JP2020002610A - 露出型柱脚構造及び建物 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な構造性能を確保しつつ、基礎柱型の外径寸法を小さく抑えることができる露出型柱脚構造を提供する。【解決手段】複数のアンカーボルトＢを用いて、建物の鋼管鉄骨柱１０の下端部に固定されたベースプレートＰを基礎コンクリートＣに固定することにより、鋼管鉄骨柱１０を立設する露出型柱脚構造１である。鋼管鉄骨柱１０は、所定の外径Ｄ1を有する大径部１１と、大径部１１よりも小さい外径Ｄ2を有するとともに所定の長さＬ2を有し大径部１１よりも鉛直方向下方に配置される小径部１２と、大径部１１と小径部１２とを接続するダイアフラム１３と、を有する。ダイアフラム１３は、テーパ状内周面１３ｃを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、露出型柱脚構造及び建物に関する。

従来より、鉄骨造や鋼管コンクリート構造等における建築物の柱を、ベースプレートを介して基礎コンクリートに固着する露出型柱脚構造が実用化されており、このような露出型柱脚構造が、戸建住宅等の小規模鉄骨造建築物に多く用いられている。

小規模鉄骨造建築物では、狭小地において建築面積を大きく取るために、基礎柱型の外径寸法をできるだけ小さくすることが求められている。このため、現在においては、下方になるに従って径が小さくなるように構成されたテーパーコラムを使用したり、平板状ダイアフラムを介して小径円筒状の柱を使用したりして、柱脚近傍の鉄骨柱の径を小さくすることにより、基礎柱型コンクリートの外径寸法を小さく抑える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１８３７５９号公報

しかし、テーパーコラムは製作が困難な上、小径部の変形能力に乏しく、構造性能が不安定なものとなり易い。また、大径の鉄骨柱本体の下端に小径円筒状の柱を接続するための平板状ダイアフラムは複雑な設計が必要であり、このような複雑な設計を省略するためには、比較的重量の大きい肉厚のダイアフラムを採用して崩壊を防ぐ必要があることから、露出型柱脚構造の製作や設計に大きな労力や費用を要するという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、良好な構造性能を確保しつつ、基礎柱型の外径寸法を小さく抑えることができる露出型柱脚構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る露出型柱脚構造は、複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定することにより、鋼管鉄骨柱を立設するものであって、鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、大径部と小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、ダイアフラムは、テーパ状内周面と、を有するものである。

かかる構成を採用すると、鋼管鉄骨柱の下部を小径にすることができることによって、ベースプレートの細径化を行うことができ、ひいては基礎コンクリートの外径寸法を小さく抑えることが可能となる。従って、露出型柱脚構造の設置に要するスペースを節減することができるため、敷地を有効活用することができる。また、均一断面の小径部の長さを確保し、変形を抑制し応力伝達に優れたテーパ状内周面を有するダイアフラムを介して鋼管鉄骨柱の大径部と小径部とを接続しているため、小径部での塑性変形能力（エネルギ吸収能力）を向上させることができる。

本発明に係る露出型柱脚構造において、ダイアフラムを、管状ダイアフラムとすることができる。管状ダイアフラムは、大径部の内径に対応する内径を有する大径開口部と、小径部の内径に対応する内径を有する小径開口部と、を有し、テーパ状内周面が大径開口部と小径開口部とを連接することができる。

かかる構成を採用すると、ダイアフラムの重量を低減でき、大径開口部と小径開口部との連接を容易にすることができる。

本発明に係る露出型柱脚構造において、小径部の長さを、小径部の外径の０．８倍以上（かつ例えば１．２倍以下）に設定することができる。

かかる構成を採用すると、鋼管鉄骨柱の小径部の長さを特定の値（小径部の外径の０．８倍以上）に設定しているため、柱下部での塑性変形能力を格段に向上させることができる。

本発明に係る露出型柱脚構造において、大径部の外径と、ダイアフラムの外径と、を略同一に設定することができる。

かかる構成を採用すると、大径部とダイアフラムの繋ぎ目に段差が生じるのを防ぐことができるので、外壁内面や室内仕上げへの干渉を防ぐことができる。

本発明に係る露出型柱脚構造において、大径部の断面積と、小径部の断面積と、を略同一に設定することができる。

かかる構成を採用すると、鋼管鉄骨柱に生じる軸力（建物の重量等によって生じる力）に対して、大径部と小径部とが同等の耐力を有することができる。

また、本発明に係る第一の建物は、複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定する露出型柱脚構造で立設された鋼管鉄骨柱を複数備えるものであって、鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、大径部と小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、全ての前記鋼管鉄骨柱における小径部の長さが、同一の値に設定されているものである。

かかる構成を採用すると、全ての鋼管鉄骨柱における小径部の長さ（すなわち、ベースプレートの上面からダイアフラムの下端までの距離）を同一の値に設定しているため、構造計算時の断面変化位置設定が容易となる。また、小径部の部材長が揃うことで、部材の調達・加工に要する労力を低減させることができる。

また、本発明に係る第二の建物は、複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定する露出型柱脚構造で立設された鋼管鉄骨柱を複数備えるものであって、鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、大径部と小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、鋼管鉄骨柱における小径部の長さが、階高の０．２〜０．５倍の範囲に設定されているものである。

柱と梁で構成された一般的な建物においては、階高（柱の全長とほぼ同等）の０．２〜０．５倍の高さに反曲点（柱の曲げの向きが変わる点）があり、この反曲点の近傍は柱を曲げる力の作用が小さいことが知られている。従って、かかる反曲点が存在する範囲にダイアフラムを配置するように、小径部の長さを階高の０．２〜０．５倍の範囲に設定することにより、ダイアフラムの鉛直方向長さを短くすることができる。

本発明によれば、良好な構造性能を確保しつつ、基礎柱型の外径寸法を小さく抑えることができる露出型柱脚構造を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る露出型柱脚構造の構成を説明するための側面図である。 図１に示す露出型柱脚構造を構成する鋼管鉄骨柱の管状ダイアフラム近傍部分の拡大側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定するものではない。従って、本発明はその要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る露出型柱脚構造１の構成について説明する。

本実施形態に係る露出型柱脚構造１は、基礎コンクリートＣに定着させる複数のアンカーボルトＢを用いて、建物の鋼管鉄骨柱１０の下端部に固定されたベースプレートＰを基礎コンクリートＣに固定することにより、鋼管鉄骨柱１０を立設するものである。

アンカーボルトＢは、例えばＳＤ４９０の鋼種から構成されており、ベースプレートＰの各隅部のみに一本ずつ（計４本）配置される。各アンカーボルトＢは、基礎コンクリートＣ内に埋設される第一の部分Ｂ₁と、基礎コンクリートＣ内に埋設されない第二の部分Ｂ₂と、を有している。アンカーボルトＢの第二の部分Ｂ₂を、第一の部分Ｂ₁よりも小径とすると、第二の部分Ｂ₂に応力を集中させることができ、第二の部分Ｂ₂で引張変形やせん断変形を集中的に発生させることができる。なお、アンカーボルトＢの本数は４本に限られるものではなく、基礎コンクリートＣのサイズ等に対応させてその本数を適宜設定することができる。

ベースプレートＰは、鋼板、鋳造、鍛造等によって構成された所定厚さを有する板状部材であり、建築物の鋼管鉄骨柱１０の下端部に一体的に設けられている。本実施形態におけるベースプレートＰは平面視矩形状を呈しており、その各隅部には、アンカーボルトＢを挿通させる図示されていない挿通孔が設けられている。ベースプレートＰの挿通孔と、挿通孔に挿通されるアンカーボルトＢと、の間に形成される空間には、グラウトが充填されている。

なお、図示していないが、基礎コンクリートＣ内の４本のアンカーボルト１０で囲まれた領域よりも外側の領域には、鉛直方向に延在する鉛直鉄筋が所定間隔で複数配置されている。また、鉛直鉄筋の周囲には、鉛直鉄筋の外側を囲うように水平方向に延在する水平鉄筋が配置されている。鉛直鉄筋は、基礎コンクリートＣのコーン状破壊の発生を抑制するように機能する一方、水平鉄筋は、鉛直鉄筋を拘束して定着耐力を高めるように機能する。鉛直鉄筋及び水平鉄筋の本数は、所定の条件を満たすように適宜設定することができる。

鋼管鉄骨柱１０は、図１に示すように、所定の外径Ｄ₁を有する大径部１１と、大径部１１よりも小さい外径Ｄ₂を有するとともに所定の長さＬ₂を有し大径部１１よりも鉛直方向下方に配置される小径部１２と、大径部１１と小径部１２とを接続する管状ダイアフラム１３と、を有している。

大径部１１及び小径部１２としては、例えば、所定の基準強度を満たす中空鋼管を採用することができる。本実施形態においては、大径部１１及び小径部１２として、円筒型の鋼管を採用しているが、角筒型の鋼管を採用してもよい。大径部１１の断面積は、小径部１１の断面積と略同一に設定されることができる。このようにすると、鋼管鉄骨柱１０に生じる軸力（建物の重量等によって生じる力）に対して、大径部１１と小径部１２とが同等の耐力を有することができる。

大径部１１の外径Ｄ₁は、建物の規模や仕様によって適宜（例えば２５０〜７５０ｍｍの範囲で）設定することができる。大径部１１の板厚は、大径部１１の外径Ｄ₁の大きさに応じて適宜設定することができる。例えば、外径Ｄ₁を２５０ｍｍに設定した場合には板厚を６〜１６ｍｍに設定し、外径Ｄ₁を７５０ｍｍに設定した場合には板厚を１９〜３２ｍｍに設定することができる。

小径部１２の外径Ｄ₂は、大径部１１の外径Ｄ₁の０．６〜０．９倍程度に設定することができる。例えば、大径部１１の外径Ｄ₁が２５０ｍｍである場合には、小径部１２の外径Ｄ₂を１５０ｍｍに設定することができる。また、大径部１１の外径Ｄ₁が５００ｍｍである場合には、小径部１２の外径Ｄ₂を４００ｍｍに設定することができる。小径部１１の板厚は、小径部１２の外径Ｄ₂の大きさに応じて適宜設定することができる。例えば、外径Ｄ₂を１５０ｍｍに設定した場合には板厚を６〜１２ｍｍに設定し、外径Ｄ₂を４００ｍｍに設定した場合には板厚を９〜２５ｍｍに設定することができる。

大径部１１の断面積と小径部１２の断面積を略同一にするには、例えば大径部１１の外径Ｄ₁を５００ｍｍ、小径部１２の外径Ｄ₂を４００ｍｍとした場合に、大径部１１の板厚を１９ｍｍに設定し、小径部１２の板厚を２５ｍｍに設定すればよい。また、大径部１１と小径部１２の強度が異なる場合は、それぞれの強度に応じて板厚を変化させることにより、軸力に対して大径部１１と小径部１２が同等の耐力を有するようにすることができる。

小径部１２の長さＬ₂は、小径部１２の外径Ｄ₂の０．８倍以上に設定される。小径部１２の長さＬ₂が外径Ｄ₂の０．８倍未満であると、小径部１２への変形の集中により塑性変形能力が乏しくなり、好ましくない。例えば、小径部１２の外径Ｄ₂が４００ｍｍである場合には、小径部１２の長さＬ₂は３２０ｍｍ以上に設定される。一方、小径部１２の長さＬ₂が長いと、座屈によって不安定になる場合があるものの、変形能力は確保される。また、座屈によって不安定になる場合でも、小径部１２の長さＬ₂を、例えば小径部１２の外径Ｄ₂の１．２倍以下に設定することにより、管状ダイアフラム１３が小径部１２の座屈を拘束し、小径部１２の変形能力の増大をもたらすことができる。

管状ダイアフラム１３は、大径部１１と小径部１２とを接続する管状の鋼管部材であり、図２に示すように、外径が均一である一方、内径が下方になるに従って小さくなる構造を有している。本実施形態においては、大径部１１及び小径部１２の形状に対応させて円筒型の管状ダイアフラム１３を採用しているが、角筒型の管状ダイアフラム１３を採用してもよい。なお、本発明におけるダイアフラムは、貫通孔を有する管状のものに限られず、部分的に閉塞部を有するダイアフラムでもよいが、管状ダイアフラムであれば重量を減少させることができため好ましい。

管状ダイアフラム１３は、大径部１１の内径Ｄ₁₁に対応する内径Ｄ₃₁を有する大径開口部１３ａと、小径部１２の内径Ｄ₂₂に対応する内径Ｄ₃₂を有する小径開口部１３ｂと、大径開口部１３ａと小径開口部１３ｂとを連接するテーパ状内周面１３ｃと、を有している。ここで、「対応する」とは、大径開口部１３ａ（小径開口部１３ｂ）の内径Ｄ₃₁（Ｄ₃₂）の寸法が大径部１１（小径部１２）の内径Ｄ₁₁（Ｄ₂₂）の寸法と「同一」に設定されるという意味ではなく、図２に示すように、大径開口部１３ａ（小径開口部１３ｂ）の内径Ｄ₃₁（Ｄ₃₂）の寸法が大径部１１（小径部１２）の内径Ｄ₁₁（Ｄ₂₂）よりも若干小さく設定されることを含む概念である。

例えば、大径部１１の内径Ｄ₁₁が４３６ｍｍである場合に、管状ダイアフラム１３の大径開口部１３ａの内径Ｄ₃₁を４１０〜４２０ｍｍ程度に設定することができ、小径部１２の内径Ｄ₂₂が３５０ｍｍである場合に、管状ダイアフラム１４の小径開口部１３ｂの内径Ｄ₃₂を３３０〜３４０ｍｍ程度に設定することができる。また、大径部１１の内径Ｄ₁₁が２１８ｍｍである場合に、管状ダイアフラム１３の大径開口部１３ａの内径Ｄ₃₁を２００〜２１０ｍｍ程度に設定することができ、小径部１２の内径Ｄ₂₂が１２６ｍｍである場合に、管状ダイアフラム１４の小径開口部１３ｂの内径Ｄ₃₂を１１０〜１２０ｍｍ程度に設定することができる。

本実施形態においては、図２に示すように、管状ダイアフラム１３の外径Ｄ₃を、大径部１１の外径Ｄ₁と略同一に設定している。一般的な平板状ダイアフラムの外径は、鉄骨柱本体よりの外径よりも５０〜６０ｍｍ程度大きく設定されるが、この場合、外壁内面や室内仕上げとの干渉が生じ得る。本実施形態のように管状ダイアフラム１３の外径Ｄ₃を大径部１１の外径Ｄ₁と略同一に設定することにより、大径部１１と管状ダイアフラム１３の繋ぎ目に段差が生じるのを防ぐことができるので、外壁内面や室内仕上げへの干渉を防ぐことができる。

また、図２に示すように管状ダイアフラム１３を側面視した場合において、大径部１１の外面下端と小径部１２の外面上端とを結ぶ仮想線Ｖ₁と、小径部１２の外面を通る仮想線Ｖ₂と、のなす角度をθとすると、θを４５°以下に設定することが好ましい。このようにすると、大径部１１から小径部１２への伝達効率を高め、管状ダイアフラム１３の変形を抑制することができる。

次に、本実施形態に係る露出型柱脚構造１で立設された鋼管鉄骨柱１０を複数備える建物のバリエーションについて説明する。

＜第一の建物＞
第一の建物は、全ての鋼管鉄骨柱１０における小径部１２の長さＬ₂が、同一の値に設定されているものである。かかる構成を有する建物においては、全ての鋼管鉄骨柱１０における小径部１２の長さＬ₂（すなわち、ベースプレートＰの上面からダイアフラム１３の下端までの距離）を同一の値に設定しているため、構造計算時の断面変化位置設定が容易となる。また、小径部１２の部材長が揃うことで、部材の調達・加工に要する労力を低減させることができる。一般的な建物では、柱の途中で断面が変化することは極めて稀であり、柱の途中で断面変化をさせる機能を有する構造計算ソフトも稀であるが、断面変化位置に梁の無い仮想階を設定すれば計算が可能となる。この際、小径部１２の長さＬ₂が不均一であると仮想階の設定が煩雑になるが、小径部１２の長さＬ₂が揃っていれば仮想階は一つで済む。このような効果は、本発明のテーパ上内周面を有するダイアフラムを配置する際に好適に発現されるが、テーパ上内周面を有さないダイアフラムを用いた場合にも一定の効果を発現することができる。

＜第二の建物＞
第二の建物は、鋼管鉄骨柱１０における小径部１２の長さＬ₂が、階高の０．２〜０．５倍の範囲に設定されているものである。柱と梁で構成された一般的な建物においては、階高（柱の全長とほぼ同等）の０．２〜０．５倍の高さに反曲点（柱の曲げの向きが変わる点）があり、この反曲点の近傍は柱を曲げる力の作用が小さいことが知られている。従って、かかる反曲点が存在する範囲に管状ダイアフラム１３を配置するように、小径部１２の長さＬ₂を階高の０．２〜０．５倍の範囲に設定することにより、管状ダイアフラム１３の鉛直方向長さを短くすることができる。例えば、階高（鋼管鉄骨柱１０の全長とほぼ同等）が２．５ｍである建物においては、小径部１２の長さＬ₂を５００〜１２５０ｍｍの範囲に設定するようにする。このような効果は、本発明のテーパ上内周面を有するダイアフラムを配置する際に好適に発現されるが、テーパ上内周面を有さないダイアフラムを用いた場合にも一定の効果を発現することができる。

以上説明した実施形態に係る露出型柱脚構造１においては、鋼管鉄骨柱１０の下部を小径にすることができるため、ベースプレートＰの細径化を行うことができ、ひいては基礎コンクリートＣの外径寸法を小さく抑えることが可能となる。従って、露出型柱脚構造１の設置に要するスペースを節減することができるため、敷地を有効活用することができる。また、変形を抑制し応力伝達に優れたテーパ状内周面１３ｃを有する管状ダイアフラム１３を介して鋼管鉄骨柱１０の大径部１１と小径部１２とを接続しているため、柱下部での塑性変形能力（エネルギ吸収能力）を向上させることができる。特に、本実施形態に係る露出型柱脚構造１においては、鋼管鉄骨柱１０の小径部１２の長さＬ₂を特定の値（小径部１２の外径Ｄ₂の０．８倍以上）に設定しているため、柱下部での塑性変形能力を格段に向上させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る露出型柱脚構造１においては、大径部１１の外径Ｄ₁と、管状ダイアフラム１３の外径Ｄ₃と、を略同一に設定しているため、大径部１１と管状ダイアフラム１３の繋ぎ目に段差が生じるのを防ぐことができるので、外壁内面や室内仕上げへの干渉を防ぐことができる。

また、以上説明した実施形態に係る露出型柱脚構造１において、大径部１１の断面積と小径部１２の断面積とが略同一に設定されることにより、鋼管鉄骨柱１０に生じる軸力（建物の重量等によって生じる力）に対して、大径部１１と小径部１２とが同等の耐力を有することができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、かかる実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…露出型柱脚構造
１０…鋼管鉄骨柱
１１…大径部
１２…小径部
１３…管状ダイアフラム
１３ａ…大径開口部
１３ｂ…小径開口部
１３ｃ…テーパ状内周面
Ｂ…アンカーボルト
Ｃ…基礎コンクリート
Ｄ₁…大径部の外径
Ｄ₁₁…大径部の内径
Ｄ₂…小径部の外径
Ｄ₂₂…小径部の内径
Ｄ₃…管状ダイアフラムの外径
Ｄ₃₁…管状ダイアフラムの大径開口部の内径
Ｄ₃₂…管状ダイアフラムの小径開口部の内径
Ｌ₂…小径部の長さ
Ｐ…ベースプレート

Claims (8)

1. 複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定することにより、前記鋼管鉄骨柱を立設する露出型柱脚構造であって、
   前記鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、前記大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し前記大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、
   前記ダイアフラムは、テーパ状内周面を有する、露出型柱脚構造。
2. 前記ダイアフラムは、管状ダイアフラムであって、前記大径部の内径に対応する内径を有する大径開口部と、前記小径部の内径に対応する内径を有する小径開口部と、を有し、前記テーパ状内周面が前記大径開口部と前記小径開口部とを連接する、請求項１に記載の露出型柱脚構造。
3. 前記小径部の長さは、前記小径部の外径の０．８倍以上に設定されている、請求項１又は２に記載の露出型柱脚構造。
4. 前記小径部の長さは、前記小径部の外径の０．８倍以上１．２倍以下に設定されている、請求項１から３の何れか一項に記載の露出型柱脚構造。
5. 前記大径部の外径と、前記ダイアフラムの外径と、が略同一に設定されている、請求項１から４の何れか一項に記載の露出型柱脚構造。
6. 前記大径部の断面積と、前記小径部の断面積と、が略同一に設定されている、請求項１から５の何れか一項に記載の露出型柱脚構造。
7. 複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定する露出型柱脚構造で立設された前記鋼管鉄骨柱を複数備える建物であって、
   前記鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、前記大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し前記大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、
   全ての前記鋼管鉄骨柱における前記小径部の長さが、同一の値に設定されている、建物。
8. 複数のアンカーボルトを用いて、建物の鋼管鉄骨柱の下端部に固定されたベースプレートを基礎コンクリートに固定する露出型柱脚構造で立設された前記鋼管鉄骨柱を複数備える建物であって、
   前記鋼管鉄骨柱は、所定の外径を有する大径部と、前記大径部よりも小さい外径を有するとともに所定の長さを有し前記大径部よりも鉛直方向下方に配置される小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するダイアフラムと、を有し、
   前記鋼管鉄骨柱における前記小径部の長さが、階高の０．２〜０．５倍の範囲に設定されている、建物。