【Excelで自動計算】足場の強度計算方法について徹底解説

高所で作業を行うために必要な工程である足場工。仮設の足場材を組み立てて、作業床を確保する工事です。ゼネコンに入社してすぐに足場の強度計算を任されて、悩んでいる若手現場監督も多いはず。

私自身、新卒でゼネコンに入社して1年くらい経った時に、橋脚に登るための足場を組み立てる工事の担当者になり、足場の強度計算書チェックを経験しました。そもそもどういう手順で足場の強度計算をしているのかが分からず、手探り状態で確認したことがあります。

そこでこの記事では、未経験者でも迷わずに足場の強度計算ができるように、足場の計算手順を分かりやすく解説します。この記事を読めば、「足場の計算書をミスなく簡単に作成する方法」が分かります。

私が普段どんな手順で足場の計算を行っているのかをまとめました。足場の強度計算を効率よくしたい方はぜひ最後まで読んでください。

足場の強度計算方法

足場の強度計算は、自重、積載荷重、風荷重などの荷重条件を考慮して計算を実施します。足場の強度計算は、以下の手順で実施しましょう。

鉛直荷重の算出

鉛直荷重の算出では、足場部材の自重と積載荷重の合計を計算します。

足場に使用する材料は、種類・寸法が製作メーカによって異なります。足場に使用する材料の重さをカタログ等で確認し、各材料を何個使うかを図面から読み取って総重量を計算してください。

積載荷重は、足場の作業床にかかる作業員や仮置きする資機材、工具などの質量が該当します。足場の構造や使用する部材によって積載可能な荷重が異なるので、構造や種類に応じた積載荷重を設定してください。建設業労働災害防止協会の「足場の組立て等作業の安全」では、以下のように最大積載荷重が規定されています。

足場の種類	最大積載荷重(1スパンあたり)
単管足場	400kg
クサビ緊結式足場(足場幅:900mm以上)	400kg
クサビ緊結式足場(足場幅:400mm以上900mm未満)	200kg
標準わく組足場(縦わく幅:1200mm)	500kg
標準わく組足場(縦わく幅:900mm)	400kg
簡易わく組足場	250kg
ブラケット一側足場(単管)	150kg

鉛直荷重の検討

足場の種類がシステム足場か単管足場かによって、鉛直荷重の検討方法は異なります。

システム足場の場合は、各足場の組立条件ごとに許容荷重が決まっています。よって、足場の各部材毎に荷重の検討を行う必要はありません。算出した鉛直荷重の合計が、システム足場の許容荷重を上回っていないかどうかを確認してください。システム足場の許容荷重の一例を以下に示します。

システム足場の種類(組立条件)	許容荷重
NDシステム1800(桁行方向:先行手すり)	18kN/本
NDシステム1800(桁行方向:先行手すり+つなぎ材)	25kN/本
NDシステム1800(桁行方向:ブレース)	22kN/本
簡易建枠	17.15kN/本
3Sシステム(φ48.6)(H=1200mm)	49kN/本
3Sシステム(φ48.6)(H=1800mm)	25.5kN/本
3Sシステム(φ60.5)(H=1200mm)	69.8kN/本
3Sシステム(φ60.5)(H=1800mm)	50kN/本

単管足場の場合は、以下のそれぞれの部材について検討する必要があります。

各部材において、せん断応力度や曲げ応力度、座屈応力度、たわみなどの値が許容値を上回らないかどうかを確認してください。

風荷重の算出

風荷重の計算式は、以下の通りです。

P = qz × C × A
P : 風荷重
qz : 設計用速度圧
C : 風力係数
A : 風荷重の受圧面積

上式より、設計用速度圧、風力係数、受圧面積をそれぞれ計算する必要があることが分かります。

設計用速度圧

設計用速度圧の計算式は、以下の通りです。

qz= 0.625 × Vz^2
Vz = V0 × Ke × S × EB
qz : 設計用速度圧
Vz : 設計用風速
V0 : 基準風速
Ke : 台風時割増係数
S : 地上高さZにおける瞬間風速分布係数
EB : 近接高層建築物におよる割増係数

基準風速と台風時割増係数は、地域によって値が決まっています。以下の表を参考にしてください。

日建リース工業(株) 仮設資材カタログ

都道府県名	台風時割増係数
山口県・福岡県・佐賀県・長崎県・熊本県・大分県・宮崎県	1.1
鹿児島県・沖縄県	1.2
その他の都道府県	1.0

地上Zにおける瞬間風速分布係数は、地上からの高さと地域区分によって決定します。以下の表を参考にして値を求めてください。

日建リース工業(株) 仮設資材カタログ

近接高層建築物による風速の割増係数は、(社)仮設工業会発行「風荷重に対する足場の技術指針」を参考に求めます。高層建築物からの至近距離Lに対して、以下の値とすることが定められています。

(1)近接して高層建築物がない場合、もしくは下図のL1を超える場合
EB=1.0

(2)高層建築物からの至近距離Lが、下図のL1以下となる場合(地上からの高さZ≤H/2のとき)
L2 < L ≤ L1 : EB = 1.1
L3 < L ≤ L2 : EB = 1.2
L4 < L ≤ L3 : EB = 1.3

日建リース工業(株) 仮設資材カタログ

風力係数

風力係数の計算式は、以下の通りです。

C = (0.11 + 0.09γ + 0.945 × Co × R) × F
C : 風力係数
γ: 第2構面の風力低減係数
Co : 養生材の基本風力係数
R : 養生材の形状補正係数
F : 建築物に併設された足場の設置位置による補正係数

第2構面の風力低減係数は、以下の式で定められます。φは養生材の充実率です。

γ = 1 – φ

養生材の基本風力係数は、下図をもとに決定します。足場に使用する養生材の充実率φに対応する基本風力係数を求めてください。

日建リース工業(株) 仮設資材カタログ

代表的な養生材の充実率と基本風力係数の値は、下表の通りです。

養生材の種類	充実率	基本風力係数
メッシュシート(1類)	0.9	1.87
メッシュシート(2類)	0.71	1.58
垂直養生ネット(15mm目合)	0.2	0.31
垂直養生ネット(30mm目合)	0.1	0.14
防炎シート	1	2

養生材の縦横比による形状補正係数Rは以下の表の通りです。ここで、Hは養生材の全体高さ、Bは養生材の全体幅とします。

縦横比の値	形状補正係数
2H/B ≤ 1.5	0.6
1.5 < 2H/B < 59	0.5813 + 0.013 × 2H/B – 0.0001 × (2H/B)^2
59 ≤ 2H/B	1

建築物に併設された足場の設置位置による補正係数は、以下の図表をもとに求めます。

日建リース工業(株) 仮設資材カタログ

風荷重の受圧面積

風荷重の受圧面積の計算式は、以下の通りです。

A = @h × Wh × @s × Ws
A : 受圧面積
@h : 壁つなぎ又は単管控えの縦方向設置間隔
Wh : 足場1段の高さ
@s : 壁つなぎ又は単管控えの横方向設置間隔
Ws : 足場1スパンの幅

上式より、風荷重を支える壁つなぎ又は単管控え1箇所につき支える風荷重の受圧面積を求めれば良いことが分かります。

風荷重の検討

風荷重の検討では、算出した風荷重が壁つなぎや単管控えなどの許容荷重を上回らないかどうかを確認します。

壁つなぎの場合は、壁つなぎ用アンカーと壁つなぎ本体の許容荷重を比較して、小さい方の値を許容荷重として検討しましょう。また(社)仮設工業会発行「風荷重に対する足場の安全技術指針」より、風荷重の検討に用いる許容荷重は3割増で計算してください。

単管控えの場合は、使用するクランプのスベリ耐力と控え単管の座屈応力の検討を行います。壁つなぎの時と同様に、クランプのスベリ耐力は3割増で計算をしてください。

足場の強度計算をExcelで自動化する方法

鉛直荷重と風荷重のそれぞれについて、足場強度計算を自動化するExcelシートの使用方法を解説します。

本シートは、以下の4つの用途に分かれています。

他のシートの値を参照する

(前略)

いろいろな表で何度も使用されるデータ(例えば、商品やサービスの一覧表など)は独立した専用のシートにまとめておき、各シートから参照するようにします。そうすれば、名称や価格の入力ミスを未然に防ぐことができます。

なお、他のシートを参照するようにしておけば、名称や価格が変更された場合でも、参照先シートの一箇所を修正するだけで、ブック内の全データを修正できます。もし各シート内で個別にベタ打ちしていた場合は、ブック中のさまざまな箇所に記載されている商品名を1つずつ検索して修正しなければなりません。しかし、そうした状況では、「修正し忘れ」というミスも発生してしまうでしょう。

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システム足場の検討

システム足場の検討を行う際に必要な情報は以下の4つです。

システム足場の種類によって、許容荷重が決まっています。足場材の種類と個数から自重を計算し、最大積載荷重と合わせた値が鉛直方向の仮設荷重です。足場の内側と外側で違う材料を使用している場合、それぞれ仮設荷重を計算する必要があります。内側の支柱、外側の支柱それぞれに対して以下の式が成立するかどうかを確認してください。

Excelで作成した計算書の例は、下記の通りです。青枠で囲まれた部分にデータを入力すれば、自動で計算します。

システム足場の張出足場部の強度計算も対応可能です。張出足場部の仮設荷重を計算し、以下の式が成立するかどうかを確認します。

Excelで作成した計算書は、下記の通りです。データの入力が必要なのは、青枠の部分だけです。

入力不要の「選択リスト」でさらに効率化

(前略)

商品名など選択肢が限られているものは、リストを作成しましょう。[データの入力規則]ダイアログボックスからリストを設定します。引数[検索値]の候補をドロップダウンリストから選べるようにすることで、入力ミスを減らす仕組みが作れます。

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単管足場の検討

単管足場の検討は以下の手順で行います。

上記の検討を行うために、本記事で紹介しているExcelシートではあらかじめデータ入力を行います。具体的には以下の通りです。

足場板の検討

足場板の検討では、以下の式が成立するかどうか確認してください。

Excelで作成した計算書は、下記の通りです。先ほどのデータ入力を終えた時点で自動で作成されます。

腕木単管の検討

腕木単管の検討では、以下の式が成立するかどうか確認してください。

Excelで作成した計算書は、下記の通りです。腕木単管1本あたりの仮設荷重を算出するために、各部材の数量と荷重分担数を青枠内に入力する必要があります。

布地単管の検討

布地単管の検討では、以下の式が成立するかどうか確認してください。

Excelで作成した計算書は、下記の通りです。布地単管1本あたりの仮設荷重を算出するために、各部材の数量と荷重分担数を青枠内に入力する必要があります。

建地単管の検討

建地単管の検討では、以下の式が成立するかどうか確認してください。

Excelで作成した計算書は、下記の通りです。建単管1本あたりの仮設荷重を算出するために、青枠内に数値を入力してください。

風荷重の算出

風荷重の算出を行うために、本記事で紹介しているExcelシートではあらかじめデータ入力を行います。具体的には以下の通りです。

これらのデータを入力することによって、以下のように風荷重を自動で算出できます。

風荷重の検討

風荷重の検討は、以下の2つのパターンについて実施することが可能です。

風荷重の検討をするために、本記事で紹介しているExcelシートでは以下のようなデータ入力を行います。

単管控えの場合は、下記の事項を検討します。

実際の計算例は、以下の通りです。最初にデータ入力した時点で自動計算されるので、計算書に何かを入力する必要はありません。

壁つなぎの場合は、下記の事項を検討します。

壁つなぎは、グリップアンカーやセパレーターに接続して使用する場合がほとんどです。壁つなぎ本体の許容荷重だけではなく、接続用材料の許容荷重にも留意してください。実際の計算例は以下の通りです。

足場の強度計算方法を理解した上で計算を自動化しよう

この記事では、足場の強度計算方法を解説しました。足場強度の検討フローは以下の通りです。

紹介したExcelシートを使用すれば、上記のフローに基づいて自動で足場の強度計算ができます。Excelシートの用途は以下の通りです。

足場の強度計算をゼネコンの現場監督が最初から行う機会は確かに少ないです。資材リース会社に計算してもらい、その計算書をチェックすることがほとんどだと思います。私自身、リース会社から受け取った計算書のチェックをしたことしかありません。

しかし、本記事で紹介したExcelシートを使用すれば、計算書のチェックを一瞬で終わらせることができます。仮にリース会社から計算書を受領するのが遅くなったとしても、自力で作成することが可能です。計算原理を理解した上で使用すれば、間違いなく業務の生産性は向上します。

建設業界では、深刻な人材不足と働き方改革により、生産性の向上が求められています。この記事によって、少しでも日々の業務効率が向上すれば嬉しいです。一緒に業務のICT化をどんどん進めて建設業界を盛り上げていきましょう！