JP2023079439A - ベースプレートの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ造の柱またはＣＦＴ構造の柱をＲＣ造の柱に切り替える構工法において、ベースプレートを安全に設計することができるベースプレートの設計方法を提供する。【解決手段】ベースプレートの設計方法は、鉛直方向に延びる柱主筋を有する鉄筋コンクリート造の第一柱と、該第一柱の上方に配置された鉄骨造又はコンクリート充填鋼管構造の第二柱とを、応力切替部を介して接合する接合構造において、前記応力切替部が備える前記第二柱の下部に設けられたベースプレートの設計方法であって、前記ベースプレートにおいて支圧応力度が作用しない中立軸位置の前記ベースプレートの寸法に対する割合である中立軸位置比によって場合分けして、前記ベースプレートの下面であって前記接合鋼管からはね出すはね出し部に作用するコンクリートの支圧応力度を考慮して、耐力曲線を算定する。【選択図】なし

Description

本発明は、ベースプレートの設計方法に関するものである。

従来から、地上階の鉄骨造（「Ｓ造」と称することがある）の柱またはコンクリート充填鋼管構造（「ＣＦＴ構造」と称することがある）の柱から、地下階の鉄筋コンクリート造（「ＲＣ造」と称することがある）の柱に、地上階の応力を切り替える場合がある。この場合、切替部分において十分な応力伝達を行うには地下階の２～３層分の柱を鉄骨鉄筋コンクリート造（「ＳＲＣ造」と称することがある）とするのが一般的である。ＳＲＣ造とした場合、建物の規模によっては当該部分の途中で柱が基礎に達したり、工数と仮設が増えたりするとともに、地下階が狭隘空間となりコストアップの一要因となっている。

これらの問題点や課題を解消するために、地上階のＳ造の柱またはＣＦＴ構造の柱を地下階１層のみでＲＣ造柱に切り替える構工法をすでに考案している（下記の特許文献１、２参照）。本構工法では応力切替部に鋼管を巻く（以下この部分を「接合鋼管」と呼ぶ）ことで、地上階の応力を地下階１層のみで切り替えることを可能にしている。

特開２０１３－１８１３５０号公報 特開２０１４－１８１５４５号公報

Ｓ造の柱またはＣＦＴ構造の柱を地下階の任意の１層のみでＲＣ造の柱に切り替える構工法について、具体的な設計方法の構築が望まれている。

そこで、本発明では、Ｓ造の柱またはＣＦＴ構造の柱をＲＣ造の柱に切り替える構工法において、ベースプレートを安全に設計することができるベースプレートの設計方法を提供する。

本発明に係るベースプレートの設計方法は、鉛直方向に延びる柱主筋を有する鉄筋コンクリート造の第一柱と、該第一柱の上方に配置された鉄骨造又はコンクリート充填鋼管構造の第二柱とを、応力切替部を介して接合する接合構造において、前記応力切替部が備える前記第二柱の下部に設けられたベースプレートの設計方法であって、前記ベースプレートにおいて支圧応力度が作用しない中立軸位置の前記ベースプレートの寸法に対する割合である中立軸位置比によって場合分けして、前記ベースプレートの下面であって前記接合鋼管からはね出すはね出し部に作用するコンクリートの支圧応力度を考慮して、耐力曲線を算定し、下記の条件式（Ｉ）、（ＩＩ）を満たす。

このように構成されたベースプレートの設計方法では、ベースプレートを安全に設計することができる。

本発明によれば、ベースプレートを安全に設計することができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る柱接合構造を備えた構造物の躯体の一部を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ－Ｘ断面図である。 本発明の実施形態に係る柱接合構造を備えた構造物において、応力切替部の配置を示す一例である。 本発明の実施形態に係る柱接合構造を備えた構造物において、応力切替部の配置を示す他の例である。 ベースプレート周辺の支圧応力度分布を示す図であり、（ａ）縦断面図であり、（ｂ）水平断面図である。 有効支圧領域および有効支承領域を示す図である。 引張軸力作用時の支圧応力度分布を示す図であり、（ａ）縦断面図であり、（ｂ）水平断面図である。 圧縮軸力が卓越する場合の支圧応力度分布を示す図であり、（ａ）縦断面図であり、（ｂ）水平断面図である。 Ｍ－Ｎ耐力曲線算定結果と実験結果の比較を示す図である。

以下、本発明に係る柱接合構造の実施の形態について、図面に基いて説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の柱接合構造を備えた構造物１００では、鉄筋コンクリート造のＲＣ柱（第一柱）１の柱主筋１１は、下部主筋１１Ａがスラブ４３を貫通して設けられ、機械式継手１５を介して上部主筋１１Ｂと接合されている。また、鉄骨の梁４２にコンクリート充填鋼管構造のＣＦＴ柱（第二柱）２が固定されている。

ＲＣ柱１とＣＦＴ柱２との接合構造は、上下に離間して配置された地下躯体のスラブ４３と地上躯体のスラブ４４との間に、ＲＣ柱１の上部１６と、ＣＦＴ柱２の下部２３と、ＲＣ柱１とＣＦＴ柱２とを軸方向に接合する応力切替部５と、を備えている。
上下のスラブ４３，４４間の１層の高さよりも低い応力切替部５において、地下躯体の構造と地上躯体の構造とが切替えられている。

ＲＣ柱１は、コンクリート部１０の内部に鉄筋からなる柱主筋１１等が複数埋設された公知の鉄筋コンクリート柱であり、横断面視の外形が四角形の柱である。柱主筋１１は、柱軸方向に延在している。なお、ＲＣ柱１は、横断面が円形であってもよい。

ＣＦＴ柱２は、角筒状の鋼管２０と、その内側に充填されたコンクリート部２１と、鋼管２０の下端に設けられた平面視四角形のベースプレート２２と、を有している。鋼管２０の横断面視の外形は、ＲＣ柱１の横断面視の外形よりも小さい。また、ベースプレート２２の平面視の外形は、鋼管２０の横断面視の外形よりも大きく、且つ、ＲＣ柱１の横断面視の外形よりも小さい。なお、ＣＦＴ柱２の鋼管は、円筒状に形成されていてもよい。

さらに、ベースプレート２２の中央部分には、開口（不図示。以下同じ。）が形成されている。この開口により、ＣＦＴ柱２のコンクリート部２１と後述する接合鋼管３内の充填コンクリート部３１とが分離せずに一体に形成されている。

応力切替部５は、ＣＦＴ柱２のベースプレート２２と、柱主筋１１の上部（主筋部）１４と、軸方向に延在してＲＣ柱１の上部１６およびＣＦＴ柱２の下部２３を内部に配置した接合鋼管３と、接合鋼管３内に充填された充填コンクリート部３１と、を備えている。地下構造物であるＲＣ柱１と地上構造物であるＣＦＴ柱２とが、応力切替部５を介して接合されている。

接合鋼管３は、本実施形態では軸方向に沿って延在する角筒状の鋼管からなり、ＲＣ柱１のコンクリート部１０の上方に配置されている。この接合鋼管３の横断面視の外形はＲＣ柱１の横断面視の外形と同一形状であり、接合鋼管３の外周面がＲＣ柱１の外周面と面一に形成されている。なお、接合鋼管３は、円筒状に形成されていてもよい。

接合鋼管３の内側には、充填コンクリート部３１が接合鋼管３の下端から上端までの範囲に亘って充填されている。なお、コンクリート部１０および充填コンクリート部３１の下部を一体としてプレキャストコンクリートで構成して、充填コンクリート部３１を上部から現場で打設して形成してもよい。

接合鋼管３の内側には、ＣＦＴ柱２の下部（柱脚部）２３が接合鋼管３の上端開口部から挿入されており、ＣＦＴ柱２の下部２３が接合鋼管３内の充填コンクリート部３１内に定着されている。ＣＦＴ柱２の柱脚部２３は、接合鋼管３の軸方向の中間位置まで延在しており、充填コンクリート部３１に対する十分な根入れ長さ、例えば充填コンクリート部３１にはＣＦＴ柱２の幅またはせいの２倍以上の根入れ長さが確保されている。

接合鋼管３の内側には、ＲＣ柱１の上部１６から延出した複数の柱主筋１１の定着部分１４が、接合鋼管３の下端開口部からそれぞれ挿入され、接合鋼管３内の充填コンクリート部３１内にＣＦＴ柱２の柱脚部２３とともに定着されている。柱主筋１１の上端には、拡径された定着端１３がそれぞれ設けられている。

複数の柱主筋１１の定着部分１４は、接合鋼管３の上端よりも下方の高さまで延在しており、柱主筋１１の上端面と充填コンクリート部３１の上端面との間には所定の被り厚さがある。

複数の柱主筋１１の上部は、接合鋼管３とＣＦＴ柱２の柱脚部２３との間に配置され、柱脚部２３の周囲を囲むように接合鋼管３の内周面に沿って平面視四角形状に並べて配置されている。

図２及び図３に示すように、四周を地盤、地下外壁Ｗに囲まれた地下階にのみ、応力切替部５を設置することができる。図２に示すように複数の応力切替部５を全て同一階（図２では地下１階に設置されているが、地下の他の階であってもよい）に設置してもよいし、図３に示すように複数の応力切替部５を複数の階に分けて設置してもよい。

次に、応力切替部の設計について説明する。
当該部分の設計は、許容応力度設計を基本とすることから、弾性計算に立脚した応力算定が必要である。したがって、接合鋼管にコンクリートを介して埋め込まれたベースプレート下面およびはね出し部上面に作用する支圧応力度分布は、平面図保持を仮定した三角形分布とする。

１．ベースプレート周辺の支圧応力度分布
ベースプレート周辺の応力状態を図４に示す。
ここで、ベースプレートにおいて、支圧応力度がゼロとなる位置（中立軸位置ｘ_ｎ：ベースプレート先端部からの距離）を想定し、σ_ＢＳをベースプレート下面に作用する縁応力度とし、σ_ｖをはね出し部上面に作用する縁応力度とする。さらに、コンクリート強度（σ_ＢＳ）に対する比（支圧強度係数）を導入すると次式（１）、（２）の関係が成り立つ。

２．中立軸位置の変化による断面図作用力の評価
ベースプレートに作用する軸力（Ｎ_ＢＳ：圧縮を正）および曲げモーメント（Ｍ_ＢＳ）は、中立軸位置比ｘ_ｎ´の値のとり得る範囲によって、以下のように評価できる。

＜Ｃａｓｅ１＞次式（Ａ）の場合（図４参照）

［軸力のつり合い］
次式（３）となる。

式（１）および次式（Ｂ）（図４参照）より、式（３）は次式（４）のようになる。

ここで、α_ＢＳまたはα_Ｖが与えられている場合には、式（２）よりα_ＢＳを消去しｘ_ｎ´について整理し、次式（５）の２次方程式を解くことによりｘ_ｎ´が求められる。

なお、ｘ_ｎ´が与えられている場合には、式（２）のα_ＢＳとα_Ｖの関係から、支圧強度または許容応力度に達するときの軸力が求められる。

［曲げモーメント］
次式（６）、（７）となる。

［有効支圧面積（Ａ_ＢＳ）および有効支承面積（Ａ_ｃｅ）］
支圧応力度分布が一様でない場合は、偏心荷重が作用するものと仮定する。想定した有効支圧領域および有効支承領域を図５に示す。
ここでは、ストレスブロックの支圧応力度として一様に最大支圧応力度が分布しているものとしたときの領域（ｘ_ｂ）は、支圧力（軸力）が等しくなる条件より求められ、同時に有効支圧面積も与えられる。有効支圧面積（Ａ_ＢＳ）は、次式（８）、（９）より求められる。

一方、有効支承面積（Ａ_ｃｅ）は、荷重心から縁までの距離の２倍を支承領域とする「プレストレストコンクリート設計施工規準・同解説１９９８」に示されている考え方を参考にすると次式（１０）で与えられる。

＜Ｃａｓｅ２＞次式（Ｃ）の場合（主に引張軸力作用時、図６参照）

ここでは、引張軸力が作用する場合を想定し、ベースプレートのはね出し部による抵抗機構を考える。引張軸力作用時の支圧応力度分布を図６に示す。なお、ベースプレート下面の支圧応力度は小さいものとして考慮しない。
ＣＦＴ柱芯における支圧応力度および応力勾配（σ´_Ｖ,Δσ_Ｖ）は次式（１１）で表される。

＜Ｃａｓｅ２－１＞次式（Ｄ）の場合

［軸力のつり合い］
次式（１２）、（１３）となる。

α_Ｖが与えられている場合には、ｘ_ｎ´について整理して、次式（１４）となる。

ｘ_ｎ´が与えられている場合には、次式（１５）が与えられる。

［曲げモーメント］
次式（１６）、（１７）となる。

＜Ｃａｓｅ２－２＞次式（Ｅ）の場合

［軸力のつり合い］
次式（１８）、（１９）となる。

α_Ｖが与えられている場合には、ｘ_ｎ´について整理して、次式（２０）となる。

ｘ_ｎ´が与えられている場合には、次式（２１）が与えられる。

［曲げモーメント］
次式（２２）、（２３）となる。

＜Ｃａｓｅ３＞次式（Ｆ）の場合（主に圧縮軸力が卓越する場合、図７参照）

ここでは、ベースプレートのはね出し部上面による支圧応力度は無視する。圧縮軸力が卓越する場合の支圧応力度分布を図７に示す。

＜Ｃａｓｅ３－１＞次式（Ｇ）の場合

［軸力のつり合い］
次式（２４）、（２５）、（２６）となる。

［曲げモーメント］
次式（２７）、（２８）となる。

［有効支圧面積（Ａ_ＢＳ）および有効支承面積（Ａ_ｃｅ）］
次式（２９）、（３０）となる。

＜Ｃａｓｅ３－２＞次式（Ｈ）の場合

［軸力のつり合い］
次式（３１）、（３２）、（３３）となる。

［曲げモーメント］
次式（３４）、（３５）となる。

［有効支圧面積（Ａ_ＢＳおよび有効支承面積（Ａ_ｃｅ）］
次式（３６）、（３７）となる。

３．ベースプレートのＭ－Ｎ耐力曲線計算例
ベースプレート周辺のコンクリートの支圧強度を考慮したＭ－Ｎ耐力曲線は、式（１）から式（３７）に基づき、ｘ_ｎ´をパラメータとして求めることができる。
各試験体における基準化軸力と曲げモーメントの実験値（部材変形角１．５％における荷重レベル）を表１に、一例として試験体Ｂ－２のＭ－Ｎ耐力曲線算定結果を図８に示す。

各試験体のベースプレートに作用している軸力および曲げモーメント実験値は、当該耐力曲線とほぼ同等もしくは大きくなっていることから、この耐力曲線は安全側の評価を与えることが分かる。

このように構成されたベースプレートの設計方法では、ベースプレートを安全に設計することができる。

以上、本発明に係るベースプレートの設計方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上記に示す実施形態では、第二柱としてＣＦＴ柱を例に挙げて説明したが、第二柱はＳ柱（鉄骨造の柱）であってもよい。

１ ＲＣ柱（第一柱）
２ ＣＦＴ柱（第二柱）
３ 接合鋼管
５ 応力切替部
１０ コンクリート部
１１ 柱主筋
１３ 定着端
１４ 定着部分
１５ 機械式継手
２０ 鋼管
２１ コンクリート部
２２ ベースプレート
２３ 柱脚部
３１ 充填コンクリート部
４２ 梁
４３，４４ スラブ

Claims (1)

1. 鉛直方向に延びる柱主筋を有する鉄筋コンクリート造の第一柱と、該第一柱の上方に配置された鉄骨造又はコンクリート充填鋼管構造の第二柱とを、応力切替部を介して接合する接合構造において、前記応力切替部が備える前記第二柱の下部に設けられたベースプレートの設計方法であって、
   前記ベースプレートにおいて支圧応力度が作用しない中立軸位置の前記ベースプレートの寸法に対する割合である中立軸位置比によって場合分けして、
   前記ベースプレートの下面であって前記接合鋼管からはね出すはね出し部に作用するコンクリートの支圧応力度を考慮して、耐力曲線を算定し、
   下記の条件式（１）、（２）を満たすベースプレートの設計方法。
   

   

   

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