JP7728111B2 - 建物の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は基礎構造と建物及び基礎構造の設計方法に関する。

中高層建物や超高層建物の基礎構造形式は、建物の底面を直接支持する地盤（支持地盤）の強度に応じて選択されることが一般的である。支持地盤が強固である場合はべた基礎などの直接基礎が選択されることが多いが、支持地盤の強度が十分でない場合は杭基礎が選択されることがある。杭は通常、強固な地層まで達するように設けられるため、強固な地層が深い場合には杭が長尺となり、杭のコストが増加する。このため近年では、従来の杭基礎に代えて、建物の沈下量を要求性能値内に収めるために必要最小限の摩擦杭を直接基礎と併用する基礎構造が用いられることがある。このような直接基礎と杭基礎の中間的な基礎構造はパイルド・ラフト基礎と呼ばれることがある（特許文献１）。パイルド・ラフト基礎は杭を強固な地層まで達するように設ける必要がなく、杭の本数も削減できる場合があるので、コストダウンや工期短縮のための有力な方策と考えられている。

特開２０１０－５９６５５号公報

パイルド・ラフト基礎は合理的な基礎構造であるが、長期荷重と短期荷重に対し杭と基礎スラブと地盤の相互作用を考慮する必要があり、一般に設計が複雑化する。

本発明は設計の単純化が可能な基礎構造とその設計方法を提供することを目的とする。

本発明は基礎構造と、基礎構造に支持される上部構造と、を有し、基礎構造は上方視で長辺と短辺とを有する矩形形状の基礎スラブと、基礎スラブの下面に接続された複数の杭基礎と、を有する建物の設計方法に関する。建物の設計方法は、基礎スラブの短辺の長さをＳ、基礎スラブと上部構造の合計高さをＨとするとき、Ｈ／Ｓが４以上となるように基礎スラブの短辺の長さと合計高さとを決定することと、建物の沈下量の所定の基準値を満足する、基礎スラブの支持地盤を選定することと、複数の杭基礎を、長辺に沿った杭基礎の数が短辺に沿った杭基礎の数より多くなるように、基礎スラブの周縁部だけに設けることと、複数の杭基礎を短期荷重のみを負担するように設計することと、基礎スラブと複数の杭基礎をＮ値５０以上の地盤に支持させることと、を有する。

本発明によれば、設計の単純化が可能な基礎構造とその設計方法を提供することができる。

直接基礎と杭基礎とパイルド・ラフト基礎の概念を示す比較図である。 パイルド・ラフト基礎における荷重分担の考え方を示す概念図である。 建物の高さと支持地盤のＮ値の関係を示す概念図である。 杭基礎の配置を示す概念図である。

以下図面を参照して本発明の基礎構造の実施形態について説明する。図１は直接基礎と杭基礎とパイルド・ラフト基礎の概念を示す比較図である。図１（ａ）は直接基礎であり、基礎スラブ１（べた基礎）が強固な地層Ｂの上に直接設置されている。図１（ｂ）は杭基礎であり、先端支持杭２が強固な地層Ｂまで達しており、荷重は主に杭の先端部にかかる上向き反力で支持される。図１（ｃ）はパイルド・ラフト基礎であり、杭基礎３は強固な地層Ｂの上方で止まっている。パイルド・ラフト基礎は荷重を直接基礎と杭基礎で分担して受けるため、直接基礎は基礎スラブ１（べた基礎）とされている。すなわち、パイルド・ラフト基礎は、基礎スラブ１と、基礎スラブ１の下面に接続された複数の杭基礎３と、を有する基礎構造８である。

図２は、本実施形態のパイルド・ラフト基礎における荷重分担の考え方を概念的に示している。杭基礎３は摩擦杭または先端支持杭である。図２（ａ）は固定荷重（建物の自重等）などの長期荷重を示している。長期荷重は基礎スラブ１だけが負担する。実際には固定荷重の一部は杭基礎３によっても支持されるが、設計上杭基礎３の負担はゼロである。つまり、長期荷重に対しては、杭基礎３は無いものとみなして設計される。従って、建物の沈下量については、杭を考慮しないで所定の基準値を満足する必要がある。このため、基礎スラブ１の支持地盤（基礎スラブ１の下面と接し、基礎スラブ１を直接支持する地盤）はある程度の硬さを有していることが望ましい。逆に言えば、本実施形態の基礎構造８は、沈下対策として杭基礎３が不要な程度の硬さを有する支持地盤に好適に適用可能である。目安として、２０階以下（後述する上部構造５の階層数）の中高層建物の場合、基礎スラブ１の支持地盤のＮ値は３０以上であることが好ましく（図３（ａ））、２１階以上の超高層建物の場合、基礎スラブ１の支持地盤のＮ値は５０以上であることが好ましい（図３（ｂ））。Ｎ値はＪＩＳ Ａ１２１９：２０１３「標準貫入試験方法」に従って測定される地盤の硬さである。

図２（ｂ）は短期荷重を示している。以下の説明では地震荷重を例にとるが、風荷重などの荷重も地震荷重と同様に取り扱うことができる。ここでは説明を簡単にするため、短期荷重として、長期荷重と水平地震力を考える。短期荷重は基礎スラブ１と杭基礎３が分担して負担する。例えば、図２（ｂ）に示すように左向きの地震荷重がかかっている場合、基礎スラブ１の左端は地震力による回転モーメントによって下向きに押され、基礎スラブ１の右端は上向きに持ち上げられる。従って、支持地盤の上向き反力Ｒは、左側で大きく右側で小さい台形状の分布となる。基礎スラブ１の左端の直下の地盤は大きな圧縮力を受けるため、地耐力の不足が生じやすい。地盤の圧縮力の増加に対しては左側の杭基礎３が抵抗する。すなわち杭基礎３の側面と地盤との間に生じる摩擦力Ｆ１と、杭基礎３の底面で地盤から受ける反力Ｆ２が地盤の圧縮力の一部を負担する。一方、基礎スラブ１の右端の杭基礎３は引き抜かれる向きの力を受ける。右側の杭基礎３は引き抜きに抵抗する下向きの摩擦力Ｆ３を受ける。杭に生じる摩擦力Ｆ１，Ｆ３及び反力Ｆ２は地震力によって生じる左向きの回転モーメントＭの一部を負担する。

基礎スラブ１の端部にかかる地震力の大きさは建物のアスペクト比に比例する。図４（ａ）は建物の側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図、図４（ｃ）～４（ｅ）は図４（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。建物４は上述した基礎構造８（基礎スラブ１と複数の杭基礎３）と、基礎構造８に支持される上部構造５と、を有する。ここでは、建物４、すなわち基礎スラブ１と上部構造５は、上方視で（すなわち鉛直方向上方から鉛直方向下方にみたときに）長辺６と短辺７を有する矩形であるとする。建物４の形状は厳密に矩形である必要はなく、例えば一部に切り欠きがある場合は切り欠きを無視して考えればよい。アスペクト比は、基礎スラブ１の短辺７の長さＳ（通常は上部構造５の短辺の長さに一致する）に対する建物４の高さＨ（基礎スラブ１と上部構造５の高さの合計）の比Ｈ／Ｓで定義される。アスペクト比は建物４が高いほど、基礎スラブ１の短辺７の長さＳが短いほど大きくなる。つまり、アスペクト比の大きい建物４は、長辺方向Ｙから見てスレンダーな建物である。アスペクト比が大きいほど地震時の地盤の圧縮力が増え、地耐力の不足が生じやすい。また、杭基礎３の引き抜き力もアスペクト比が大きいほど増加する。アスペクト比が大きい建物４は地盤の地耐力や杭基礎３の引き抜きが厳しくなるため、地震荷重に対しては杭基礎３の摩擦力（抵抗力）を考慮することが合理的である。アスペクト比は特に限定されるものではないが、４以上である場合に本発明の効果が特に大きくなる。

本発明では複数の杭基礎３は基礎スラブ１の周縁部、すなわち長辺６と短辺７の近傍のみに設けられ、基礎スラブ１の中央には設けられない。杭は上部構造５の柱（図示せず）の直下に設けられるので、杭基礎３は上部構造５の最外周の柱の直下のみに設けられる。これは上述の説明から明らかな通り、周縁部の杭基礎３が最も効率的に地震力を負担するためである。特に、短辺方向Ｘの地震力に対しては地盤の地耐力や杭基礎３の引き抜きが厳しくなるため、図４（ｃ）に示すように複数の杭基礎３は基礎スラブ１の長辺６だけに沿って設けることが好ましい。しかし、長辺６と短辺７の長さの差があまり大きくない場合などは、図４（ｄ）に示すように複数の杭基礎３を基礎スラブ１の長辺６と短辺７に沿って設けることもできる。また、斜め方向の地震力が設計上最も厳しくなることもあり、この場合は図４（ｅ）に示すように複数の杭基礎３を基礎スラブ１の４隅だけに設けることも考えられる。設計の際には、杭基礎３を基礎スラブ１の４隅に優先的に配置し、次に地震力やアスペクト比に応じて基礎スラブ１の長辺６に沿って配置し、さらに必要な場合、基礎スラブ１の短辺７に沿って設けることが望ましい。

従来のパイルド・ラフト杭では長期荷重、短期荷重ともに杭基礎３の効果を考えており、杭基礎３を短期荷重のみで考慮するという発想はなかった。従来のパイルド・ラフト基礎では基礎スラブ１の全域に杭を配置しており、建物４の荷重を直接基礎と杭基礎でどの程度の比率で負担するか、複雑な検討が必要であり、設計期間が長くなる。これに対し、本実施形態では、杭基礎３は短期荷重のみを負担するように設計される。長期荷重で杭基礎３を考慮しないため、基礎構造８の設計が単純化される。さらに、設計が単純化されるため、建築確認申請の複雑化も避けられる可能性がある。一定の規模の建築物では建築確認申請が必要であるが、設計が複雑になると性能評価機関での性能評価書の作成が必要となり、建築確認申請に時間がかかる可能性がある。本実施形態では、少なくとも長期荷重に対する設計が単純化されるため、性能評価書の作成が不要となる可能性が高まり、建築確認申請に関連する設計作業も効率化される。

本実施形態では、基礎スラブ１の中央の杭が負担する荷重が外周部の杭と比べて相対的に小さいため、中央の杭を削除することも可能となる。これによって杭基礎３の本数が減り、基礎構造８のコストダウンにつながる。また、杭基礎３の本数が減るため、設計作業の効率化も可能となる。

１ 基礎スラブ
３ 杭基礎
４ 建物
５ 上部構造
８ 基礎構造

Claims (4)

1. 基礎構造と、前記基礎構造に支持される上部構造と、を有し、前記基礎構造は上方視で長辺と短辺とを有する矩形形状の基礎スラブと、前記基礎スラブの下面に接続された複数の杭基礎と、を有する建物の設計方法であって、
   前記基礎スラブの前記短辺の長さをＳ、前記基礎スラブと前記上部構造の合計高さをＨとするとき、Ｈ／Ｓが４以上となるように前記基礎スラブの前記短辺の長さと前記合計高さとを決定することと、
   前記建物の沈下量の所定の基準値を満足する、前記基礎スラブの支持地盤を選定することと、
   前記複数の杭基礎を、前記長辺に沿った前記杭基礎の数が前記短辺に沿った前記杭基礎の数より多くなるように、前記基礎スラブの周縁部だけに設けることと、
   前記複数の杭基礎を短期荷重のみを負担するように設計することと、
   前記基礎スラブと前記複数の杭基礎をＮ値５０以上の地盤に支持させることと、
   を有する建物の設計方法。
2. 前記複数の杭基礎を少なくとも前記基礎スラブの４隅に設ける、請求項１に記載の設計方法。
3. 前記複数の杭基礎を前記基礎スラブの前記長辺のみに沿って設ける、請求項２に記載の設計方法。
4. 前記複数の杭基礎を前記基礎スラブの前記長辺と前記短辺に沿って設ける、請求項２に記載の設計方法。