JP3740683B2 - 柱脚固定用金具及びそれを用いた柱脚構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物等の構造物に用いられる鉄骨を基礎上に固定する柱脚固定用金具及びそれを用いた柱脚構造に関する。

柱の応力を基礎に伝達する柱脚構造の形式としては、ピン形式、半固定形式及び固定式が挙げられる。近年、施工方法及び設計等の観点から半固定形式の柱脚構造が多用されている。柱脚の固定度は、主に基礎の強度、柱脚の構造上の強度及び施工上の強度（グラフト材の充填の程度、アンカーボルトの取付位置精度等）によって左右される。特に、半固定形式では、固定状態でのアンカーボルトに対する引張力の付与がポイントとなる。
例えば、図９に示す従来例では、基礎１００中に複数本のアンカーボルト１０１をビニル管１０２によりアンボンド処理して埋設し、基礎１００上にはいわゆる「まんじゅう」と称されるレベルモルタル１０３を打設しておく。そして、レベルモルタル１０３上にベースプレート１０４を水平配置する。ベースプレート１０４は、アンカーボルト１０１を挿通する取付孔１０５が穿設されており、アンカーボルト１０１に取付孔１０５を挿通して水平配置した後アンカーボルト１０１に座金１０６を貫装してダブルナット１０７を螺合して仮締めする。その後ベースプレート１０４に柱脚１０８を建て入れ調整して、基礎１００とベースプレート１０４との間にグラウト材１０９を充填する。グラウト材１０９が硬化した後ダブルナット１０７を本締めして完成する。

以上の従来例に対して特許文献１ではレベルモルタルを打設しない工法が記載されている。すなわち、ベースプレートを設置する前にアンカーボルトにレベル調整用のレベルナットを螺合させてさらに柱脚の自重以上の所定の荷重により軸方向に変形する変形座金を貫装し、その上にベースプレートを設置する。そして、ベースプレートと基礎の間にグラウト材を充填してグラウト材の強度が発現した後ベースプレート上にアンカーナットを締め付け、柱脚の建て入れ調整を行うことで、アンカーボルトに張力を導入すると共にレベル調整が可能となる点が記載されている。
特許第３３２３９３９号公報

しかしながら、上述した従来例及び先行文献では、アンカーボルトに引張力は付与されるものの個々のアンカーボルトの引張力を設計どおりに調整することは難しい面があり、また、地震等の震動に伴う柱の揺動に対して最初の揺れでアンカーボルトが伸びてしまうとアンカーナットの締め付けが効かなくなり、次の揺れではピン形式と強度的に同様の耐久力しか維持できない欠点がある。

そこで、本発明は、従来技術において上記のような課題があることに鑑み、個々のアンカーボルトの引張力を簡単に設定でき、震動に伴う柱の揺動に対しても耐久力を維持できる柱脚固定用金具及びそれを用いた柱脚構造を提供することを目的とするものである。

本発明に係る柱脚固定用金具は、基礎中に鉛直方向に沿って埋設固定されたアンカーボルトに螺合されて前記基礎上に固着されたレベル調整部材に配設されたベースプレートを固定する柱脚固定用金具であって、ほぼ中央部分に貫通して形成されるとともに内周面に雌ネジ部が形成された装着孔と、外側面が締付用工具と係合するように形成された螺合部と、前記螺合部に一体的に設けられるとともに薄肉に形成された破断部と、前記破断部に一体的に設けられるとともに外側面が締付用工具と係合するように形成された固着部と、前記螺合部の上面において前記装着孔を囲むように穿設されるとともに前記破断部を収容可能に形成された段差部とを備えたナット部材と、
固定状態において前記固着部と被圧接面との間に挟圧されるバネ部材とを備え、前記破断部は、前記螺合部を螺合させて締め付ける締付力により生じる所定値以上のせん断応力で破断するように設定されており、前記螺合部及び前記固着部は、前記破断部の破断により分離された前記螺合部の上面が前記固着部の上面に密着してダブルナット構造となるように設定されていることを特徴とする。

本発明に係る柱脚構造は、基礎中に鉛直方向に沿って埋設固定された複数本のアンカーボルトと、柱脚が接合されるとともに前記基礎上に固着されたレベル調整部材に配設されたベースプレートと、前記ベースプレートの取付孔から突設した前記アンカーボルトに螺合され座金を介して前記ベースプレートを締付固定する柱脚固定用金具とを備えた柱脚構造であって、前記柱脚固定用金具は、ほぼ中央部分に貫通して形成されるとともに内周面に雌ネジ部が形成された装着孔と、外側面が締付用工具と係合するように形成された螺合部と、前記螺合部に一体的に設けられるとともに薄肉に形成された破断部と、前記破断部に一体的に設けられるとともに外側面が締付用工具と係合するように形成された固着部と、前記螺合部の上面において前記装着孔を囲むように穿設されるとともに前記破断部を収容可能に形成された段差部とを備えたナット部材を、前記固着部が前記ベースプレート側となるように前記アンカーボルトに締付固定するとともに、前記固着部と前記座金との間に挟圧されるバネ部材を有しており、前記破断部は、前記螺合部を前記アンカーボルトに螺合させて締め付ける締付力により生じる所定値以上のせん断応力で破断されており、前記破断部の破断により分離された前記固着部は、前記バネ部材により前記座金から離間する方向に付勢されていることで前記アンカーボルトに引張力を付与しており、前記破断部の破断により分離された前記螺合部は、分離後いったん前記アンカーボルトより取り外されて前記段差部が前記破断部の残存部分を収容して前記固着部に密着した状態で再び締付固定されてダブルナット構造とされていることを特徴とする。

上記のような構成を有することで、柱脚用固定金具の破断部が螺合部を螺合させて締め付ける締付力により生じる所定値以上のせん断力で破断するように設定されているので、ナット部材をアンカーボルトに螺合して締め付けた際に破断部の破断時における締付力に対応した所定の引張力がアンカーボルトに付与されることになる。したがって、アンカーボルトの引張力がどの程度になったかを測定する必要がなくなり、破断部が破断するまでナット部材を締め付ければ設定した引張力をアンカーボルトに付与することができる。

また、破断部が破断することで固着部は螺合部とともに緩むことがなくなり、ダブルナットと同様の締付効果を得ることができる。したがって、アンカーボルトに付与された引張力が維持されるようになる。

また、固着部と被圧接面との間にバネ部材が挟圧されることで、震動等により柱が揺動した場合にバネ部材が緩衝材として作用すると共に最初の揺れでアンカーボルトが伸びたとしても固着部と被圧接面との間にバネ部材の付勢力が作用してアンカーボルトの引張力が維持されるようになる。したがって、柱脚構造としての耐久力を従来より長い時間維持することができるようになる。

さらに、固着部の外側面を締付用工具と係合するように形成することで、破断部が破断した後に螺合部及び固着部を再度締め直してダブルナット構造と同様の効果を発揮させることができる。

そして、柱脚構造にこのような柱脚用固定金具を用いることで、複数本のアンカーボルトを同一の引張力で容易に締め付けることができ、作業効率が格段に向上するようになる。また、万一地震等の震動によりアンカーボルトが伸びた状態になったとしても、固着部及び螺合部を再度締め直して修復することができる。場合によっては、新たな柱脚用固定金具で締め付ければ元の構造特性に復原することが可能となり、こうしたメンテナンス作業を効率よく行うことができるようになる。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る柱脚構造に関する実施形態の概略側面図である。柱脚構造１は、捨てコンクリート２上に据え付けられており、柱脚構造１上には鋼管柱等の柱部材３が固定されている。

柱脚構造１の下部は、捨てコンクリート２の上面に据え付けられたフレームベース１０に複数本のフレーム部材１１がボルトにより固定されて鉛直方向に立設されており、フレーム部材１１の上部には、アンカーボルト１３を固定するための取付板１２が水平に設けられている。図示されていないが、フレーム部材１１は伸縮して取付板１２の高さを調整できるようになっている。以上の構造は、従来より用いられているものと同様のものである。なお、取付板１２は、所定の厚みを有しており、定着板と兼用するようになっている。

アンカーボルト１３は、金属製で棒状に形成されており、両端部に雄ネジ部がそれぞれ形成されている。アンカーボルト１３の周囲にはビニル管等によりアンボンド処理されている。

取付板１２には取付孔が穿設されており、この取付孔にアンカーボルト１３の下端部が挿入されてナット１４及び１５により取付板１２に固定される。そして、アンカーボルト１３の上部を突出した状態で基礎コンクリート４が打設されており、柱脚構造１の中心位置には、レベル筋１６が埋設されている。

基礎コンクリート４の上面には、レベル筋１６を中心にまんじゅう状のレベルモルタル１７が形成されており、レベル筋１６とともにベースプレート１８のレベル調整部材として作用する。

図２は、ベースプレート１８の上面から見た上面図を示しているが、ベースプレート１８は矩形状の鋼板からなり、４つの角部にそれぞれ２つずつアンカーボルト１３の取付孔１９が穿設されている。そして、ベースプレート１８の中央部分には柱部材３が固着されており、柱部材３の下端部には、複数枚のウィングプレート２０が固着されている。ベースプレート１８の取付孔１９は、アンカーボルト１３の外径よりも大きい口径に設定されており、そのためアンカーボルト１３を容易に挿通してレベルモルタル１７上にセットすることができ、また位置の微調整も行うことができる。

アンカーボルト１３は、ベースプレート１８の取付孔１９に挿通されて上端部がベースプレート１８の上方に突出しており、その突出部分に座金２１及び固定金具２２が装着されている。

図３は、座金２１及び固定金具２２の装着部分に関する拡大断面図を示している。座金２１は、アンカーボルト１３に挿通されてベースプレート１８と固定金具２２との間に挟持されている。そして、図４の平面図（図４（ａ））及びＡ−Ａ断面図（図４（ｂ））に示すとおり、座金２１は円形の金属板からなり、その中心部にアンカーボルト１３に挿通される通孔２３が穿設されている。通孔２３は、下部においてその口径が拡大するように形成されている。また、座金２１の上面から通孔２３の下部に向けて傾斜して形成されたグラウト材の注入孔２４が設けられている。注入孔２４から注入されたグラウト材２５は、取付孔１９からベースプレート１８と基礎コンクリート４との間に隙間なく充填されるようになる。

固定金具２２は、ナット部材２６及び皿バネ部材２７からなる。ナット部材２６は、図５の平面図（図５（ａ））及び側面図（図５（ｂ））に示すとおり、螺合部２８、破断部２９及び固着部３０が一体形成されている。そして、ナット部材２６の中心部には軸方向に沿って装着孔３１が形成されており、装着孔３１の内周面には雌ネジ部が形成されている。雌ネジ部は、螺合部２８から固着部３０まで全体にわたって形成されているが、少なくとも螺合部２８及び固着部３０に形成されていればよく、破断部２９には形成されていなくてもよい。螺合部２８及び固着部３０は、外側面が六角形に成形されており、レンチ等の工具を嵌合してアンカーボルト１３に締付固定する。螺合部２８及び固着部３０はほぼ同じような肉厚及び長さに形成されており、その間に破断部２９が円筒状で薄肉に一体形成されている。螺合部２８の上面には、装着孔３１を囲むように段差部３２が形成されている。段差部３２の外径は、破断部２９の外径とほぼ同じかわずかに大きく設定されており、深さは、破断部２９の長さとほぼ同程度に設定されている。

皿バネ部材２７は、図６の平面図（図６（ａ））及び断面図（図６（ｂ））に示すとおり、金属製でリング状に形成されており、内周側３３から外周側３４にいくに従いわずかに下方に傾斜するように成形されている。したがって、皿バネ部材２７の内周側３３が上方に、外周側３４が下方にそれぞれ突き出るようになる。図３に示すように、ナット部材２６の固着部３０の下面と座金２１の上面の間に皿バネ部材２７が挟持されると、固着部３０の下面は皿バネ部材２７の内周側３３の上面に当接し、座金２１の上面は皿バネ部材２７の外周側３４の下面が当接するようになる。この状態で皿バネ部材２７が上下方向から挟圧されると、内周側３３が下方に押圧され、外周側３４が上方に押圧されるため、それに対して反発力が生じ、ナット部材２６と座金２１とを離間させる方向に付勢力が作用するようになる。皿バネ部材２７の外周はナット部材２６の外周とほぼ一致しているが、皿バネ部材２７の外周をナット部材２６の外周よりも大きくしてもよい。その分皿バネ部材２７の内周側の浮き上がりが大きくなり、反発力を大きくすることができる。

図７に示すように、ナット部材２６の螺合部２８を締付用工具により力Ｆで締め付けていくと、アンカーボルト１３に引張力Ｐが生じるようになる。螺合部２８をさらに締め付けると、引張力Ｐは次第に大きくなり、ナット部材２６の固着部３０、皿バネ部材２７及び座金２１がベースプレート１８に圧接されるようになって、破断部２９には周方向にせん断応力Ｓが加わるようになる。破断部２９は肉厚を調整することでせん断強度が所定値になるように設定されており、そのせん断強度よりも大きいせん断応力Ｓが加わった時点で破断部２９は周方向の破断線Ｕで破断する。したがって、アンカーボルト１３に付与する引張力Ｐに対応したせん断応力Ｓが破断部２９に加わった時点で破断するように破断部２９のせん断強度を予め設定しておけば、ナット部材２６の螺合部２８を破断部２９が破断するまで締め付けることでアンカーボルト１３の引張力を所定の大きさに設定することができる。

破断部２９が破断した後、螺合部２８と固着部３０とは分離された状態となってダブルナットと同様の効果が生じ、また、固着部３０と座金２１との間には皿バネ部材２７により互いに離間する方向に付勢力Ｔが作用するため、ナット部材２６の緩み止めの効果が十分発揮される。

ダブルナットによる緩み止め効果をさらに発揮させるためには、図８に示すように、ナット部材２６の螺合部２８を締め付けて破断部２９が破断した後（図８（ａ））、一旦螺合部２８のみを分離してアンカーボルト１３から外し、上下を逆にして段差部３２の形成された方から再度アンカーボルト１３に螺合する（図８（ｂ））。螺合部２８を固着部３０に当接するまで螺合すると段差部３２の中に固着部３０の上面に残存する破断部２９が収容されて螺合部２８と固着部３０とが密着した状態にすることができる（図８（ｃ））。この状態で、螺合部２８及び固着部３０を締付用工具により同時に逆方向に締め付けることで従来のダブルナット構造と同様の効果を発揮するように設定できる。

震動等により柱部材３が揺動した場合、柱部材３と共にベースプレート１８が傾くように揺動するが、ベースプレート１８の傾きが小さいときは皿バネ部材２７が緩衝材として機能するようになり、ベースプレート１８が大きく傾くと設計上まずアンカーボルト１３が伸びるようになる。最初の揺れでアンカーボルト１３が伸びても固着部３０と座金２１との間に皿バネ部材２７の付勢力が作用している限りアンカーボルト１３の引張力が維持されるようになる。したがって、柱脚構造としての耐久力を従来より長い時間維持することが可能となる。また、アンカーボルト１３が伸びた場合でも、再度螺合部２８及び固着部３０を締め直すことで元の状態に復原することも可能であり、新たなナット部材を装着して復原してもよく、いずれにしても容易にメンテナンス作業を行うことができる。

柱脚構造を施工する場合には、打設した捨てコンクリート上に墨出ししてベースフレームを据付固定し、フレーム部材を取り付けてアンカーボルトを設置する。アンカーボルトの位置を調整して、基礎を施工するために型枠を配置して配筋し、基礎コンクリートを打設する。そして、基礎コンクリート上にレベルモルタルを施工して、ベースプレートを設置し、座金及び固定金具をアンカーボルトに装着して建て入れ調整を行う。その後、基礎コンクリートとベースプレートとの間にグラウト材を充填する。アンカーボルト周辺は、座金に設けられたグラウト材注入孔からグラウト材を注入することで隙間なく充填することができた。

アンカーボルトとして、日本鋼構造協会規格ＪＳＳII１３「建築構造用転造ネジ、アンカーボルト、座金のセット」（ABR400及びABR490)で規定されているものを使用した。アンカーボルトとしては、軸部の径の基準寸法は２１．８５ｍｍ、全長は６００ｍｍで、両端部にねじ部を１００ｍｍ形成したものを用いた。ねじ部としては、例えば、呼び径Ｍ２４のねじ部で、ねじ部が切削ねじの場合は断面欠損率の小さい細目ねじとし、転造ねじの場合は転造機の能力を考慮して規格が制定されており、ねじ部が破断する前に軸部が降伏することが保証されている。そして、アンカーボルトの下端部は定着板に固定しておく。

また、ナット部材は、鋼材を切削加工し、破断部を高さ約４ｍｍで厚さ約３ｍｍとした。破断部のせん断強度は、９ｔであった。皿バネ部材として、厚さ４．５ｍｍの鋼板をリング状に打ち抜き加工し、内周側が外周側よりも０．８ｍｍ上方に位置するようにプレス加工により傾斜をつけた。この皿バネ部材は、９ｔの圧力を加えると内周側と外周側とが同一平面となるように変形し、圧力が解除されると元の形に復元した。

これらのナット部材及び皿バネ部材を備えた固定金具をアンカーボルトに装着して締付用工具で締付けていくと、締付力９ｔで破断部が破断した。破断した状態では、アンカーボルトに加えられた引張力は９ｔであった。他のアンカーボルトについても固定金具を締付固定した結果同様の測定結果を得ることができた。したがって、アンカーボルトをすべて同じ引張力で設定することができる。

なお、破断した状態では、皿バネ部材は、内周側と外周側とが同一平面となるように変形していた。したがって、アンカーボルトが軸方向に引張られて伸びたとしてもその伸び量が０．８ｍｍまでは、皿バネ部材の付勢力が作用してアンカーボルトに引張力が付与された状態が維持されるようになる。

アンカーボルトが降伏した場合には、軸部が６〜７ｍｍ程度伸びるが、ねじ部には塑性変形が生じていないため、軸部が伸びた分だけナット部材を図８に示すように締め付ければ、元の状態に復原することができる。したがって、メンテナンス作業を容易に行うことが可能となる。

本発明に係る柱脚構造に関する概略側面図である。 図１においてベースプレートの上方から見た平面図である。 固定金具の装着部分の拡大断面図である。 座金に関する平面図及び断面図である。 ナット部材に関する平面図及び断面図である。 皿バネ部材に関する平面図及び断面図である。 固定金具を締付固定した状態の説明図である。 ナット部材を締め直すやり方に関する説明図である。 従来の柱脚構造に関する説明図である。

符号の説明

１ 柱脚構造
２ 捨てコンクリート
３ 柱部材
４ 基礎コンクリート
13 アンカーボルト
18 ベースプレート
21 座金
22 固定金具
26 ナット部材
27 皿バネ部材

Claims (2)

1. 基礎中に鉛直方向に沿って埋設固定されたアンカーボルトに螺合されて前記基礎上に固着されたレベル調整部材に配設されたベースプレートを固定する柱脚固定用金具であって、
   ほぼ中央部分に貫通して形成されるとともに内周面に雌ネジ部が形成された装着孔と、外側面が締付用工具と係合するように形成された螺合部と、前記螺合部に一体的に設けられるとともに薄肉に形成された破断部と、前記破断部に一体的に設けられるとともに外側面が締付用工具と係合するように形成された固着部と、前記螺合部の上面において前記装着孔を囲むように穿設されるとともに前記破断部を収容可能に形成された段差部とを備えたナット部材と、
   固定状態において前記固着部と被圧接面との間に挟圧されるバネ部材とを備え、
   前記破断部は、前記螺合部を螺合させて締め付ける締付力により生じる所定値以上のせん断応力で破断するように設定されており、
   前記螺合部及び前記固着部は、前記破断部の破断により分離された前記螺合部の上面が前記固着部の上面に密着してダブルナット構造となるように設定されていることを特徴とする柱脚固定用金具。
2. 基礎中に鉛直方向に沿って埋設固定された複数本のアンカーボルトと、柱脚が接合されるとともに前記基礎上に固着されたレベル調整部材に配設されたベースプレートと、前記ベースプレートの取付孔から突設した前記アンカーボルトに螺合され座金を介して前記ベースプレートを締付固定する柱脚固定用金具とを備えた柱脚構造であって、
   前記柱脚固定用金具は、ほぼ中央部分に貫通して形成されるとともに内周面に雌ネジ部が形成された装着孔と、外側面が締付用工具と係合するように形成された螺合部と、前記螺合部に一体的に設けられるとともに薄肉に形成された破断部と、前記破断部に一体的に設けられるとともに外側面が締付用工具と係合するように形成された固着部と、前記螺合部の上面において前記装着孔を囲むように穿設されるとともに前記破断部を収容可能に形成された段差部とを備えたナット部材を、前記固着部が前記ベースプレート側となるように前記アンカーボルトに締付固定するとともに、前記固着部と前記座金との間に挟圧されるバネ部材を有しており、
   前記破断部は、前記螺合部を前記アンカーボルトに螺合させて締め付ける締付力により生じる所定値以上のせん断応力で破断されており、
   前記破断部の破断により分離された前記固着部は、前記バネ部材により前記座金から離間する方向に付勢されていることで前記アンカーボルトに引張力を付与しており、
   前記破断部の破断により分離された前記螺合部は、分離後いったん前記アンカーボルトより取り外されて前記段差部が前記破断部の残存部分を収容して前記固着部に密着した状態で再び締付固定されてダブルナット構造とされていることを特徴とする柱脚構造。

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