JP4195795B2 - 露出型柱脚構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄骨造及び鋼管コンクリート構造における建築物の柱をベースプレートを介し基礎コンクリートに固着した露出型柱脚構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨造及び鋼管コンクリート構造における露出型柱脚構造においては、その柱脚性能を存分に発揮させるために、アンカーボルトが破断するまでアンカーボルトが基礎コンクリートから抜け出さないようにアンカーボルトを十分に定着させる必要がある。
【０００３】
その方法として従来より次の二つの方法が用いられている。まず第一の方法について図３を用いて説明する。図３は、基礎コンクリートに埋め込まれた定着板付きのアンカーボルトに引張力が作用した図である。図３において、基礎コンクリート１中のアンカーボルト２に引張力Ｔが作用すると、アンカーボルト２の下端部に固定させた定着板３を介して基礎コンクリート１に応力がかかる。そして、この応力が基礎コンクリート１の耐力を超えると定着板３から４５°上方向に基礎コンクリート１が破壊するコーン状破壊を生じる。４はコーン状破壊面を示す。そこで、第一の方法として、コーン状破壊を防ぐために基礎コンクリート１のボリュームを大きくすることによりアンカーボルト２の定着を確保していた。具体的には下記の（１）式を満足させる必要がある。
【０００４】
【数１】

【０００５】
次に、第二の方法について図４を用いて説明する。図４は、立上筋を配筋した露出型柱脚構造の概略断面図を示す。図４において、鉄骨柱８はベースプレート９の上部に溶接またはボルト締めにより接合される。ベースプレート９は鋼板、鋳造あるいは鍛造製からなるもので、基礎コンクリート１中に埋め込まれた複数本のアンカーボルト２にナット１０により固定される。アンカーボルト２の下端部には鋼板製などの定着板３がナット１１により固定される。ベースプレート９の底面と基礎コンクリート１との間にはモルタル１２が設けられる。
【０００６】
特に隅柱や側柱においては、図４に示すように、柱脚部５より下方に位置する基礎柱形部６の基礎コンクリート１のボリュームがコーン状破壊面４の領域より小さくなる場合がある。このように基礎コンクリート１のボリュームを十分に大きくできない場合、第二の方法として、基礎柱形部６にアンカーボルト２の強度に見合うように通常１６〜４０本の立上筋７を設けることにより、アンカーボルト２の定着を確保していた。この方法は特公平８−１４１１０号に開示されている。具体的には下記の（２）式を満足する必要がある。
【０００７】
そして、第一及び第二のいずれの方法でも、基礎柱形部６を鉄筋コンクリート柱と仮定して、立上筋量を設計していた。
【０００８】
【数２】

【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の露出型柱脚構造では、アンカーボルトの定着を十分に確保するために、柱脚部より下方に位置する基礎コンクリートのボリュームを大きくする必要がある。このため施工コストが高くなったり、建物の意匠性が悪くなるといった問題があった。また、基礎コンクリートのボリュームを大きくできない場合においても、アンカーボルトの周りに多くの立上筋を設ける必要があるため施工が煩雑となる問題があった。
【００１０】
そこで、これらの問題を解決するために、基礎コンクリートのボリュームが小さくても、従来に比べ少ない本数の立上筋でアンカーボルトの定着を確保できる露出型柱脚構造として、本出願人は、特開２０００−１５４５９２号及び特願２００１−２２９６０２号を提案した。
【００１１】
この技術的思想を図２により説明する。図２は、露出型柱脚の柱脚部に曲げモーメントが作用した図を示す。図２において、柱脚部５に曲げモーメントＭが作用すると、アンカーボルト２に引張力Ｔが生じる。同時にベースプレート９の底面に圧縮力Ｓ及び定着板３に圧縮反力Ｒが発生する。この際、基礎コンクリート１部分では、定着板３とベースプレート９との間に斜めに発生する圧縮力が作用する。いわゆる圧縮束Ｄが形成される。
【００１２】
一般に、コンクリートは引張力及びせん断力に対しては弱いが、圧縮力に対しては強度が強い性質を持っている。そこで、この性質を利用して圧縮力によりアンカーボルトの定着を図るようにした。つまり、圧縮束の剛体回転を抑えればアンカーボルトの定着を確保できると考えた。そのためには、柱脚部の強度に対して、柱脚部の下方に位置する基礎柱形部が、柱・はり接合部におけるパネルゾーンとして十分な強度を持たせることが必要である。
【００１３】
ここで、特願２００１−２２９６０２号では、アンカーボルトの定着を確保するため、中段筋のみを評価している。しかしながら、特願２００１−２２９６０２号によれば、中段筋の本数が増えたり、アンカーボルト定着のため中段筋を別途挿入して設ける必要がある。本発明は、この既提案の露出型柱脚構造の改良をはかり、従来より設置されている水平鉄筋である帯筋によって寄与される耐力を評価に加えることに着目し、アンカーボルト定着のため中段筋を別途設ける必要がなく、中段筋の量を最小限にして配筋の煩雑さを軽減するとともに、基礎コンクリートのボリュームが小さくても、少ない本数の立上筋でアンカーボルトの定着を確保できる露出型柱脚構造を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、建築物の柱をベースプレートを介し基礎コンクリートに固着した露出型柱脚構造において、基礎柱形部に配置された鉛直鉄筋と、同じく基礎柱形部に配置されてかつアンカーボルト下端部に固定した定着板よりも上方に配置された水平鉄筋との累加強度によって、柱脚部の強度に対して基礎柱形部が、柱・はり接合部におけるパネルゾーンとして十分な強度を持つことにより、アンカーボルトの定着を確保できる知見を得て本発明を完成した。
【００１５】
すなわち、本発明は、建築物の柱をベースプレートを介し基礎コンクリートに固着した露出型柱脚構造において、基礎柱形部に仮想的に圧縮束が形成される柱脚構造であって、下記の（１．１）式を満足させ、アンカーボルトの下端部に固定した定着板が基礎ばり中間部に位置し、定着板の上方に配置された水平鉄筋と、鉛直鉄筋のみの累加強度によって、アンカーボルトを基礎コンクリートに定着させたことを特徴とする。
p Ｍ b ＜ p Ｍ c ・・・（１ . １）ここで、 p Ｍ b ：柱脚に生じる力により接合部に発生するモーメント［＝Ｔ u ・ bj ］（ｋＮ・ｍｍ）
p Ｍ c ：接合部の曲げ耐力［＝Σ v Ｍ＋Σ h Ｍ］（ｋＮ・ｍｍ）
Σ v Ｍ：鉛直鉄筋による耐力［＝Σ r Ｔ u ・ rj ］（ｋＮ・ｍｍ）
Σ h Ｍ：水平鉄筋による耐力［＝Σ aw ・σ w ・Ｌ w+ Ｐ m ・Ｌ m ］（ｋＮ・ｍｍ）
ただし、本式における水平鉄筋は、アンカーボルトの下端部に固定した定着板よりも上方に配置されたものであって、帯筋又は帯筋及び中段筋である。
Ｔ u ：アンカーボルトの引張耐力（ｋＮ）
bj ：引張側アンカーボルトの応力中心距離（ｍｍ）
r Ｔ u ：鉛直鉄筋の引張耐力（ｋＮ）
rj ：引張側鉛直鉄筋の応力中心距離（ｍｍ）
aw ：一組の帯筋の断面積（ｍｍ ² ）
σ w ：帯筋のＦ値（ＪＩＳ規格品は１ . １倍とする）（ｋＮ／ｍｍ ² ）
Ｌ w ：ベースプレート底面から帯筋重心までの距離（ｍｍ）
Ｐ m ：中段筋の耐力（ｋＮ）
Ｌ m ：ベースプレート底面から中段筋までの距離（ｍｍ）
【００１８】
【作用】
建築物の柱をベースプレートを介し基礎コンクリートに固着した露出型柱脚構造において、柱脚部に生じるモーメントと軸力は、ベースプレートとアンカーボルトを介して基礎へ伝達される。このとき基礎柱形部（以下、接合部という）は、ベースプレートから伝達される圧縮力と、アンカーボルトの引張力によるモーメントが発生する。接合部はこのモーメントに対して破壊することなく力を基礎へ伝達しなければならない。
【００１９】
本発明の柱脚構造は、鉛直鉄筋である立上筋などと、水平鉄筋である帯筋及び中段筋など（アンカーボルト下端部に固定した定着板よりも上方に配置された帯筋及び中段筋）の累加強度を基礎柱形部の耐力として評価することにより、アンカーボルトの定着を確保できる。具体的には下記の（１．１）式を満足させる必要がある。
【００２０】
【数３】
pＭb ＜ pＭc ・・・（１.１）
ここで、
pＭb：柱脚に生じる力により接合部に発生するモーメント［＝Ｔu・bj ］（ｋＮ・ｍｍ）
pＭc：接合部の曲げ耐力［＝ΣvＭ＋ΣhＭ］（ｋＮ・ｍｍ）
ΣvＭ：鉛直鉄筋による耐力［＝ΣrＴu・rj］（ｋＮ・ｍｍ）
ΣhＭ：水平鉄筋による耐力［＝Σaw・σw・Ｌw+Ｐm・Ｌm］（ｋＮ・ｍｍ）
ただし、本式における水平鉄筋は、アンカーボルトの下端部に固定した定着板よりも上方に配置されたものであって、帯筋又は帯筋及び中段筋である。
Ｔu：アンカーボルトの引張耐力（ｋＮ）
bj：引張側アンカーボルトの応力中心距離（ｍｍ）
rＴu：鉛直鉄筋の引張耐力（ｋＮ）
rj：引張側鉛直鉄筋の応力中心距離（ｍｍ）
aw：一組の帯筋の断面積（ｍｍ²）
σw：帯筋のＦ値（ＪＩＳ規格品は１.１倍とする）（ｋＮ／ｍｍ²）
Ｌw：ベースプレート底面から帯筋重心までの距離（ｍｍ）
Ｐm：中段筋の耐力（ｋＮ）
Ｌm：ベースプレート底面から中段筋までの距離（ｍｍ）
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例である柱脚構造を示す。図１において、上が概略平面断面図であり、下が概略側面断面図である。一辺が２０ｃｍの角形鋼管からなる鉄骨柱８をベースプレート９の上面に溶接した後、ベースプレート９を基礎コンクリート１中から露出した４本のアンカーボルト２の上端ねじ部にナット１０により固定した。アンカーボルト２の下端部に鋼板製などの定着板３をナット１１により固定した。ベースプレート９の底面と基礎コンクリート１との間にはモルタル１２を設けた。アンカーボルト２は、表面をアンボンド処理し、５０Ｎ／ｍｍ^２程度の初期張力を導入した。
【００２２】
アンカーボルト２の周囲には立上筋７を合計８本配筋した。８本の立上筋７は、図１に示すように各辺に３本配置されるように均等間隔に配筋した。また、立上筋７を取り巻くように帯筋１４を均等間隔に設けた。
【００２３】
このように構成した柱脚構造において、鉛直鉄筋である立上筋と、アンカーボルト下端部に固定した定着板よりも上方に配置された水平鉄筋である帯筋及び中段筋の累加強度によって、アンカーボルトの定着を確保できるかについて検討した。
【００２４】
本発明は、圧縮束が形成されない柱脚構造では成り立たない。従って、ここでの応力状態はベースプレート９から基礎コンクリート１へ圧縮力が生じている範囲とする。すなわち、図１の概略平面断面図に示す右側の２本の各アンカーボルト２には引張力が生じていない状態である。
【００２５】
まず、柱脚に生じる力により接合部に発生するモーメントpＭbを求める。アンカーボルトとして、Ｍ２４（Ｆ値が４９０Ｎ／ｍｍ²）のものを用いた。図１の概略平面断面図に示す左側の２本のアンカーボルト２に全引張力が生じた場合、アンカーボルトの引張耐力Ｔuは４４３.３ｋＮであり、引張側アンカーボルトの応力中心距離bjは３７３ｍｍである。接合部に発生するモーメントpＭbはＴu・bjで表わされ、１６５.４ｋN・ｍとなる。本発明ではこのpＭbに対して、接合部の曲げ耐力pＭcが大きくなるようにしなければならない。
【００２６】
接合部の曲げ耐力pＭcは、鉛直鉄筋による耐力ΣvＭと水平鉄筋による耐力ΣhＭの総和で評価する。そこで、まず鉛直鉄筋の耐力ΣvＭを求める。ΣvＭは、ΣrＴu・rjで表わされる。本検討では鉛直鉄筋として立上筋７が対象となる。立上筋として、Ｄ１６、材質ＳＤ２９５のものを用いた。つまり、立上筋１本当りの引張耐力rＴuは６４.４ｋＮである。引張側立上筋の応力中心距離rjは、図１に示すように引張側立上筋の位置によって、rj１（４３９.５ｍｍ）と、rj２（１８７.５ｍｍ）に分けられる。そこで、鉛直鉄筋の耐力ΣvＭは、３・rＴu・rj１＋２・rＴu・rj２で表わされ、１０９.１ｋN・ｍとなる。
【００２７】
次に水平鉄筋の耐力ΣhＭを求める。ΣhＭは、ａｗ・σｗ・Ｌｗ＋Ｐm・Ｌmで表わされる。本検討では水平鉄筋として中段筋は用いていないので、帯筋１４のみが対象となる。帯筋として、Ｄ１３、材質ＳＤ２９５を用い、帯筋の間隔は１００ｍｍとした。ここでは、一組の帯筋の断面積ａｗ＝２５３．４ｍｍ²、ベースプレート底面から定着板までの間に配置された帯筋は５本であるのでΣａｗ＝１２６７ｍｍ²、帯筋のＦ値σw＝２９５Ｎ／ｍｍ²×１.１、ベースプレート底面から水平鉄筋重心までの距離Ｌｗ＝２７５ｍｍとした。なお、中段筋は用いていないので、Ｐm・Ｌm＝０となる。従って、水平鉄筋の耐力ΣhＭは、１１３.１ｋＮ・ｍとなる。
【００２８】
よって、接合部の曲げ耐力pＭcは、ΣvＭ＋ΣhＭであるから、１０９.１＋１１３.１＝２２２.２ｋN・ｍとなる。
【００２９】
以上より、接合部に発生するモーメントpＭb＝１６５.４ｋN・ｍに比べ、接合部の曲げ耐力pＭc＝２２２.２ｋN・ｍの方が大きく、前記（１.１）式を満足する。すなわち、立上筋はアンカーボルトの周囲の各辺に３本配置（立上筋の合計本数は８本）させるだけで、アンカーボルトの定着が十分に確保できることになる。
【００３０】
また、本発明の柱脚構造の設計法により設計した試験体を用いて、アンカーボルトの定着性評価のための実大実験を行った結果、少ない立上筋の本数でアンカーボルトの定着が十分に確保できることを確認できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の露出型柱脚構造においては、アンカーボルト定着のために中段筋の本数が増えて配筋が煩雑となることを避けることができ、基礎コンクリートのボリュームが小さくても、少ない本数の立上筋でアンカーボルトの定着を確保できる。また、建物の意匠性が良くなる、施工が簡便になる、コンクリートのボリューム及び鉄筋量が少なくなりコスト低減が可能となる、柱脚の設計が簡便になる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である柱脚構造を示す図である。
【図２】露出型柱脚の柱脚部に曲げモーメントが作用した図である。
【図３】基礎コンクリートに埋め込まれた定着板付のアンカーボルトに引張力が作用した図である。
【図４】立上筋を配筋した露出型柱脚構造の概略断面図である。
【符号の説明】
１ 基礎コンクリート、 ２ アンカーボルト、 ３ 定着板、 ４ コーン状破壊面、
５ 柱脚部、 ６ 基礎柱形部、 ７ 立上筋、 ８ 鉄骨柱、
９ ベースプレート、 １０ ナット、 １１ ナット、 １２ モルタル、
１４ 帯筋、 １５ 基礎はり、
Ｔ 引張力、 Ｍ 曲げモーメント、 Ｓ 圧縮力、 Ｒ 圧縮反力、
Ｄ 圧縮束

Claims (1)

1. 建築物の柱をベースプレートを介し基礎コンクリートに固着した露出型柱脚構造において、基礎柱形部に仮想的に圧縮束が形成される柱脚構造であって、下記の（１．１）式を満足させ、アンカーボルトの下端部に固定した定着板が基礎ばり中間部に位置し、定着板の上方に配置された水平鉄筋と、鉛直鉄筋のみの累加強度によって、アンカーボルトを基礎コンクリートに定着させたことを特徴とする露出型柱脚構造。
   p Ｍ b ＜ p Ｍ c ・・・（１ . １）ここで、 p Ｍ b ：柱脚に生じる力により接合部に発生するモーメント［＝Ｔ u ・ bj ］（ｋＮ・ｍｍ）
   p Ｍ c ：接合部の曲げ耐力［＝Σ v Ｍ＋Σ h Ｍ］（ｋＮ・ｍｍ）
   Σ v Ｍ：鉛直鉄筋による耐力［＝Σ r Ｔ u ・ rj ］（ｋＮ・ｍｍ）
   Σ h Ｍ：水平鉄筋による耐力［＝Σ aw ・σ w ・Ｌ w+ Ｐ m ・Ｌ m ］（ｋＮ・ｍｍ）
   ただし、本式における水平鉄筋は、アンカーボルトの下端部に固定した定着板よりも上方に配置されたものであって、帯筋又は帯筋及び中段筋である。
   Ｔ u ：アンカーボルトの引張耐力（ｋＮ）
   bj ：引張側アンカーボルトの応力中心距離（ｍｍ）
   r Ｔ u ：鉛直鉄筋の引張耐力（ｋＮ）
   rj ：引張側鉛直鉄筋の応力中心距離（ｍｍ）
   aw ：一組の帯筋の断面積（ｍｍ ² ）
   σ w ：帯筋のＦ値（ＪＩＳ規格品は１ . １倍とする）（ｋＮ／ｍｍ ² ）
   Ｌ w ：ベースプレート底面から帯筋重心までの距離（ｍｍ）
   Ｐ m ：中段筋の耐力（ｋＮ）
   Ｌ m ：ベースプレート底面から中段筋までの距離（ｍｍ）

Images