JP2009030351A - 根巻き型柱脚構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼製の柱部材の柱脚をコンクリート構造体中に定着させ、根巻きコンクリートで包囲した根巻き型柱脚において、根巻きコンクリートの剛性と耐力を格段に増大させ、柱脚断面の低減効果を高めることを可能にする。
【解決手段】鋼製の柱部材１の柱脚をコンクリート構造体２中に定着させ、コンクリート構造体２上の一部の区間を根巻きコンクリート３で包囲した柱脚部において、根巻きコンクリート３の外周に外巻き鋼管４を配置し、外巻き鋼管４の外周面の対向する方向に緊張材５を挿通させ、この緊張材５に張力を導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は鋼製の柱部材の柱脚をコンクリート構造体中に定着させ、根巻きコンクリートで包囲した根巻き型柱脚構造に関するものである。

鋼製の柱部材の柱脚をコンクリート構造体中に定着させる場合、柱脚の剛性と耐力を高めながら、施工性を確保する上では、コンクリート構造体上の一部の区間を根巻きコンクリートで包囲し、柱脚の断面を増す根巻き柱脚にすることが露出型や埋込み型より合理的とされている。

根巻き柱脚は多くの場合、柱部材底面に一体化したプレートを貫通するアンカーボルトにより柱部材を基礎に定着させた上で、柱脚部の周りに配筋し、コンクリートを打設することにより構成される。

柱部材に普通強度鋼材が使用された場合には、柱部材が負担するせん断力と曲げモーメントの大きさから、鉄筋コンクリート造の根巻きコンクリートで十分に柱脚を拘束することができる。

ところが、柱部材として超高強度鋼材を使用した場合には、柱部材が負担できるせん断力と曲げモーメントが増大することから、柱部材の能力に応じた剛性と耐力を根巻きコンクリートに持たせることが必要になる。その結果、根巻きコンクリートの断面積が極端に大きくなり、構造物内での有効面積（レンタブル比）が低下する不利益を招く。

また根巻きコンクリートが損傷する程度の地震を受けたときに、かぶりコンクリートの剥落によりコンクリート内部の主筋やせん断補強筋が損傷、あるいは座屈する可能性がある。ひび割れ程度のコンクリートの損傷に対してはエポキシ樹脂の注入等によりコンクリートを補修し、鉄筋に対する防錆処理を施すことができるが、補修である以上、損傷発生前の根巻き柱脚が有していた剛性と強度を回復させることはできない。

そこで、根巻きコンクリートの外周に外巻き鋼管を配置し、コンクリートを拘束することをすれば、拘束がない場合よりコンクリートの剛性と耐力を高めることができるため、根巻き柱脚の断面を低減することができると考えられる（特許文献１、２参照）。

特開平１０−１８４２４号公報（請求項１、段落００１１、００１２、図１） 特開２０００−２９７４７２号公報（請求項１、段落００１２〜００１４、図１、図２）

但し、根巻きコンクリートを外巻き鋼管で包囲するのみでは、コンクリートは高い圧縮応力状態にならないことから、その剛性と耐力を格段に増大させることは期待できないため、根巻き柱脚断面の低減効果に限界がある。

本発明は上記背景より、根巻きコンクリートの剛性と耐力を格段に増大させ、根巻き柱脚断面の低減効果を高めることが可能な根巻き型柱脚構造を提案するものである。

請求項１に記載の発明の根巻き型柱脚構造は、鋼製の柱部材の柱脚をコンクリート構造体中に定着させ、前記コンクリート構造体上の一部の区間を根巻きコンクリートで包囲した柱脚部において、前記根巻きコンクリートの外周に外巻き鋼管が配置され、前記外巻き鋼管の外周面の対向する方向に緊張材が挿通し、この緊張材に張力が導入されていることを構成要件とする。外巻き鋼管は根巻きコンクリートの断面形状に応じた平面形状をし、主として円形鋼管の場合と角形鋼管の場合がある。

根巻きコンクリートの外周に外巻き鋼管が配置され、外巻き鋼管が根巻きコンクリートを拘束することで、特許文献１等と同様に根巻きコンクリートに一定の剛性と耐力が付与される。その上で、外巻き鋼管の外周面の対向する方向に挿通した緊張材に張力が導入され、コンクリートにプレストレスが与えられることで、根巻きコンクリートは少なくとも２軸圧縮応力状態になるため、根巻きコンクリートの剛性と耐力、靭性が上昇する。

緊張材が外巻き鋼管の外周面の対向する方向に挿通することで、根巻きコンクリートには外周面から中心へ向かい、水平の複数方向にプレストレスが導入されるため、根巻きコンクリートは２軸圧縮応力状態になる。この状態は根巻きコンクリートの断面が方形状であるか、円形であるかに関係なく得られる。

根巻きコンクリートへの、外周面から中心へ向かうプレストレスは緊張材の表面と根巻きコンクリートとの間の付着を切ることにより、効果的に導入される。付着が切れることで、プレストレスがコンクリート中で損失することなく根巻きコンクリートの外周面から集中的に作用することによる。コンクリートとの付着を切ることは例えば緊張材の挿通位置にシースを配置し、シース内にグリース等の潤滑剤を充填するか、緊張材に直接、潤滑剤を付着させ、緊張材をアンボンド化することにより得られる。

根巻きコンクリートに対し、水平の複数方向にプレストレスが導入されることで、そのコンクリートは鉛直方向にポアソン比に応じた歪みを生じようとする。ここで、根巻きコンクリートの下端はコンクリート構造体に拘束されていることから、請求項２に記載のように外巻き鋼管の上端に根巻きコンクリートの天端を覆う蓋部が一体化している場合には、根巻きコンクリートはコンクリート構造体と蓋部から鉛直方向に圧力を受ける状態になる。この状態はコンクリート構造体のコンクリートと根巻きコンクリートを一体に打設するか、分離打設するかに関係なく得られる。この結果、根巻きコンクリートは３軸圧縮応力状態になるため、剛性と耐力、靭性の上昇効果が向上する。

また外巻き鋼管の下端がコンクリート構造体中に定着されれば、外巻き鋼管自体の変形が拘束されるため、定着されない場合より外巻き鋼管による根巻きコンクリートの拘束効果が上がる。外巻き鋼管の下端をコンクリート構造体中に定着させる上でも、コンクリート構造体のコンクリートと根巻きコンクリートを一体に打設するか否かは問われない。

請求項３に記載のように外巻き鋼管の下端にコンクリート構造体中に定着される定着部が一体化している場合には、外巻き鋼管が柱状の場合より外巻き鋼管自体の半径方向の変形しにくさ（剛性）が増大するため、根巻きコンクリートの終局状態での安定性が上昇し、靭性が一層向上する。

外巻き鋼管の定着部は外巻き鋼管の剛性を上げる働きをする他、設置時の位置決め精度と設置状態での安定性を確保する働きをする。また定着部が外巻き鋼管の内周面側へ突出する場合には、蓋部と共に根巻きコンクリートを鉛直方向に拘束する機能も発揮する。

本発明では根巻きコンクリートの剛性と耐力、靭性が上昇することで、根巻きコンクリート自体の一定の剛性と耐力を確保しながら、その断面積を低減することが可能になる。結果として、柱脚（根巻きコンクリート）に高剛性と高耐力を与えながらも、柱脚が構造物内で占める面積が抑制され、構造物の有効面積（レンタブル比）を拡大することが可能になる。

プレストレスの導入がない場合より根巻きコンクリートの剛性と耐力を上昇させながら、断面積を低減できることで、柱部材に超高強度鋼材が使用され、柱部材が負担できるせん断力と曲げモーメントが増大する場合にも、断面積を格別増大させることなく、柱部材の能力に応じた性能を根巻きコンクリートに持たせることが可能になる。柱部材に使用される鋼材の種類は問われず、普通強度鋼材から超高強度鋼材まで使用される。

根巻きコンクリートの耐力と靭性の上昇によりコンクリートの損傷を抑制することが可能である上、損傷が発生した場合にも外巻き鋼管によってコンクリートの剥落が防止されることで、鉄筋の座屈が防止されるため、損傷を目立たなくすることが可能である。またコンクリートに損傷が発生しても、緊張材がアンボンドであれば、緊張材を再緊張することができるため、根巻きコンクリートの強度と剛性を回復させることが可能である。

また外巻き鋼管の一部を薄肉にする、断面を切り欠く等、外巻き鋼管の一部に相対的に強度の低下した部分を形成することで、根巻きコンクリートが降伏（破壊）する以前に外巻き鋼管を降伏させ、これに塑性ヒンジを形成させることができるため、地震時のエネルギ吸収を図りながら、コンクリートの損傷を防止、または抑制することが可能である。この場合、外巻き鋼管はヒンジを形成するまで、根巻きコンクリートを拘束する効果を発揮する。

根巻きコンクリートの外周に配置される外巻き鋼管が根巻きコンクリートを拘束した上で、外巻き鋼管の対向する方向に挿通する緊張材に張力が導入されることで、根巻きコンクリートを少なくとも２軸圧縮応力状態にすることができるため、根巻きコンクリートの剛性と耐力、靭性を上昇させることができる。この結果、根巻きコンクリートが構造物内で占める面積を抑制し、構造物の有効面積（レンタブル比）を拡大することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１、図２は鋼製の柱部材１の柱脚をコンクリート構造体２中に定着させ、コンクリート構造体２上の一部の区間を根巻きコンクリート３で包囲した柱脚部において、根巻きコンクリート３の外周に外巻き鋼管４が配置され、外巻き鋼管４の外周面の対向する方向に緊張材５が挿通し、この緊張材５に張力が導入されている根巻き型柱脚構造の具体例を示す。

図１は柱部材１が円形断面の場合、図２は方形断面の場合を示すが、柱部材１はＨ形、またはＨ形鋼を十字形に組み合わせた形その他の開放断面の場合もある。緊張材５によるプレストレスは柱部材１内にも与えられるため、図示するように柱部材１が閉鎖断面の場合には、柱部材１内の、少なくとも柱脚の区間にコンクリートが充填される。

柱部材１の断面形状に関係なく、根巻きコンクリート３はその内部への縦筋６とせん断補強筋７を配筋でき、緊張材５によるプレストレスの導入効果が発揮されるのに十分な厚さを有する。柱部材１は下端に一体化したベースプレート１ａにアンカーボルト８が緊結されることによりコンクリート構造体２に定着される。アンカーボルト８は柱部材１の断面形状に応じ、周方向に均等に配置される。コンクリート構造体２は地中梁、フーチング、マットスラブ等の基礎の他、地上階の梁、スラブ等の場合がある。

柱部材１の柱脚部分の周りにはコンクリート構造体２中に定着される縦筋６と全縦筋６を包囲するせん断補強筋７が配筋される。これら縦筋６等の配筋と並行して、または配筋と前後してプレストレスの導入方向に緊張材５が挿通するシース９が配置され、縦筋６等を包囲するように外巻き鋼管４が配置される。シース９は外巻き鋼管４を貫通する。

シース９は主に緊張材５と根巻きコンクリート３の付着を切る目的で使用され、付着を切る必要がないか、緊張材５自身に根巻きコンクリート３との付着が切れる絶縁剤が塗布されているような場合には、必ずしも配置されない。シース９が使用されない場合には、外巻き鋼管４の内部に緊張材５が直接、配置される。緊張材５（シース９）は図１−（ａ）、図２−（ａ）に示すように根巻きコンクリート３の高さに応じ、複数段、配置され、同一高さで交差するシース９、９は互いに段差が付いて配置される。

シース９が使用される場合、縦筋６等の配筋と、シース９及び外巻き鋼管４の配置後、外巻き鋼管４に根巻きコンクリート３が打設される。シース９内へは外巻き鋼管４内に打設されたコンクリート（根巻きコンクリート３）の硬化後、緊張材５が挿通させられる。

図１−（ｂ）、図２−（ｂ）に示すように柱部材１が円形断面の場合、緊張材５は主として半径方向に配置され、方形断面の場合には各辺に平行に、２方向に配置されるが、必ずしも図示する配置には限られない。いずれの場合も、また柱部材１が開放断面の場合も、緊張材５は柱部材１の中心を外して配置されることの他、柱部材１の外側にのみ配置されることもある。

柱部材１が円形断面の場合に、図面ではシース９を柱部材１の中心を通していることから、全シース９が柱部材１を貫通する。方形断面の場合には、柱部材１の中心を通るシース９が柱部材１を貫通し、その他のシース９は柱部材１の外周に配置される。

緊張材５にはＰＣ鋼材の他、ガラスやグラファイト、アラミド、金属の繊維を用いた繊維強化材料が使用されるが、梁や桁等の材軸方向に配置される場合と異なり、プレストレスの導入区間が短いことから、プレストレスの損失を小さくする上では伸び量の小さいＰＣ鋼棒の使用が適する。

根巻きコンクリート３はコンクリート構造体２の構築により外巻き鋼管４をコンクリート構造体２に定着させた状態で打設されるか、または外巻き鋼管４を構築予定のコンクリート構造体２中に配置した状態で、コンクリート構造体２のコンクリートと同時に打設される。いずれの場合も、外巻き鋼管４の下端はコンクリート構造体２中に埋設され、定着される。コンクリート構造体２中には上端主筋２ａと下端主筋２ｂ、並びに両者を接続し、拘束するせん断補強筋２ｃが配筋される。

外巻き鋼管４の下端がコンクリート構造体２中に定着されることで、外巻き鋼管４自体がコンクリート構造体２に拘束されるため、外巻き鋼管４による根巻きコンクリート３の拘束効果が上がり、外巻き鋼管４が根巻きコンクリート３の耐力と剛性の向上に寄与する。外巻き鋼管４ははらみ出そうとする根巻きコンクリート３からフープテンションを受けるが、下端の外周にコンクリート構造体２のコンクリートが存在することで、フープテンションに対する安定性は高い。

緊張材５は根巻きコンクリート３の硬化後に緊張させられる。緊張材５の端部はナット等により外巻き鋼管４に定着される。緊張材５の緊張後、シース９内へはグリース等の潤滑剤、またはグラウトが充填される。

シース９内に潤滑剤が充填される場合には、緊張材５がアンボンドになることで、緊張力によるプレストレスがシース９内で損失することなく、根巻きコンクリート３に対し、外周側から中心へ向かって与えられるため、根巻きコンクリート３にプレストレスを効果的に導入できる利点がある。シース９が使用されることなく、緊張材５の表面に直接、絶縁剤が塗布される場合も同様の効果がある。

図１、図２は根巻きコンクリート３の天端が外巻き鋼管４の上端から露出している場合の例を示すが、図３−（ａ）、（ｂ）は外巻き鋼管４の上端に根巻きコンクリート３の天端を覆う蓋部４ａが一体化している場合の例を示す。図３−（ａ）は柱部材１が円形断面の場合、（ｂ）は方形断面の場合である。

蓋部４ａは平面上、図３−（ａ）の場合に円形状に、（ｂ）の場合には方形状にそれぞれ形成され、外巻き鋼管４の上端には溶接等により一体化する。いずれの場合も、柱部材１が突出する部分はその形状に応じた形に切り欠かれる。蓋部４ａは主に平板状に形成されるが、剛性を持たせるために、曲面板状に形成されることもある。

図３の例では蓋部４ａがコンクリート構造体２と共に根巻きコンクリート３を上下から挟み込み、拘束するため、外巻き鋼管４が根巻きコンクリート３を水平の２方向に拘束することと併せ、根巻きコンクリート３を３軸圧縮応力状態にし、根巻きコンクリート３の耐力と剛性を高める働きをする。

図４−（ａ）、（ｂ）は外巻き鋼管４の下端にコンクリート構造体２中に定着される定着部４ｂが一体化している場合の例を示す。（ａ）は柱部材１が円形断面の場合、（ｂ）は方形断面の場合である。

定着部４ｂは外巻き鋼管４の形状に沿い、（ａ）の場合に円形状に、（ｂ）の場合には方形状にそれぞれ形成され、外巻き鋼管４の下端には溶接等により一体化する。定着部４ｂも主に平板状に形成されるが、曲面板状に形成されることもある。また定着部４ｂは縦筋６等の配筋を阻害しない範囲で、外巻き鋼管４の内周側へ突出することもある。

図４の例では単なる柱状の場合より外巻き鋼管４自体の半径方向の剛性が増大するため、根巻きコンクリート３に対する拘束効果が図１〜図３の例より大きく、根巻きコンクリート３の靭性が向上する利点がある。

図５−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１、図２における外巻き鋼管４の内周面に根巻きコンクリート３との一体性を確保するリブ４ｃを突設した場合を示す。リブ４ｃの形態はシース９と縦筋６、及びせん断補強筋７との干渉が生じなければ問われず、スタッドボルトのような棒状の場合と板状の場合がある。板状の場合は外巻き鋼管４の周方向に連続する場合と、断続的に突設される場合がある。

図６−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図３−（ａ）、（ｂ）における外巻き鋼管４の内周面に根巻きコンクリート３との一体性を確保するリブ４ｃを突設した場合を示す。図７−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図４−（ａ）、（ｂ）における外巻き鋼管４の内周面に根巻きコンクリート３との一体性を確保するリブ４ｃを突設した場合を示す。

（ａ）は柱部材が円形断面の場合の柱脚とコンクリート構造体との関係を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の柱脚部分を示した平面図である。 （ａ）は柱部材が方形断面の場合の柱脚とコンクリート構造体との関係を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の柱脚部分を示した平面図である。 （ａ）は図１−（ａ）における外巻き鋼管の上端に蓋部を一体化させた場合を示した縦断面図、（ｂ）は図２−（ａ）における外巻き鋼管の上端に蓋部を一体化させた場合を示した縦断面図である。 （ａ）は図１−（ａ）における外巻き鋼管の下端に定着部を一体化させた場合を示した縦断面図、（ｂ）は図２−（ａ）における外巻き鋼管の下端に定着部を一体化させた場合を示した縦断面図である。 （ａ）は図１−（ａ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図、（ｂ）は図２−（ａ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図である。 （ａ）は図３−（ａ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図、（ｂ）は図３−（ｂ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図である。 （ａ）は図４−（ａ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図、（ｂ）は図４−（ｂ）における外巻き鋼管の内周面にリブを突設した場合を示した縦断面図である。

符号の説明

１………柱部材
１ａ……ベースプレート
２………コンクリート構造体
２ａ……上端主筋
２ｂ……下端主筋
２ｃ……せん断補強筋
３………根巻きコンクリート
４………外巻き鋼管
４ａ……蓋部
４ｂ……定着部
４ｃ……リブ
５………緊張材
６………縦筋
７………せん断補強筋
８………アンカーボルト
９………シース

Claims (3)

1. 鋼製の柱部材の柱脚をコンクリート構造体中に定着させ、前記コンクリート構造体上の一部の区間を根巻きコンクリートで包囲した柱脚部において、前記根巻きコンクリートの外周に外巻き鋼管が配置され、前記外巻き鋼管の外周面の対向する方向に緊張材が挿通し、この緊張材に張力が導入されていることを特徴とする根巻き型柱脚構造。
2. 外巻き鋼管の上端に根巻きコンクリートの天端を覆う蓋部が一体化していることを特徴とする請求項１に記載の根巻き型柱脚構造。
3. 外巻き鋼管の下端にコンクリート構造体中に定着される定着部が一体化していることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の根巻き型柱脚構造。
   

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