第27回土木鋼構造シンポジウム

鋼管杭の変形特性を活かした建築基礎の２次設計法

20240215
土方勝一郎
1

検討の背景（その１）・建築基準法では杭基礎に対し二次設計の規定はないが、BCP(事業継続計画)や資産保護の観点から、建築杭基礎への二次設計の要請は官民で高まっている。

・例えば、国交省は「防災拠点建築物を対象とした大地震後の機能継続ガイドライン」を取りまとめその活用を促している。
・鋼管杭は高い強度を有し靭性に富むため、既製コンクリート杭等に比較し二次設計に適している。
・2019年に改訂された日本建築学会「建築基礎構造設計指針」には杭基礎の二次設計法が示された。ただし、杭種に応じた具体的な計算手順等は必ずしも明らかではない。
2

検討内容の背景（その２）・以上の状況を踏まえ、(一社)日本鉄鋼連盟の委託業務として(一社)日本鋼構造協会に研究小委員会を設置した。
＜小委員会体制＞【 名 称 】建築基礎鋼管杭の二次設計法構築に向けた研究小委員会【構成委員】産官学の15名で構成（土方委員長、田村幹事）【小委員会】2019年度～2021年度（3年間）【サブＷＧ】〇群杭フレームモデル検討ＷＧ
設計ツール(群杭フレームモデル)の整備と２次設計法の構築〇杭体変形性能ＷＧ
コンクリート充填鋼管杭(CFT杭)の性能評価【研究成果】「建築基礎鋼管杭の二次設計法に関する技術説明資料」
2022年8月(JSSCテクニカルレポートNo.127)を発刊。

3

JSSCテクニカルレポートNo.127の内容①鋼管杭(CFT杭を含む)の強度と変形性能(３章)→現在、建築分野では規定のないCFT杭の強度と変形性能を明らかにした。

②設計用荷重を用いた群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(２章)→鋼管杭・CFT杭を対象に、群杭フレームモデルにより設計荷重に対する杭応力の計算方法を示した。

③試計算事例の検討(４章)→「限界耐力状態」に対する「限界変形状態」の耐力上昇を確認し、限界変形をクライテリアとする二次設計法の効果を確認した。

本日はこの内容を紹介する

4

CFT杭の強度と変形性能(1)CFT杭(コンクリート充填鋼管杭)とは鋼管杭（コンクリート充填部）

現場打設
コンクリートずれ止め

内面突起付き素管

CFT杭

鋼管杭

鋼管杭

通常の鋼管杭通常の鋼管杭内面突起付き鋼管（リブ付き鋼管）を用いて鋼管とコンクリートの一体化を図ったCFT構造(Concrete Filled steel tube)の杭。
• 中込コンクリートを現場打設する関係から、長さは杭頭から最大で10mとなる。
• CFT杭の下は通常の鋼管杭。
• 板厚はCFT杭≧直下の鋼管杭とする。

CFT杭

CFT杭

現状、CFT杭の強度と変形性能は明らかではない

5

テクニカルレポートの検討説明(鋼管杭の強度と変形性能）
CFT杭の強度と変形性能(2)2019年「AIJ基礎構造設計指針」
附録に鋼管杭とコンクリート充填部（杭頭から0.5×杭径の範囲）の強度と変形性能が示された。
2022年「AIJ基礎部材の強度と変形性能」(部材解説書)

2008年「AIJコンクリート充填鋼管構造設計施工指針」(CFT指針)上部構造に関するCFT構造の強度と変形性能が示された。

鋼管杭とコンクリート充填部の強度と変形性能が詳細に示された。
現状、CFT杭の規定はない「建築基礎鋼管杭の二次設計法確立に向けた研究小委員会」にてCFT杭(コンクリート充填鋼管杭）の強度と変形性能を検討する。
→既往の実験結果を整理して、CFT指針に準拠して検討推進

6

CFT杭の強度と変形性能(3)＜CFT杭の終局強度＞
・CFT杭(リブ付き鋼管)の過去の実験は少ない。(CFT指針はリブのないCFT構造を対象としている）

・現状では、CFT杭に対応するリブ付き鋼管の実験は九州大学松井千秋教授が行った５体の試験結果があるのみ。
・今回はこの結果を整理。

リブ付き鋼管のCFT指針との比較(M-N曲線)

リブ付き鋼管５体の実験結果
はCFT指針のM-N関係を上回っている。

7

CFT杭の強度と変形性能(4)〇：リブ無し◆：リブ有＜CFT杭の限界変形角＞
・CFT指針の限界変形角はリブのないCFTの限界変形角(〇でプロット)に基づき設定されている。

CFT指針

CFT指針×0.8

CFT杭の限界変形角・CFT杭(リブ付き鋼管)の限界変形角(◆でプロット)は、CFT指針からやや低下する傾向が認められる。

安全を見て、CFT杭の限界変形角はCFT指針の評価式の0.8倍とした。

8CFT杭の強度と変形性能(5)曲げモーメントMu

0.001K

Ma

K：鋼管と充填コンクリートを全断面有効とした剛性
0.65K
K
φMa

＜CFT杭のM-φ関係＞
・CFT杭のM-φ関係は基本的にCFT指針に準じる。(曲率φは変形角から設定した)・ただし、限界曲率(φu)はCFT指針の0.8倍とする。
・評価に用いた実験のパラメー
タから本評価法の適用範囲は以下とする。

φMuφu
曲率 （回転角から換算）
曲率(回転角から設定)

CFT杭のM-φ関係(Ma,Muは軸力に応じて変化)9群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(1)＜2019AIJ建築基礎構造設計指針＞

群杭フレームモデル

・鋼管杭ではレベル2荷重に対し限界変形を設計用限界値とする道が開かれた。
・また、その計算手段として「群杭フレームモデル」が提案された。

しかしながら「群杭フレームモデル」に基づく詳細な計算方法は明らかではなく、本小委にて検討を進めることとした。

基礎梁と一列の群杭をモデル化し、静的増分解析を実施

10

群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(2)

杭体のＭ-φ関係を設定

地盤を等価な非線形ばねに置換・「地震時の建物慣性力」「建物の常時軸力＋変動軸力｝「地震時の地盤変位」を同時に作用させる。
・非線形性を考慮した杭体のM-φ関係を設定し、杭周地盤は非線形ばねにモデル化する。
・杭頭を基礎梁で連結することにより、各杭の応力と変位の適合条件を満足。→非線形性に伴う杭応力の再配分を考慮可能

11

群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(3)
地震力に対する杭基礎の限界状態として以下の２つが考えられる。
「限界耐力状態」「限界変形状態」
JSSCレポートでは変形性能に富む鋼管杭の特性を生かした「限界変形状態」に対応した杭設計を目指す。
＜限界耐力設計＞「１本の杭の１箇所が限界耐力に達した」時点を限界状態とする。

12

群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(4)

変形性能に富む鋼管杭(CFT杭)では「限界変形状態」に基づく設計により、杭の合理化を図ることが可能＜限界変形設計＞「1本の杭が限界変形に達した時点」あるいは「１本の杭の複数個所が限界耐力に達した時点」を限界状態とする。
13

群杭フレームモデルによる鋼管杭・CFT杭の設計方法(5)
荷重条件の設定
鋼管杭諸元設定杭
１回目の計算に基づく付加軸力

群杭フレームモデルの設定

杭のMーφ関係の算定
レベル２荷重の断面力算定
杭応力の収束YES

レベル２荷重の断面力確定

M

常時荷重による軸力

付加軸力による収束計算

常時荷重によるM-φ関係

φM
２回目
杭１回目の計算に基づくM-φ関係

MNO
2回目の計
算に基づく
付加軸力

１回目

杭

φ

３回目
2回目の計算に基づくM-φ関係

φNO

限界変形以内YES
END

付加軸力によって鋼管杭のM-φ関係を変化させ収束計算を実施

14

試計算事例(1)・３種の地盤を設定し、防災拠点を想定した建物で試計算を実施。

・基礎の「限界耐力」と「限界変形」を把握する。
用途

病院

構造

鉄骨ラーメン構造

階数

地上５階(塔屋あり)

延床面積 約5000m2
建築面積 約1000m2

基準階平 X方向：6.0m×６スパン
面
Y方向：10.0m×２スパン(地上１階に低層部分有り)
固有周期 0.72秒

15試計算事例(2)第1断面：CFT杭(4.7m)
第2断面：鋼管杭(2.0m)

第3断面：鋼管杭(14.3m)

・杭は中堀工法の鋼管杭（上部CFT杭、下部鋼管杭）。1柱1杭方式。
・３種の地盤に対し現状のプラクティスによって杭断面を設計(限界耐力状態に対し若干の余裕あり)・上図の３方向の杭列を取り出して「限界耐力状態」と「限界変形状態」を計算。

16

試計算事例(3)＜限界変形の計算方法＞(1) 増分解析条件の設定
設計荷重（変動軸力(転倒M)、建物慣性力、地盤変位）のA倍(限界変形を超える倍率)の目標荷重を設定(2) 増分解析の実施
各荷重を同じ比率で増加させ限界変形への到達を確認(3) 各杭のM-Φ関係の再設定
限界変形到達時の杭軸力に基づき各杭のMφ関係を修正(4) 増分解析の繰り返し実施
前回解析との杭軸力の差が小さくなるまで「M-Φ関係の再設定→増分解析」を繰返す

(5) 杭応力・変形の評価
17

試計算事例(4)＜限界耐力照査、限界変形照査＞
・群杭フレームモデルを使用し、設計荷重を越える外力を作用させ、杭が「限界耐力状態」及び「限界変形状態」に達する荷重を把握する。
・慣性力、地盤変位とも設計荷重を比例させて増加させる。

18

試計算事例(5)地盤①
地盤②

表中の数値は設計荷重との比率

基礎版変位-水平荷重関係
・地盤①では、限界耐力に対し限界変形で耐力が1.69倍に増加。
・一方、地盤②では耐力上昇は1.01倍しかなかった。

19

試計算事例(6)

地盤①X2通り
数字は設計荷重からの倍率、〇はヒンジ、×は限界変形＜地盤①、X2通りの検討結果＞
・限界耐力状態に対し限界変形状態の耐力上昇は1.69倍(1.77/1.05)。
・Y3杭地中位置にヒンジが形成されるまで、各杭の杭頭にヒンジが形成されることにより、大きな耐力上昇が生じた。

20

試計算事例(7)数字は設計荷重からの倍率〇はヒンジ、×は限界変形

地盤②X2通り＜地盤②、X2通りの検討結果＞
・限界耐力状態に対し限界変形状態の耐力上昇は1.01倍(1.21/1.20)。
・Y3杭の地中部(鋼管部分)が限界耐力に達し、同じ位置が限界変形に達したことによる。(他の位置にヒンジは発生しなかった)

今回の地盤②の設計断面は適切ではなかった。地中部の設計断面を見直すことで、限界変形で大きな耐力上昇を見込むことが可能。

21

まとめ(小委員会の成果)• CFT杭の強度と変形性能を明らかとした。
• 群杭フレームモデルに基づき、群杭の限界耐力と限界変形を確認する方法(限界耐力照査法、限界変形照査法)を示した。本方法に基づき、鋼管杭・CFT杭の変形性能を生かした二次設計が可能である。
• 「限界変形状態」をクライテリアとすることで「限界耐力状態」をクライテリアとする場合と比べ、基礎の水平耐力が大幅に増加することを確認した。
• CFT杭の変形性能を十分に活用するためには、下杭にも適切な余力を確保するなど、バランスの取れた杭断面を設定する必要があることが分かった。
22

今後の課題(1)「限界変形に基づく二次設計法」確立のためには以下の検討が必要である。

①上部構造と基礎構造の相互影響を踏まえた、両者のバランスを適切に確保する設計法の構築②限界変形に対する適切な余裕度の設定。

③群杭フレームモデルの高度化、あるいはそれに代わる解析方法の確立（動的解析の知見の取り込みも含む）

建築基礎鋼管杭の一体解析研究小委員会
2022～2025年度実施(JSSCに設置）
終了後テクニカルレポートを発刊予定

23

今後の課題(2)上部・下部
一体解析モデル

基礎崩壊型

上部構造崩壊型

バランス型

・上部構造と下部構造の一体解析の実施により、両者の相互影響を把握する。

・それを踏まえて、上部構造と下部構造の耐力と変形性能のバランスはどうあるべきか検討する。
24

テクニカルレポートNo.127の購入方法

日本鋼構造協会HPのバー
ナー「刊行物」をクリック

25

ご清聴ありがとうございました。

26