、本実施形態に係る場所打ち杭１０の設計方法における各工程を、当該設計システム１００の各構成要素の機能を実現させることによって実行させるようになる。なお、当該設計プログラムにより実行される本実施形態に係る場所打ち杭１０の設計方法の詳細については、後述する。
【００６２】
このように、本実施形態の設計システム１００によれば、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて、継手部１３のラップ長さＬ等の設計値を設定してから、その設定値における継手部１３の曲げモーメントとせん断力に対する妥当性を検討・判定して、最終的な継手部１３を当該設計値の仕様に決定できる。このため、杭条件や施工条件等の場所打ち杭１０が施工される所定の条件データに基づいて、好適なラップ長さＬを有する継手部１３の仕様を効率的に設計できる。
【００６３】
このため、継手部１３を設計する際に、オーバースペックとならないようなラップ長さＬを確保する継手部１３を確実に設計できるようになる。また、鋼管巻き部分が必要とする曲げモーメントに応じて、鋼管１８の仕様設定や鋼管１８の内部構造部分２０の仕様設定に加えて、鋼管１８のラップ長さＬを適正値に設定できるので、より経済的な杭頭部鋼管巻き場所打ち杭１０を設計することができる。
【００６４】
次に、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法の概略を示すフロー図である。
【００６５】
本実施形態に係る場所打ち杭１０の設計方法は、継手部１３のラップ長さＬ等の設計値の妥当性を判定してから、当該設計値が妥当である場合に、継手部１３をその設計値の仕様に決定することに主眼を置いている。
【００６６】
本実施形態では、まず、場所打ち杭１０の設計方法に係る所定のデータを用いて、設計外力を算出する（工程Ｓ１０１）。具体的には、当該設計外力として、設計用水平力、常時軸力ＮL、変動軸力ＮE、地震時軸力の最小値ＮL−E、地震時軸力の最大値ＮL＋Eをそれぞれ算出する。なお、地震時軸力の最小値ＮL−Eとは、常時軸力ＮLと変動軸力ＮEとの差（ＮL−ＮE）であり、地震時軸力の最大値ＮL＋Eとは、常時軸力ＮLと変動軸力ＮEとの和（ＮL＋ＮE）である。
【００６７】
次に、設計する場所打ち杭１０の施工場所における地質データ等の地盤情報を入力する（工程Ｓ１０２）。図３に示すフロー図では、工程Ｓ１０１の後に本工程Ｓ１０２が行われているが、これらの工程Ｓ１０１、Ｓ１０２を同時に行っても、工程Ｓ１０２を工程Ｓ１０１より先に行ってもよい。
【００６８】
設計外力の算出と地盤情報の入力が終了したら、次に、施工方法、先端部杭径、杭長等の場所打ち杭１０の設計を行う際における設計初期条件の選定を行う（工程Ｓ１０３）。具体的には、場所打ち杭１０を施工する地盤から決まる支持力と引抜抵抗力の計算を行うことによって、当該条件の選定を行う。
【００６９】
設計初期条件の選定が終了したら、次に、鉄筋コンクリート部１４の杭径、鉄筋径、鉄筋本数、鉄筋配置直径、鉄筋材質、コンクリート強度等の仕様選定を行う（工程Ｓ１０４）。具体的には、杭体１１から決まる圧縮耐力及び引張耐力の計算によって当該仕様選定を行う。
【００７０】
鉄筋コンクリート部１４の仕様を選定したら、次に、鋼管コンクリート部１２の仕様選定を行う（工程Ｓ１０５）。具体的には、鋼管巻き部分の仕様をＳＲＣタイプにするか、ＳＣタイプにするかの選定や、杭径、鋼管材質、鋼管長、鋼管板厚、コンクリート強度、鉄筋径、鉄筋本数、鉄筋配置直径、鉄筋材質等の仕様の選定を行う。
【００７１】
そして、鋼管巻き部分の仕様を選定したら、次に、場所打ち杭１０の施工場所における杭本数、杭配置を設定する（工程Ｓ１０６）。
【００７２】
次に、工程Ｓ１０１で算出した設計用水平力及び工程Ｓ１０２で入力した地盤情報を用いてシミュレーションを行い、杭体１１の鋼管コンクリート部１２に発生する曲げモーメントとせん断力の検討を行う（工程Ｓ１０７）。具体的には、設計用水平力によって鋼管コンクリート部１２の上部において発生する曲げモーメントとせん断力に対する妥当性のチェックをそれぞれ行う。なお、曲げモーメント及びせん断力を検討する工程Ｓ１０７の詳細な説明については、後述する。
【００７３】
鋼管コンクリート部１２の曲げモーメント及びせん断力を検討したら、次に、鋼管コンクリート部１２の下部、すなわち継手部１３の曲げモーメントの検討を行う（工程Ｓ１０８）。具体的には、継手部１３のラップ長さＬ等の設計値がシミュレーションにより発生させた曲げモーメントに対して妥当な値であるか否かのチェックを行う。なお、継手部１３の曲げモーメントを検討する工程Ｓ１０８の詳細な説明については、後述する。
【００７４】
継手部１３の曲げモーメントを検討したら、次に、継手部１３のせん断力の検討を行う（工程Ｓ１０９）。具体的には、継手部１３の設計値がシミュレーションにより発生させたせん断力に対して妥当な値であるか否かのチェックを行う。なお、継手部１３のせん断力を検討する工程Ｓ１０９の詳細な説明については、後述する。
【００７５】
次に、継手部１３の設計値に対する曲げモーメント及びせん断力の許容値に対する発生値の割合を示す検定比の妥当性を検討する（工程Ｓ１１０）。具体的には、曲げモーメント検討工程Ｓ１０８に含まれる許容値検討工程Ｓ１０８−８（図７参照）、せん断力検討工程Ｓ１０９に含まれる内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程Ｓ１０９−４（図８参照）及び鋼管せん断力検討工程Ｓ１０９−５（図８参照）のうち、これら工程における許容値に対する算出値の割合を示す検定比が最大となる工程を検出して、当該工程における検定比の妥当性を検討する。
【００７６】
検定比検討工程Ｓ１１０において、許容値検討工程Ｓ１０８−８における検定比が最大であり、かつ、当該検定比が適正でないと判定された場合には、工程Ｓ１０８−２に戻って、継手部１３のラップ長さＬの仕様の選定からやり直すか、工程Ｓ１０５に戻って鋼管コンクリート部１２の仕様の選定からやり直す。
【００７７】
また、内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程Ｓ１０９−４における検定比が最大であり、かつ、当該検定比が適正でないと判定された場合には、工程Ｓ１０９−２に戻って継手部１３の内部鉄筋コンクリート部分１５のせん断補強筋の径や材質、ピッチ等の仕様の選定からやり直すか、曲げモーメント検討工程Ｓ１０８に含まれる工程Ｓ１０８−２（図７参照）に戻って、継手部１３のラップ長さＬの仕様の選定からやり直すか、工程Ｓ１０５に戻って鋼管巻き部分の仕様の選定からやり直す。
【００７８】
さらに、鋼管せん断力検討工程Ｓ１０９−５における検定比が最大であり、かつ、当該検定比が適正でないと判定された場合には、工程Ｓ１０８−２に戻って、継手部１３のラップ長さＬの仕様の選定からやり直すか、工程Ｓ１０５に戻って鋼管巻き部分の仕様の選定からやり直す。このように、継手部１３の設計に用いる各データの妥当性を踏まえた上で、継手部１３の設計をより好適な工程からやり直せるので、場所打ち杭１０の設計を効率的に行えるようになる。
【００７９】
検定比の検討が終了したら、次に、沈下に対する検討を行う（工程Ｓ１１１）。具体的には、場所打ち杭１０の施工場所における杭体１１の沈下条件をシミュレーション等によって行う。本工程Ｓ１１１で沈下条件が妥当でないと判定された場合には、より好適な沈下条件を確保するために、図３に示すように、工程Ｓ１０３に戻って設計初期条件の選定からやり直す。
【００８０】
沈下に対する検討が終了したら、次に、杭頭部に係る杭頭接合部、パイルキャップ、基礎梁の最終検討を行ってから（工程Ｓ１１２）、杭本数、杭配置、杭仕様等の杭条件の最終決定をする（工程Ｓ１１３）。そして、本実施形態に係る場所打ち杭１０の設計方法による設計が完了する。
【００８１】
このように、本実施形態の設計方法では、場所打ち杭１０の設計に係る所定のデータに基づいて、継手部１３のラップ長さＬの設計値を算出してから、当該設計値に対してシミュレーションにより曲げモーメントやせん断力に対する妥当性を検討する。そして、当該曲げモーメントやせん断力に対して、継手部１３のラップ長さＬの設計値の妥当性が確認されたら、当該ラップ長さＬをかかる設計値に決定して、このラップ長さＬを有する継手部１３を効率的に設計できる。
【００８２】
このため、継手部１３のラップ長さＬが必要以上に大きい過剰設計を未然に防いで、施工の手間やコストを低減することができる。また、地盤強度に応じて変更する杭の種類や杭径、杭長等に対して、継手部１３のラップ長さＬを最適値に設定できるので、場所打ち杭１０の最適かつ経済的な設計と施工を行うことができる。
【００８３】
次に、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法に含まれる鋼管コンクリート部１２の曲げモーメント及びせん断力を検討する工程の詳細について、図面を使用しながら説明する。図４は、鋼管コンクリート部１２の曲げモーメント及びせん断力を検討する工程Ｓ１０７の詳細を示すフロー図である。
【００８４】
まず、工程Ｓ１０１で算出した設計用水平力を用いて、図４に示すように、鋼管コンクリート部１２に発生する曲げモーメントを算定する（工程Ｓ１０７−１）。そして、次に、鋼管コンクリート部１２の曲げ耐力を算定する（工程Ｓ１０７−２）。
【００８５】
なお、本実施形態では、曲げ応力算定工程Ｓ１０７−１の後に曲げ耐力算定工程Ｓ１０７−２が行われているが、これらの工程Ｓ１０７−１、Ｓ１０７−２を同時に行っても、工程Ｓ１０７−２を工程Ｓ１０７−１より先に行ってもよい。
【００８６】
次に、工程Ｓ１０７−１で算出した曲げモーメントに対する検討を行う（工程Ｓ１０７−３）。具体的には、工程Ｓ１０７−３では、工程Ｓ１０７−２で算出した曲げ耐力に対する曲げモーメントの妥当性を検討する。本工程Ｓ１０７−３で曲げ耐力に対して曲げモーメントが妥当な大きさでないと判定された場合には、より好適な曲げ耐力を確保するために、図４に示すように、工程Ｓ１０５に戻って鋼管巻き部分の仕様の選定からやり直す。
【００８７】
工程１０７−３で曲げ耐力に対して曲げモーメントが妥当な大きさと判定されたら、次に、設計用水平力によって鋼管コンクリート部１２に発生するせん断力を算定し（工程Ｓ１０７−４）、続いて鋼管コンクリート部１２のせん断耐力を算定する（工程１０７−５）。なお、これらのせん断力とせん断耐力は、順次に算定しても、同時に算定してもよい。
【００８８】
そして、鋼管コンクリート部１２におけるせん断力とせん断耐力を算定したら、次に、せん断力に対する検討を行う（工程Ｓ１０７−６）。具体的には、せん断耐力に対して、せん断力が妥当な大きさであるかの検討が行われる。本工程Ｓ１０７−６でせん断耐力に対してせん断力が妥当な大きさでないと判定された場合には、より好適なせん断耐力を確保するために、図４に示すように、工程Ｓ１０５に戻って鋼管巻き部分の仕様の選定からやり直す。このようなフローを経ることによって、鋼管コンクリート部１２の曲げモーメント及びせん断力の妥当性をチェックしながら、効率的に場所打ち杭１０を設計することができる。
【００８９】
次に、本発明の一実施形態に係る場所打ち杭の設計方法の詳細について、図面を使用しながら説明する。図５（Ａ）は、継手部１３の近傍を拡大した模式図を示し、図５（Ｂ）は、当該模式図における曲げモーメント図を示し、図５（Ｃ）は、当該模式図におけるせん断力図を示す。また、図６（A）は、図５（A）におけるＡ部・Ｂ部とした部分の杭軸直交方向の断面図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるＡ部の鋼管の上半分だけを取り出した断面図を示し、図６（Ｃ）は、圧縮応力と引張応力の関係式を求めるための説明図を示す。
【００９０】
本発明者は、前述した本発明の目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、継手部１３に曲げモーメントが作用すると、継手部１３の区間の鋼管１８の下部１８ｂと継手部１３の区間の内部鉄筋コンクリート部分１５との間に梃子作用が生じて、鋼管１８の下部１８ｂの内面に作用する圧縮応力によって、鋼管コンクリート部１２から鉄筋コンクリート部１４に応力伝達がなされることに着眼して、最適値となるラップ長さＬの仕様を有する継手部１３の設計方法を見出した。
【００９１】
すなわち、図５（Ａ）乃至（Ｃ）及び図６（Ａ）乃至（Ｃ）に示す検証結果を踏まえて、図７に示す継手部１３の曲げモーメント検討工程Ｓ１０８の詳細フローと、図８に示す継手部１３のせん断力検討工程Ｓ１０９の詳細フローを見出した。以下では、まず、継手部１３の曲げモーメント検討工程Ｓ１０８の詳細フローについて説明し、次に、継手部１３のせん断力検討工程Ｓ１０９の詳細フローについて説明する。
【００９２】
本実施形態の場所打ち杭の設計方法は、曲げモーメント検討工程Ｓ１０８において、図７に示す各工程Ｓ１０８−１乃至Ｓ１０８−９を行うことによって、シミュレーションで発生させた曲げモーメントに対する継手部１３のラップ長さＬ等の設計値の妥当性を検討することを特徴とする。
【００９３】
まず、設計用水平力によって杭体１１に発生する曲げモーメントＭを算定する（工程Ｓ１０８−１）。具体的には、シミュレーションによって発生させた設計用水平力に対して、継手部１３に発生する曲げモーメントＭを算定する。
【００９４】
継手部１３に発生する曲げモーメントＭの算定が済んだら、次に継手部１３の仕様を選定する（工程Ｓ１０８−２）。具体的には、工程Ｓ１０８−２では、継手部１３の仕様として、継手部１３の長さ、すなわち、鋼管１８の下部１８ｂと主筋１６の上端部１６ａのラップ長さＬを所望の大きさの値に仮決めする。
【００９５】
継手部１３のラップ長さＬを仮決めしたら、Ｓ部とＲＣ部からなる部材に曲げモーメントＭｓ、Ｍｒがそれぞれ作用した場合について、梃子作用による応力伝達に基づいて検討する。このとき、図５（Ａ）に示すように、梃子作用により鋼管１８の下部１８ｂの内面が継手部１３における内部鉄筋コンクリート部分１５から受ける圧縮応力の杭軸方向の分布形状を三角形と仮定する（工程Ｓ１０８−３）。なお、本実施形態では、工程１０８−３で圧縮応力分布形状を三角形と仮定しているが、当該圧縮応力分布形状を四角形や台形等の他の形状として、次工程以降の検討を行うようにしてもよい。
【００９６】
圧縮応力の分布形状を仮決めしたら、次に、継手部１３の長さとなる鋼管８の下部１８ｂと主筋１６の上端部１６ａのラップ長さをＬとして、圧縮応力σcを圧縮応力分布の重心位置に作用する集中荷重Ｑに置き換える（工程Ｓ１０８−４）。本実施形態では、圧縮応力σcを圧縮応力分布の重心位置に作用する集中荷重Ｑに置き換えることによって、図５（Ａ）に示すように、梃子作用の応力中心間距離が２Ｌ／３となる。
【００９７】
集中荷重Ｑを求めたら、次に、曲げモーメントＭと集中荷重Ｑとの関係を検討する（工程Ｓ１０８−５）。このとき、集中荷重Ｑと曲げモーメントＭとの関係は、下記の式（１）で示され、また、式（１）からＳ部に作用する集中荷重ＱｓとＲＣ部に作用する集中荷重Ｑｒとの関係が下記の式（２）で示される。
【００９８】
【数１】
0006471445.tif 000002
【００９９】
【数２】
0006471445.tif 000003
【０１００】
また、曲げモーメント図とせん断力図は、それぞれ図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すようになる。杭体１１に作用している曲げモーメントＭは、図５（Ｂ）に示すように、杭体１１の全体として見ると、杭軸方向で一定であるが、継手部１３の区間では、Ｓ部の負担曲げモーメントＭｓとＲＣ部の負担曲げモーメントＭｒのそれぞれに、杭軸方向に曲げモーメント勾配がある。このため、図５（Ｃ）に示すように、継手部１３の区間では、鋼管１８の下部１８ｂと内部鉄筋コンクリート部分１５にせん断力Ｑｓ、Ｑｒがそれぞれ生じる。
【０１０１】
そして、鋼管１８の下部１８ｂの内面に作用する圧縮応力について検討する。図６（Ａ）に示すように、鋼管１８の下部１８ｂのＡ部の内面の上半分には、上向き矢印で示されるように、圧縮応力が上向きに作用しており、鋼管１８の下部１８ｂのＢ部の内面の下半分には、下向き矢印で示されるように、圧縮応力が下向きに作用している。次に、図６（Ｂ）に示すように、鋼管１８の下部１８ｂの内面に作用する圧縮応力σcと、鋼管１８の下部１８ｂの円周方向に発生する引張応力σtとの釣合を考える。その際に、圧縮応力σcを求めるために、図６（Ｃ）に示すように、鋼管１８の内半径をｒ、鋼管１８の板厚をｔ、微小な斜線部分の中心角をｄφとすると、図６（Ｃ）に示す斜線部分に加わる力がσc・ｒｄφとなる。この力の円周方向分力を合計して、圧縮応力σcと引張応力σtの釣合を検討すると（釣合検討工程Ｓ１０８−６）、下記の式（３）の関係式が得られる。
【０１０２】
【数３】
0006471445.tif 000004
【０１０３】
上記の式（３）にA部の杭軸方向の長さＬ／２と圧縮応力が三角形分布であるための係数１／２を乗じると、下記の式（４）に示すように、集中荷重Ｑが得られる。
【０１０４】
【数４】
0006471445.tif 000005
【０１０５】
かかる式（４）から、圧縮応力σc及び引張応力σtと集中荷重Ｑとの間には、下記の式（４）´の関係式が得られるので、当該関係式から圧縮応力σcと引張応力σtをそれぞれ算出する（応力算出工程Ｓ１０８−７）。
σc ＝２Ｑ／ｒＬ、σt ＝２Ｑ／ｔＬ・・・・（４）´
【０１０６】
このように、釣合検討工程Ｓ１０８−６では、圧縮応力σcと引張応力σtとの関係式、圧縮応力σcと集中荷重Ｑ、及び引張応力σtと集中荷重Ｑの関係式をそれぞれ算出してから、継手部１３に曲げモーメントが作用した際に鋼管１８の下部１８ｂの内面と内部鉄筋コンクリート部分１５との間で発生する圧縮応力σcと鋼管１８の円周方向に発生する引張応力σtの釣り合いを検討する。
【０１０７】
そして、応力算出工程Ｓ１０８−７では、曲げモーメントによって発生する圧縮応力の大きさである圧縮応力σcと引張応力の大きさである引張応力σtをそれぞれ算出する。本実施形態では、釣合検討工程Ｓ１０８−６によって算出された関係式となる式（４）及び式（４）´に基づいて、圧縮応力σc及び引張応力σtをそれぞれ算出する。
【０１０８】
次に、継手部１３に作用する曲げモーメントとして、Ｓ部側の負担曲げモーメントＭｓとＲＣ部側の負担曲げモーメントＭｒを与えて、発生応力となる圧縮応力σcと引張応力σtが下記の式（５）及び式（６）の関係式を満たすことを確認する（許容値検討工程Ｓ１０８−８）。なお、式（５）は、めったに発生しない大地震発生時等を想定した終局設計時に用いる式を示し、式（６）は、日常的に発生する軽度な地震発生時等を想定した短期設計時に用いる式を示す。また、式（５）及び式（６）において、Ｆsは、鋼管の基準強度を示し、Ｆcは、コンクリートの設計基準強度を示す。
【０１０９】
【数５】
0006471445.tif 000006
【０１１０】
【数６】
0006471445.tif 000007
【０１１１】
許容値検討工程Ｓ１０８−８では、圧縮応力σcと引張応力σtがそれぞれ所定の許容値の範囲内にあるか否かを検討する。具体的には、終局設計時では、前述した式（５）の条件式に基づいて、圧縮応力σcと引張応力σtが許容値の範囲内か否かの検討が行われる。一方、短期設計時では、前述した式（６）の条件式に基づいて、圧縮応力σcと引張応力σtが許容値の範囲内か否かの検討が行われる。
【０１１２】
工程Ｓ１０８−８で圧縮応力σc及び引張応力σtに対して、許容値の範囲外と判定された場合には、継手部１３の仕様選定からやり直す場合に要するコストと、鋼管コンクリート部１２の仕様選定からやり直す場合に要するコストを比較する（仕様選定コスト比較工程Ｓ１０８−９）。そして、仕様選定コスト比較工程Ｓ１０８−９で継手部１３の仕様選定からやり直した方が安いと判定されたら、図７に示すように、工程Ｓ１０８−２に戻って、継手部１３のラップ長さＬの仕様選定からやり直す。一方、仕様選定コスト比較工程Ｓ１０８−９で鋼管コンクリート部１２の仕様選定からやり直した方が安いと判定されたら、工程Ｓ１０５に戻って、鋼管コンクリート部１２の仕様選定からやり直す。このようにして、継手部１３の不具合を解消するための必要コストを検討した上で、より好適な工程からの設計のやり直しを行えるので、杭設計におけるトータルコストを低減できる。
【０１１３】
また、本実施形態の場所打ち杭の設計方法は、せん断力検討工程Ｓ１０９において、図９に示す各工程Ｓ１０９−１乃至Ｓ１０９−６を行うことによって、シミュレーションで発生させた曲げモーメントによって継手部１３の鋼管１８の下部１８ｂと内部鉄筋コンクリート部分１５に作用するせん断力に対して、継手部１３のラップ長さＬ等の設計値の妥当性を検討することを特徴とする。
【０１１４】
前述した図５（Ｃ）で示したように、曲げモーメントＭの伝達に伴って、継手部１３の鋼管１８の下部１８ｂと内部鉄筋コンクリート部分１５との間には、せん断力が作用する。このため、せん断力検討工程Ｓ１０９では、継手部１３に作用する曲げモーメントＭによって付加されたせん断力と、地震力によるせん断力との合計が鋼管１８の下部１８ｂと内部鉄筋コンクリート部分１５の終局せん断耐力又は短期許容せん断耐力を超えないことを確認する。
【０１１５】
曲げ応力検討工程Ｓ１０８で継手部１３のラップ長さＬの設計値に対する曲げモーメントＭが許容値の範囲内である場合には、次に、せん断力検討工程Ｓ１０９において、継手部１３のラップ長さＬの設計値に対するせん断力の検討を行う。その際に、まず、梃子作用によってＲＣ部に付加されたせん断力Ｑr及びＳ部に付加されたせん断力Ｑsと、地震力によって継手部１３に作用するせん断力Ｑeとの総和となる総せん断力Ｑallを算定する（総せん断力算定工程Ｓ１０９−１）。すなわち、総せん断力算定工程Ｓ１０９−１では、継手部１３に作用する曲げモーメントによって付加されるせん断力と、略水平方向の荷重によって継手部１３に作用するせん断力の合計となる総せん断力を算定する。
【０１１６】
総せん断力Ｑallを算定したら、次に、継手部１３の仕様を選定する（継手部仕様選定工程Ｓ１０９−２）。本工程Ｓ１０９−２では、継手部１３の仕様として、主に、せん断補強筋の径や材質、ピッチ等の仕様について選定する。すなわち、前述した工程Ｓ１０８−２では、継手部１３の仕様として、ラップ長さＬの仕様を選定しているが、本工程Ｓ１０９−２では、せん断力の変動因子となるせん断補強筋の径や材質、ピッチ等の仕様について選定する。
【０１１７】
継手部１３の仕様選定が完了したら、次に、継手部１３における内部鉄筋コンクリート部分１５、すなわち内部ＲＣ部分のせん断耐力と鋼管１８のせん断耐力を算定する（せん断耐力算定工程Ｓ１０９−３）。具体的には、学会基準等を参照して、鋼管１８の終局せん断耐力Ｑus及び短期許容せん断耐力Ｑasと、ＲＣ部の終局せん断耐力Ｑur及び短期許容せん断耐力Ｑarを適切な値に算定する。なお、図９に示すフロー図では、総せん断力を算出する工程Ｓ１０９−１の後に工程Ｓ１０９−２、Ｓ１０９−３が行われているが、工程Ｓ１０９−１と工程Ｓ１０９−２及びＳ１０９−３を同時に行ってもよい。すなわち、総せん断力Ｑallと継手部１３における内部ＲＣ部分のせん断耐力と鋼管１８のせん断耐力を同時に算定してもよい。
【０１１８】
総せん断力Ｑallと内部ＲＣ部分のせん断耐力と鋼管１８のせん断耐力を算出したら、次に、総せん断力Ｑallが許容値となる内部ＲＣ部分のせん断耐力の範囲内か否かを検討する（内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程Ｓ１０９−４）。具体的には、終局時では、総せん断力ＱallがＲＣ部の終局せん断耐力Ｑurより小さいか否かを検討し、短期時では、総せん断力ＱallがＲＣ部の短期許容せん断耐力Ｑarより小さいか否かを検討する。
【０１１９】
工程Ｓ１０９−４で総せん断力Ｑallが内部ＲＣ部分の終局せん断耐力Ｑur又は短期許容せん断耐力Ｑarの範囲内にあると判定されたら、次に、総せん断力Ｑallが許容値となる鋼管部分のせん断耐力の範囲内か否かを検討する（鋼管せん断力検討工程Ｓ１０９−５）。具体的には、終局時では、総せん断力Ｑallが鋼管１８の終局せん断耐力Ｑusより小さいか否かを検討し、短期時では、総せん断力Ｑallが鋼管１８の短期許容せん断耐力Ｑasより小さいか否かを検討する。
【０１２０】
このように、本実施形態では、仮決めした継手部１３の設計値における鋼管部分及び内部ＲＣ部分のせん断力も検討した上で、当該設計値が最適値であるか再確認するので、継手部１３をより好適な仕様に設計することができる。
【０１２１】
なお、本実施形態では、工程Ｓ１０９−４、Ｓ１０９−５でそれぞれ算出値が許容値の範囲外であると判定された場合には、継手部の仕様選定からやり直した場合と、鋼管巻き部分の仕様選定からやり直した場合のコストを比較する。
【０１２２】
具体的には、工程Ｓ１０９−４で許容値となる内部ＲＣ部分のせん断耐力の範囲内にないと判定された際には、継手部１３のせん断力の変動因子となる構成要素の仕様選定からやり直した場合と、継手部１３のラップ長さＬの仕様選定からやり直した場合のコストを比較する（工程Ｓ１０９−６）。そして、継手部１３のせん断力の変動因子となる構成要素の仕様選定からやり直した方が低コストと判定されたら、工程Ｓ１０９−２に戻って、再度、継手部１３のせん断力の変動因子となる構成要素の仕様選定からやり直しを行う。
【０１２３】
一方、工程Ｓ１０９−６で継手部１３のラップ長さＬの仕様選定からやり直した方が低コストと判定された場合には、次に、継手部１３のラップ長さＬの仕様選定からやり直した場合と、鋼管巻き部分の仕様選定からやり直した場合のコストの比較を行う。そして、コストが低いと判定された方のやり直しを行う工程（工程１０５又は工程Ｓ１０８−２）に戻る。
【０１２４】
また、工程Ｓ１０９−５で許容値となる鋼管部分のせん断耐力の範囲内にないと判定された際には、継手部１３のラップ長さＬの仕様選定からやり直した場合と、鋼管巻き部分の仕様選定からやり直した場合のコストの比較を行う。そして、コストが低いと判定された方のやり直しを行う工程（工程１０５又は工程Ｓ１０８−２）に戻る。
【０１２５】
このように、本実施形態では、設計した継手部１３の不具合を解消するための必要コストを検討した上で、より好適な工程からの設計のやり直しを行える。このため、継手部１３の設計値の妥当性を検討して、当該設計値が妥当でないと判定された際に、より好適な工程から設計をやり直せるので、継手部１３のラップ長さＬの最適値をより効率的に設計することができる。
【０１２６】
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【０１２７】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、場所打ち杭の設計システムの構成、及び場所打ち杭の設計方法の動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  杭頭部鋼管巻き場所打ちコンクリート杭（場所打ち杭）、１１  杭体、１１ａ  杭頭部、１２  鋼管コンクリート部、１３  継手部、１４  鉄筋コンクリート部、１５  内部鉄筋コンクリート部分、１６  主筋、１６ａ  上端部、１８  鋼管、１８ｂ  下部、２０  内部コンクリート（内部構造部分）、１００  （場所打ち杭の）設計システム、１０１  コンピュータ、１０２  記憶部、１０４  記憶媒体、１０６  ＲＡＭ、１０８  ＲＯＭ、１１０  ＣＰＵ（演算部）、１１２  設定部（曲げ応力設定部、せん断力設定部）、１１４  判定部（曲げ応力判定部、せん断力判定部）、１１６  決定部（継手部仕様決定部）、１２０  入力部、１２２  出力部、１２４  通信部、１２５  システムバス、１２６  インターネット、Ｓ１０８  曲げモーメント検討工程、Ｓ１０８−６  釣合検討工程、Ｓ１０８−７  応力算出工程、Ｓ１０８−８  許容値検討工程、Ｓ１０８−９  仕様選定コスト比較工程、Ｓ１０９  せん断力検討工程、Ｓ１０９−１  総せん断力算定工程、Ｓ１０９−２  継手部仕様選定工程、Ｓ１０９−３  せん断耐力算定工程、Ｓ１０９−４  内部鉄筋コンクリート部分せん断力検討工程、Ｓ１０９−５  鋼管せん断力検討工程、Ｓ１０９−６  仕様選定コスト比較工程、Ｓ１１０  検定比検討工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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