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杭基礎の設計のなぜ? 解決フォーラム
常時,暴風時及びレベル1地震時の杭基礎の計算を
「FRAMEマネージャー」でモデル化する方法は?

 杭基礎の計算方法
「基礎の設計計算,杭基礎の設計」をはじめ当社の「道路橋示方書・同解説IV下部構造編(平成24年3月)社団法人日本道路協会」(以下、「道示IV」とします。)に準じた杭基礎計算機能を有しているプログラムでは、常時,暴風時及びレベル1地震時の杭基礎の安定計算および杭体断面力を次のように計算しています。

  1. 杭1本ごとに、杭軸直角方向ばね定数K1〜K4,杭軸方向ばね定数Kvを求める。
  2. 道示IV(解12.7.2)のフーチング下面中心におけるバネマトリックスを作成する。
  3. 作用力(Ho,Vo,Mo)と2)のバネマトリクスを用いて、道示IV(解12.7.1)により原点変位を算出する。
  4. 道示IV(解12.7.4)より、杭頭の杭軸方向変位,杭軸直角方向変位を求める。
  5. 道示IV(解12.7.3)より、杭頭反力を求める。
  6. 杭1本の弾性床上梁モデルに杭頭の軸直角方向反力および曲げモーメントを載荷し、杭体曲げモーメント、せん断力分布を求める。

以上のとおり、フーチング,杭体を含めたラーメンモデルは作成しておりませんが、2次元解析,杭配置が整形配置,全杭が直杭で同一条件の場合、以下のFRAME(面内)モデルと等価となります。
 FRAMEモデル
FRAME(面内)モデル化は、右図のとおりです。

  1. フーチング下面位置に剛部材を設けます。
  2. 杭中心位置に杭1本の断面積A,断面二次モーメントI,ヤング係数Eを有した部材を設けます。断面変化がある場合は、断面変化位置に格点を設け部材を分割します。また、[1.]との結合部は、杭頭剛結のとき剛結合、杭頭ヒンジのときピン結合とします。
  3. 「1」の杭部材に部材軸直角方向の分布バネを設け、バネ値を水平方向地盤反力係数kH(kN/m3)に杭径D(m)を乗じた値(kN/m2)とします。
  4. 杭頭の格点(杭部材と[1.]との結合点)に支点を設け、杭軸方向ばね定数Kvを鉛直方向バネ値として設定します。
  5. 杭部材先端の格点に支点を設け、杭先端条件に応じて水平方向,回転に対する支点条件を設定します。
      ・杭先端固定 :水平:固定,回転:固定
      ・杭先端ヒンジ :水平:固定,回転:自由
      ・杭先端自由 :水平:自由,回転:自由
      ・杭先端バネ :水平:Ks(kN/m),回転:Kr(kN・m/rad)
  6. フーチング下面中心位置の格点に作用力(Ho,Vo,Mo)を計算方向と直交する方向の杭列数で除した値(H,V,M)を格点集中荷重として載荷します。

以上が等価なFRAMEモデルですが、「FRAMEマネージャー」では、1つの剛域ブロックに複数の支点を設定することができませんので、次のいずれかの方法で近似する必要があります。
・[1.]のフーチング部材をEA,EIが大きな一般部材とする。
・[4.]の鉛直方向支点バネを[5.]の支点に移動し、あわせて、杭部材のAを大きな値にし部材の伸縮の影響を抑える。

■図1 杭基礎の解析モデル

     
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(Up&Coming '13 新年号掲載)
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