NSJ住宅性能研究所

各部設計（木造住宅）シリーズ6

柱頭柱脚接合部と許容応力度計算★

■柱頭柱脚接合部の許容応力度計算とは？N値計算との違いをわかりやすく解説

木造住宅の耐震設計では、耐力壁の強さだけでなく、柱頭・柱脚接合部がどれだけ確実に力を伝えられるかがとても重要です。

どれほど耐力壁を強くしても、柱の上下を固定する接合部が先に壊れてしまえば、建物全体の耐震性能は十分に発揮されません。

そこで必要になるのが、柱頭柱脚接合部の許容応力度計算です。

この記事では、N値計算との違いも含めて、大学生でも理解しやすいように整理して解説します。添付資料の内容に加え、国土交通省の最新公表資料も踏まえてまとめています。

■柱頭柱脚接合部の許容応力度計算とは

柱頭柱脚接合部の許容応力度計算とは、地震や風によって柱に生じる引抜力やせん断力に対して、柱の上端・下端の接合部が安全かどうかを確認する考え方です。

木造住宅では、柱そのものだけでなく、柱と土台、柱と横架材をつなぐ金物の性能が重要です。

この部分が弱いと、耐力壁が十分な強さを持っていても、その性能を建物に活かせません。

つまり、耐震設計では「壁」と「接合部」をセットで考える必要があるということです。


■N値計算と何が違うのか

柱頭柱脚接合部の検討でよく使われるのがN値計算です。

ただし、グレー本では、そのもとになったより精密な考え方として、N値計算法に準拠した方法」が示されています。

両者は基本の考え方は同じです。

どちらも、耐力壁の強さや柱にかかる鉛直荷重をもとに、柱がどれだけ引き抜かれそうかを求めます。

違いは、建物条件をどこまで細かく反映するかです。

N値計算は、一般的な木造住宅を前提にした簡略法です。

一方で「N値計算法に準拠した方法」は、階高などの条件も残した、より丁寧な評価方法です。

たとえば、N値計算では一般的な階高を前提にして高さの影響を省略していますが、準拠法では階高が大きい場合も考慮できます。


■N値1.0＝5.3kNの意味

実務では、N値1.0＝5.3kNという換算を目にすることがあります。

これは、壁倍率1.0の耐力壁を、標準的な高さで、さらに特定の条件のもとで評価したときにN値が1.0になるよう設定された目安です。

ただし、実際の建物では、その前提条件がそのまま当てはまるとは限りません。

そのため、この値は厳密な万能値というより、実務上の代表的な換算値として理解しておくのが適切です。


■柱頭と柱脚は同じ金物でよいのか

仕様規定のN値計算では、柱頭と柱脚に対して、同じ耐力の金物を求める考え方が基本です。

許容応力度計算では、もう少し合理的に評価されます。

たとえば、出隅柱の柱頭については、B1を0.5としてよいとされ、柱脚と同じ扱いにしない場合があります。

これは、接合部にかかる力の流れを、より実態に近く見ているためです。

許容応力度計算の方が、一律ではなく条件に応じた判断ができる方法だといえます。


■両側の耐力壁が同じなら引抜力はゼロでよい？

計算上は、柱の左右にある耐力壁の強さが同じ場合、柱に生じる引抜力がゼロになることがあります。

しかし、それで接合金物が不要になるわけではありません。

実際の建物では、施工誤差や局所的な変形、想定しきれない力の偏りが生じる可能性があります。

そのため、最低限の引抜きに抵抗できる金物は必要です。

設計計算はあくまで安全を確認するための手段なので、実務では安全側で考える姿勢が大切です。


■出隅柱はなぜ注意が必要なのか

建物全体の計算結果を見ると、出隅柱の引抜力は大きくなりやすい傾向があります。

建物の隅部が地震時に浮き上がりやすく、力が集中しやすいためです。

そのため、接合部の設計では、単純に壁量だけを見るのではなく、どの柱にどの程度の引抜力が生じるかを丁寧に把握する必要があります。

許容応力度計算では、鉛直荷重による圧縮力 Nw も柱ごとに詳細に求めるため、こうした違いが見えやすくなります。


■壁量に余裕があっても金物を弱くできない理由

ここは非常に重要です。

建物全体で耐力壁を多めに配置し、壁量に余裕を持たせたとしても、接合部金物の必要耐力を小さくできるとは限りません。

その理由は、接合部に対して、建物の終局段階まで性能を保つことが期待されているからです。

言い換えると、壁が強くても、接合部が先に壊れてしまえば耐震性能は成立しません。

したがって、接合部は最後まで壊れにくい設計が求められます。


■これは「存在応力」の計算ではない

N値計算のもとになった式があります。

この式で求めている引抜力は、耐力壁の許容せん断耐力をもとにした値です。

つまり、一般的な意味での「その瞬間に部材に生じる実際の応力」をそのまま計算しているわけではありません。

通常の許容応力度計算では、部材に生じる応力が材料の許容応力度を超えないかを確認します。

しかし木造では、接合部など一部について、こうした通常の部材計算とは少し異なるロジックで検定する場面があります。

木造設計を理解するうえでは、この違いを押さえておくことが大切です。

■複合応力の検定とは何か

柱頭柱脚接合部では、せん断力と引張力の伝達が完全に独立していない場合があります。

そのような接合部では、複合応力の検定を行います。

たとえば、

・ほぞパイプ
・筋かいと柱にのみ止め付けるタイプの筋かい金物

のような、力の伝わり方が単純でない接合部を想定した考え方です。

また、柱頭柱脚接合部の複合応力の検定式の中の n は、金物の靭性を表すための係数です。

粘り強く変形できることが明らかな場合は、n＝2としてよいとされています。

一方で、筋かい金物が柱と横架材の両方に留め付けられていて、力の伝達が分かれている場合は、この検定が不要なこともあります。


■摩擦によってせん断力を低減できる場合がある

接合部のせん断力については、条件によっては少し有利に評価できる場合があります。

それが、圧縮筋かいによって生じる摩擦の効果です。

圧縮筋かいの軸力の水平成分に摩擦係数を掛けた分だけ、接合部が直接負担するせん断力を減らしてよいという考え方です。

ただし、これはどの接合部でも自由に適用できるものではなく、接合方法や力の流れがその前提を満たしている必要があります。


■2025年以降の最新実務情報も確認しておきたい

国土交通省の2025年施行関係資料では、木造建築物の仕様規定の見直しに関連して、柱頭・柱脚の接合方法の確認は引き続きN値計算法等によって行う整理が示されています。

また、階高が3.2mを超える場合は、告示仕様による確認ではなく、N値計算法等で確認することも整理されています。

さらに、2024年の国交省パブリックコメントでは、N値計算法の見直しの詳細は今後解説書等で示す予定とされており、現時点では、実務では現行の告示や審査マニュアル、解説資料を丁寧に確認して運用することが重要です。


＜まとめ＞

柱頭柱脚接合部の許容応力度計算をひとことで言えば、

「耐力壁の力を、柱の上下の接合部が本当に受け止められるかを確認する計算」

です。

そして実務上のポイントは、次の通りです。

・N値計算は簡略法であり、そのもとにより精密な考え方がある
・出隅柱は引抜力が大きくなりやすい
・壁量に余裕があっても、接合金物を弱くしてよいとは限らない
・条件によっては複合応力の検定が必要になる

最新実務でも、柱頭柱脚接合部の確認は引き続き重要な設計項目です。


次回は、接合部耐力について、お話します。