JP5527120B2

JP5527120B2 - 外殻鋼管付きコンクリート杭

Info

Publication number: JP5527120B2
Application number: JP2010200786A
Authority: JP
Inventors: 直人森; 宏征田中; 裕貴日下; 幸仁吉澤; 幸夫阿部
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: JP2012057342A

Description

本発明は、土木・建築用基礎部材として用いられる外殻鋼管付コンクリート杭（以下、「SC杭」）に関するものである。

SC杭は、主に地表面付近の上杭として使用され、構造物を支えるための軸力に加えて地震発生時の水平力および曲げモーメントに耐えうるべく、高強度コンクリート杭の外に鋼管を設置することにより高い曲げ性能を有する杭である。

従来のSC杭は、その外殻鋼管としてはJIS A 5525 に記載されているSKK400（短期許容応力は235（N/mm²）程度）やSKK490(短期許容応力は325（N/mm²）程度)と同等の強度の鋼管を用い、コンクリートとしてはその設計基準強度が80（N/mm²）（短期許容応力は40（N/mm²））や105（N/mm²）（短期許容応力は60（N/mm²））程度のコンクリートを用いた杭が知られている（例えば、非特許文献１等）。

しかしながら、近年は、構造物の高層・大型化が進み、それに伴って従来よりも大きな支持力を備える杭及びその工法が提案されており（例えば、特許文献１）、その影響でSC杭にも更なる曲げ性能の向上が望まれている。

ところで、SC杭に高い曲げ性能を付与する手段としては、最も単純には鋼管の板厚を厚くすることやコンクリートの壁厚を厚くすることが考えられる。
特開2005-139900号公報 JP-SC105パイル及びJP-HSC105パイル：（財）日本建築センター評定番号FD0180-05

しかし、鋼管の板厚を厚くする方法は、SC杭のコスト内訳のなかで鋼管の材料コストは大きな部分を占めているため、単純に板厚を厚くするのでは、大きなコスト増となってしまう。

また、スパイラル鋼管としての製造可能な板厚を超えると、プレスベンド鋼管等のさらに高価な鋼管を使用することになるのでさらにコストが著しく増大する。一方、コンクリートの壁厚を厚くする方法は、コンクリートの壁厚を増加させることによる曲げ性能の向上効果は限定的である。

そこで、曲げ性能を向上させる手段として、鋼管とコンクリートの材料強度を変更することが考えられる。

しかし、所要の外力に耐えうる鋼管の材料強度、コンクリートの材料強度、および鋼管の板厚には無限の組合せがあるため、外力に見合った最適なSC杭の提供はきわめて困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、杭体に作用する外力に対して、鋼管ならびにコンクリートの材料強度について最適な組合せを選定することにより鋼管の板厚を最も抑えることのできる、経済性に優れたSC杭を提供することを目的とするものである。

請求項１記載のSC杭は、鋼管材料の強度と、コンクリートの強度と、鋼管のヤング率と、コンクリートのヤング率との関係が、式(1)の関係を満たすことにより前記鋼管の板厚が抑制され、鋼管の地震時に許容される応力fsが350(N/mm ² )以上となるように構成されてなることを特徴とするものである。
また、請求項２記載のSC杭は、請求項１記載のSC杭において、式(1)の上限を1.1としたものであることを特徴とするものである。

ここに、fs：鋼管の地震時に許容される応力(N/mm²)
fc：杭体コンクリートの地震時に許容される応力(N/mm²)
Ec：コンクリートのヤング率(N/mm²)
Es：鋼管のヤング率(N/mm²)

軸力および曲げを受けるSC杭において、鋼管およびコンクリートに発生するひずみと応力状態は、図１（ｃ）に図示するようになる。

図１（ｃ）において、圧縮側縁端における軸方向ひずみをεとすると、鋼管の圧縮側縁端に発生する応力σs、およびコンクリートの圧縮側縁端に発生する応力σcは以下のようになる。

なお、鋼管の板厚は杭径に対して十分小さいものとしている。
このとき、σsが鋼管の地震時に許容される応力fsに達するか、σcがコンクリートの地震時に許容される応力fcに達した時点で、SC杭としての地震時に許容される曲げモーメントに達したことになる。コンクリートの発生応力σcがfcに達する条件は、式（１）の左側で表される。

なお、鋼管の地震に許容される応力fs、コンクリートの地震時に許容される応力fcは、建築分野においては、それぞれ、鋼管の短期許容応力、コンクリートの短期許容応力を意味する。

図２は、非地震時の許容支持力として12000（kN/m²）である高支持力杭工法の上杭にSC杭が用いられた場合において、短期軸力（非地震時の軸力 NL（非地震時の許容支持力12000（kN/m²）に等しいものとする。）に、地震時の変動軸力NEとしてNLの0.5倍を加算又は減算した値）のもとで、地震力の水平力HとしてNLの0.15倍が作用した場合に（図７参照）、この外力に耐えうるのに必要な外殻鋼管の板厚tを、SC杭における式（１）のパラメータの値との関係で整理したものである。

ここで、SC杭に係る数値として、表１の値を用いた。

また、図２の縦軸は、同一径、同一コンクリート強度の条件において、鋼管の地震時に許容される応力を変化させた場合に最も薄くなる板厚をt_opt として、各条件における必要板厚tとt_optとの比t/ t_opt を示している。

図２に示す通り、横軸すなわち式（１）のパラメータの値が１である場合を臨界点として、１より小さい場合は、横軸の値を大きくするほど（単純には鋼管の強度を大きくするほど）鋼管の必要板厚は減少するが、１を超えると必要板厚は変わらない。

以上より、式（１）の左側の関係を満たせば、板厚の最も薄いSC杭となることがわかる。かえって横軸の値を必要以上に大きくしても板厚は減少せず鋼材コストが高くなるので、式（１）のパラメータが１のときが最も効率がよい。

しかし、製造バラツキ等の安全シロを考慮して、式（１）のパラメータの上限は1.0〜1.2程度とする。

請求項３記載のSC杭は、請求項１または２記載のSC杭において、鋼管の地震時に許容される応力f_sと、非地震時においてSC杭に作用する軸力Nと、杭の断面積（中空部分を含む）A_pに関して、以下の式を満たすように構成されてなることを特徴とするものである。

ここに、N：非地震時においてSC杭に作用する軸力(kN)
Ap：杭の断面積（中空部分含む）(m²)

請求項４記載のSC杭は、請求項１〜３のいずれかひとつに記載のSC杭において、鋼管の地震時に許容される応力が400〜440(N/mm²)であるように構成されてなることを特徴とするものである。

本発明は、鋼管材料の強度と、コンクリートの強度と、鋼管のヤング率と、コンクリートのヤング率との関係が、式（１）の関係を満たすように構成されていることにより、杭体に作用する外力に対して、鋼管ならびにコンクリートの材料強度について最適な組合せを選定することにより鋼管の板厚を最も抑えることのできる、経済性に優れたSC杭を提供することができる。

高強度コンクリート杭の外側に外殻鋼管を設置して形成されたSC杭を示し、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は横断面図、（ｃ）は軸力（圧縮）と曲げを受けるSC杭において、鋼管およびコンクリートに発生するひずみと応力状態を示す図である。非地震時の許容支持力として12000（kN/m²）である高支持力杭工法の上杭にSC杭が用いられた場合において、短期軸力のもとで、地震力の水平力として非地震時に作用する軸力の0.15倍が作用した場合に、この外力に耐えうるのに必要な外殻鋼管の板厚を、SC杭における式（１）のパラメータの値との関係で整理した図である。式（１）の関係を保ちながら鋼管の地震時に許容される応力を変化させた場合の必要板厚について、地震時に許容される応力が235（N/mm²）の場合と比較した場合の減少率を示す図である。鋼管の地震時に許容される応力が235（N/mm²）、350（N/mm²）、500（N/mm²）の場合における地震時に許容されるモーメントに関する軸力−曲げモーメントを示す図である。 SC杭に非地震時に作用する軸力の大きさ、地震時の変動軸力の割合、水平力の条件を変更した場合において、臨界点となる鋼管の地震時に許容される応力と、SC杭に作用する軸力を横軸として表示した図である。非地震時の作用軸力を杭の断面積で除した値が12000（kN/m²）の場合と16000(kN/m²)の場合における、地震時に許容される応力と、板厚の減少/地震時に許容される応力の増分の関係を表した図である。軸力（圧縮）と水平力を受けるSC杭を示す図である。

図１（ａ），（ｂ）は、請求項１に係る発明の一実施形態を示し、SC杭１は、コンクリート２の外周に鋼管３を設置することにより形成され、鋼管３には地震時に許容される応力fsが350（N/mm²）以上の鋼管が用いられている。

現在のSC杭に用いられている鋼管３の地震時に許容される応力fsは、JIS A 5525 に記載されているSKK400（235N/mm²程度）やSKK490(325N/mm²程度)と同等であり、これを、鋼管３の地震時に許容される応力fsを350(N/mm²)以上とすることにより、従来のSC杭よりも鋼管３の板厚を減じることができ、経済的なSC杭を提供することができる。これについて、以下に説明する。

図３は、式（１）の関係を保ちながら鋼管３の地震時に許容される応力fsを変化させた場合の必要板厚について、地震時に許容される応力fsが235（N/mm²）の場合と比較した場合の減少率を示したものである。

なお、ここでは、図２の結果を誘導した条件と同様に、非地震時の許容支持力として12000（kN/m²）である高支持力杭工法の上杭にSC杭１が用いられた場合を想定している。

また、図３には、点線にて、板厚の減少が鋼管３の強度上昇に逆比例すると仮定した場合を併記している。これは、鋼材強度の上昇した分、板厚の減少が期待できるという、一般的な予想値を記述したものである。

図３に示すように、式（１）の関係を保った場合、必要板厚は、鋼管３の地震時に許容される応力fsが350（N/mm²）程度以下の領域では、地震時に許容される応力fsを上昇させるにつれて必要板厚が大きく減少する。

これは、鋼管３自身の強度上昇分に加えて、鋼管３が地震時に許容される応力fsに達するまでにコンクリート杭２により多くの荷重を分担できる効果があるためである。

板厚減少の度合いは、種々の設計条件にもよるが、図３の条件では、鋼管３の降伏強度が235（N/mm²）の場合に比して75%程度、鋼管の降伏強度が325（N/mm²）の場合に比しても40%程度にも上る。

一方、鋼管３の地震時に許容される応力fsが概ね350（N/mm²）以上の領域では、それ以下の場合と比較して強度上昇による必要板厚の減少度合いが小さくなる。

これは、以下の理由による。

図４は、鋼管３の地震時に許容される応力fsが235（N/mm²）、350（N/mm²）、500（N/mm²）の場合における地震時に許容されるモーメントに関する軸力−曲げモーメント図を示したものである。図中、黒丸のプロットは、損傷限界時の外力の例を示す。なお、外力の条件は図２を導出した条件と同一である。

鋼管３の地震時に許容される応力fsが小さい場合（235（N/mm²））は、地震時の変動軸力NEが正にかかった場合の照査で設計が決まっている。一方、鋼管３の地震時に許容される応力fsが十分大きい場合（500（N/mm²））は、地震時の変動軸力NEが負にかかった場合の照査で板厚が決まる。

地震時の変動軸力NEが正にかかった場合の照査で決まる場合（鋼管３の地震時に許容される応力fsが低い場合）は、鋼管３の強度を上昇させることで、コンクリート杭２に荷重をより多く伝達できるために、板厚を大きく減らすことができるが、地震時の変動軸力NEが負にかかった場合の照査で決まる場合（鋼管３の地震時に許容される応力fsが十分大きい場合）は、軸力が小さく、曲げ耐力にコンクリート杭２の強度がほとんど寄与しないので、鋼管３の地震時に許容される応力fsを上昇させても板厚の減少はあまり期待できない。

鋼管３の地震時に許容される応力fsを上昇させることは、化学成分、コイルの製造条件、製管条件、溶接条件等の技術的障害が増加し、また製造コストについてもそれらに従って上昇する。その臨界点は概ね350（N/mm²）である。

請求項２に係る発明の一実施形態として、SC杭１は、鋼管３の地震時に許容される応力fsと、SC杭１に非地震時に作用する軸力N と、SC杭１の断面積Apが、式（４）を満たすように構成されている。

図５は、SC杭１に非地震時に作用する軸力NL(kN)の大きさ（SC杭１に非地震時に作用する軸力NLをSC杭１の断面積Apで除したものが6000〜16000(kN/m²)）、地震時の変動軸力NEの割合（地震時の変動軸力NEが非地震時に作用する軸力NLの0.5倍〜1倍）、水平力Hの条件（水平力Hが非地震時に作用する軸力NLの0.15〜0.2倍）を変更した場合において、図３と同様に臨界点となる鋼管３の地震時に許容される応力fsを求め、SC杭１に作用する軸力を横軸として表示したものである。

横軸の値が同一のものについては、軸力変動の割合、水平力Hの各条件を変更しても、臨界点となる鋼管３の地震時に許容される応力fsへの影響はそれほど大きくない。

一方、非地震時に作用する軸力NLを変更した場合には、臨界点となる鋼管３の地震時に許容される応力fsに変化が表れ、非地震時に作用する軸力NLが大きい程、臨界点となる鋼管３の地震時に許容される応力fsは高くなり、その値はSC杭１に作用する軸力に対して一次の相関関係となる。

非地震時にSC杭１に作用する軸力NLと、臨界点となる鋼管３の地震時に許容される応力fsとの関係は、概ね式（４）の関係に内包される。

式（４）よりも軸力が上方にある領域では、鋼管３の地震時に許容される応力fsが不足する影響で、鋼管３の板厚が厚くなってしまい、経済的ではない。

また、式（４）よりも軸力が下方にある領域では、鋼管３の地震時に許容される応力fsが必要以上に高く、鋼管３の地震時に許容される応力を下げても、必要板厚に大きな変化はないため、鋼管３の地震時に許容される応力を下げることが望ましい。

従って、式（４）に合致する領域で使用するSC杭１が、与えられた外力条件に対して、板厚を最も効果的に抑えるための鋼管３を有する SC杭を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明の一実施形態として、SC杭１は、鋼管３の地震時に許容される応力fsが400〜440(N/mm²)程度であるように構成されている。

昨今、高支持力の工法が増えてきていることは前述の通りである。当該工法の場合、先端支持層が十分固い場合は（Ｎ値にして、50〜60程度）、非地震時の作用軸力を杭断面積で除した値が12000〜16000(kN/m²)程度となる場合もあり、現状の強度の鋼管（SKK400、SKK490程度）であれば、上記のケース（鋼管３の地震時に許容される応力fsが不足して板厚が厚くなり、不経済なケース）に該当することになる。

従って、非地震時の軸力NLが前記のように大きくなる場合については、式（１）の関係を満たした上で、現状の鋼管よりも、地震時に許容される応力fsが高い鋼管を使用することにより、板厚を著しく減少でき、経済的なSC杭を提供することが可能である。

図３において、非地震時の作用軸力NLを杭断面積Apで除した値が12000〜16000(kN/m²)の範囲を網羅する鋼管３の地震時に許容される応力fsとして、400(N/mm²)程度のものを用いることが好ましいと考えられる。

図６は、非地震時の作用軸力NLを杭の断面積Apで除した値が12000（kN/m²）の場合と16000(kN/m²)の場合における、地震時に許容される応力fsと、板厚の減少/地震時に許容される応力の増分の関係を示したものである。

なお、非地震時の作用軸力NL以外の条件としては、図３を導出した時のものと同様である。

図中の縦軸は、鋼管３の強度上昇に対して、どの程度板厚を軽減できるかを示したものであり、この数値が高い程、鋼管３の強度上昇による板厚低減の余地が残されていることを示し、この数値が低い程、鋼管３の強度上昇を行っても板厚低減が図り辛いことを表している。

図中、鋼管３の地震時に許容される応力fsが350〜400(N/mm²)程度で急激に縦軸の値が小さくなっていることが分かる。従って、鋼管３の地震時に許容される応力fsが400(N/mm²)程度の鋼管を用いることにより、効率的に鋼管３の板厚を抑えたSC杭を提供することが可能となる。

なお、実用上は、種々の設計条件のばらつきに対する安全シロを考慮し、鋼管３の地震時に許容される応力fsが400〜440(N/mm²)程度の鋼管３を用いることが望ましい。

本発明は、杭体に作用する外力に対して、鋼管ならびにコンクリート杭の材料強度について最適な組合せを選定することにより鋼管の板厚を最も抑えることのできる、経済性に優れたSC杭を提供することができる。

１ SC杭
２コンクリート杭
３鋼管

Claims

SC杭を構成する鋼管およびコンクリートにおいて、当該鋼管における地震時に許容される応力fs 及びヤング率Esと、当該コンクリートにおける地震時に許容される応力f_c及びヤング率E_cとの関係が、以下の式を満たすことにより前記鋼管の板厚が抑制され、鋼管の地震時に許容される応力f _s が350(N/mm ² )以上となるように構成されてなることを特徴とするSC杭。

ここに、f_s：鋼管の地震時に許容される応力(N/mm²)
f_c：杭体コンクリートの地震時に許容される応力(N/mm²)
E_c：コンクリートのヤング率(N/mm²)
E_s：鋼管のヤング率(N/mm²)
請求項１記載のSC杭において、式(1)の上限を1.1としたものであることを特徴とするSC杭。
請求項１または２記載のSC杭において、鋼管の地震時に許容される応力f_sと、非地震時においてSC杭に作用する軸力Nと、杭の断面積（中空部分を含む）A_pに関して、以下の式を満たすように構成されてなることを特徴とするSC杭。

ここに、N：非地震時においてSC杭に作用する軸力(kN)
A_p：杭の断面積（中空部分含む）(m²)
請求項１〜３のいずれかひとつに記載のSC杭において、鋼管の地震時に許容される応力が400〜440(N/mm²)であるように構成されてなることを特徴とするSC杭。