JP5841889B2 - 柱脚用ピン構造 - Google Patents

Description

本発明は建物の構造に関連し、特に鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ造）の柱の柱脚を基礎に対してピン接合するための柱脚用ピン構造に関する。

建物の耐震性能を向上させる構造システムとして、特許文献１に示されるように１階の柱の柱脚を基礎に対してピン接合として建物全体で効率良くエネルギーを吸収するという制振構造（いわば全体崩壊形構造システム）が提案されている。

このような構造システムでは、柱脚を基礎に対して確実にピン接合することが前提であり、そのために重要なピン構造の具体的な構成としては、たとえば特許文献２〜４において提案されているものが適用可能であると考えられる。

特許第４１２４７７７号公報 特開平１０−２８０５３２号公報 特開２０００−８６４６号公報 特開２００１−１１５４６４号公報

しかし、この種のピン構造に求められる性能としては、柱脚の良好な回転性能を確保しながらせん断力の伝達性能を十分に確保する必要があることから、現時点ではそのための有効適切なピン構造は確立していない。

特に、小規模な低層の建物の場合はともかくとしても、中層以上の規模の建物を対象として上記のような特殊な構造システムを適用することを検討した場合には、柱脚をピン接合とすべき柱が大断面の鉄骨鉄筋コンクリート造の柱（すなわちＳＲＣ柱）とされる場合もあるので、そのような柱の回転性能とせん断力伝達性能（中層以上の建物では2000kN以上のせん断力伝達性能が必要とされる）を両立させることは必ずしも容易ではない。

したがってそのような場合には、柱脚をピン接合とするための特殊な接合金物や複雑な接合治具を用いたり、あるいは柱脚部にオイルダンパーを設置する等の必要も生じるが、そのようなことでは柱脚部の構造が徒に複雑化してしまうし、施工性やコストの面においても好ましくなく、現実的ではない。

上記事情に鑑み、本発明は特に鉄骨鉄筋コンクリート造の柱を対象としてその柱脚を基礎に対して合理的にピン接合することが可能であり、しかも単純な構造であって容易にかつ安価に施工することも可能な有効適切な柱脚用ピン構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、芯鉄骨の周囲に鉄筋コンクリートからなる被覆コンクリートを一体に形成してなる鉄骨鉄筋コンクリート造の柱を対象として、該柱の柱脚を基礎に対してピン接合するための柱脚用ピン構造であって、前記柱における前記芯鉄骨の下端部を前記基礎に対して埋め込んで定着するとともに、前記柱における前記被覆コンクリートの下端面を前記基礎に対して絶縁し、前記被覆コンクリートの下端面を、前記芯鉄骨の周囲において前記基礎に当接して前記柱と前記基礎との間で軸力を伝達可能かつ前記基礎に対する前記被覆コンクリートの鉛直面内における相対回転の支点となる平坦かつ水平な支圧面と、該支圧面に連続して形成されて前記基礎との間にクリアランスを確保するとともに該クリアランスが前記支圧面から前記被覆コンクリートの外周側に向かって漸次拡大するような傾斜面とにより形成してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の柱脚用ピン構造であって、前記被覆コンクリートの下端面および該下端面に対向する前記基礎の上面を、それぞれ鋼板からなる補強プレートにより被覆してなることを特徴とする。

本発明の柱脚用ピン構造では、ＳＲＣ造の柱における芯鉄骨の下端部を基礎に対して埋め込んで定着することにより、基本的にはその埋め込み定着部において柱と基礎との間で軸力とせん断力が伝達される。また、芯鉄骨の周囲に一体に形成されている被覆コンクリートの下端面を基礎に対して構造的に絶縁したうえで、下端面のうちの芯鉄骨の周囲の領域を基礎に当接する支圧面として形成することにより、その支圧面を介して柱と基礎との間で軸力が伝達されるとともにその支圧面が基礎に対する柱の相対回転の際の支点となる。さらに、支圧面の周囲には基礎との間にクリアランスを確保する傾斜面を形成することにより、基礎に対する柱の相対回転が拘束されることなく許容される。
したがって本発明の柱脚用ピン構造によれば、柱の回転性能とせん断力伝達性能を両立させることが可能であって理想的な柱脚用ピン構造を合理的に実現できる。しかも、本発明によれば、特殊な接合金物や複雑な接合治具の類を必要としないし、その施工に際して面倒な手間や格別の精度が要求されることもないのでさしたるコストアップを必要とせず、容易にかつ効率的に施工可能である。

また、被覆コンクリートの下端面およびそれに対向する基礎の上面をそれぞれ鋼板からなる補強プレートにより被覆しておくことにより、被覆コンクリートの下端面および基礎の上面が補強プレートにより保護されてそれらの損傷を確実に防止できるとともに、支圧面の位置では双方の補強プレートどうしが面接触状態で当接することにより、そこでは軸力が確実に伝達されかつ相対回転の際の明確な支点となる。

本発明の実施形態である柱脚用ピン構造を示す図であって、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は平断面図である。 同、柱脚部における応力伝達機構を示すもので、（ａ）は軸力についての応力伝達機構を示す図、（ｂ）はせん断力についての応力伝達機構を示す図、（ｃ）は曲げモーメントについての応力伝達機構を示す図である。

図１（ａ）,（ｂ）,（ｃ）に本発明の実施形態である柱脚用ピン構造を示す。
本実施形態の柱脚用ピン構造は、芯鉄骨２の周囲に鉄筋コンクリートからなる被覆コンクリート３（鉄筋の図示は省略している）を一体に形成してなる鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ造）の柱１を対象として、その柱１の柱脚を鉄筋コンクリート造（ＲＣ造）の基礎４に対してピン接合するための構造である。
なお、本実施形態における柱１は、図１（ｃ）に示すようにその断面形状が厚さ寸法に比べて幅寸法が数倍程度大きくされた壁柱の形態とされている。壁柱としての柱１の形状・寸法は任意であるが、本実施形態では柱１全体の断面形状をたとえば幅2500mm×厚さ550mm程度と想定しており、その柱１における芯鉄骨２はH−400mm×400mm程度のものとして柱１全体の幅方向中心位置に設置している。

本実施形態の柱脚用ピン構造は、上記の柱１の柱脚を基礎４に対して軸力を伝達可能に接合することはもとより、水平せん断力も確実に伝達可能としたうえで、柱脚を支点とする鉛直面内における回転（基礎４に対する相対回転）を許容する状態で接合することにより、基礎４に対する柱脚の接合形式を構造的には実質的に曲げ力を伝達しないピン接合としたものである。

具体的には、本実施形態では、基本的には図１（ａ）,（ｂ）に示すように通常の埋め込み柱脚と同様に、柱１における芯鉄骨２の下端部を基礎４に対して埋め込んで定着することにより、それら芯鉄骨２の下端部と基礎４との間で軸力およびせん断力を直接的に伝達可能に接合する。
すなわち、芯鉄骨２の下端部を所定寸法Ｌだけ基礎４中に埋設して定着した状態で基礎４を形成することにより、芯鉄骨２の下端部を基礎４に対して軸力およびせん断力を伝達可能な状態で構造的に接合する。
なお、芯鉄骨２の下端には通常のようにベースプレート２ａを設けておくと良い。
また、図示例のように芯鉄骨２がＨ形鋼の場合において設計外力が大きい場合などにおいては、必要に応じて（ｃ）に示すように芯鉄骨２の下端部の所定高さの位置まで補剛プレート２ｂをフランジ間に溶接して、そこでは実質的にボックス状の断面とすることにより、芯鉄骨２の下端部における剛性および耐力を増強するようにしても良い。
また、通常は図示例のように複数の芯鉄骨２どうしを基礎４の上部において継手２ｃを介して接合すると良い。

一方、柱１における被覆コンクリート３は、基礎４の上部において芯鉄骨２に対して一体に形成されているが、その被覆コンクリート３の下端部は基礎４に対して接合されることなく構造的に絶縁された状態で形成されている。
但し、図１（ａ）に示すように、被覆コンクリート３の下部の形状は正面視において下に凸の形状をなすものとされていて、この被覆コンクリート３の下端面は単なる平坦面ではなく、その中央部において芯鉄骨２の両側の位置に形成された平坦かつ水平な支圧面３ａと、支圧面３ａから両側に向かって漸次上方に傾斜する傾斜面３ｂとにより形成されている。
そして、被覆コンクリートの下端面の全体（支圧面３ａおよび傾斜面３ｂの全体）は鋼板からなる補強プレート５により被覆されているとともに、それに対向している基礎４の上面も同様に鋼板からなる補強プレート５により被覆されている。

被覆コンクリート３の下端面の中央部に形成されている支圧面３ａは、補強プレート５を介して基礎４の上面に対して面接触することにより、被覆コンクリート３（すなわち柱１）と基礎４との間で軸力を伝達し、かつ被覆コンクリート３が基礎４に対して鉛直面内において相対回転を生じる際の支点として機能するものである。
一方、上記の支圧面３ａの両側に連続して形成されている傾斜面３ｂは、通常時においては基礎４に対して当接することなく基礎４上に浮いた状態とされているので、直接的には応力伝達に寄与するものではない。しかし、そのような傾斜面３ｂが形成されていることから、被覆コンクリート３の下端面と基礎４上面との間には自ずとクリアランス６が確保され、かつそのクリアランス６は支圧面３ａの位置から被覆コンクリート３の外周側に向かって漸次拡大されている。そのため、被覆コンクリート３が基礎４に対して鉛直面内において相対回転する状況（壁柱としての柱１がその面内において回転する状況）では、上記のクリアランス６の範囲内でそのような相対回転が拘束されることなく支障なく許容されるようになっている。

なお、具体的な設計においては、芯鉄骨２の断面寸法と、芯鉄骨２の基礎４への埋め込み定着長さ（図１（ａ）におけるＬ寸法）と、被覆コンクリート３の下端面に形成した支圧面３ａと基礎４との接触長さ（同、ｗ寸法）を適切に調整することにより、接合部の耐力と回転剛性を適切に設計することができる。

また、傾斜面３ｂの形成により基礎４との間に確保するべきクリアランス６の大きさ（同、ｃ寸法）は、被覆コンクリート３に生じることが想定される最大回転角を考慮したうえでその際にも被覆コンクリート３が基礎４に対して衝突してしまうことがないように、水平面に対する傾斜面３ｂの傾斜角度を適切に設定すれば良い。
なお、傾斜面３ｂは緩やかに下に凸に湾曲する湾曲面とすることも考えられる。
また、必要であれば、上記のクリアランス６にたとえば硬質ゴムシート等の弾性材を介装したり充填することにより、被覆コンクリート３の相対回転を拘束しない状態でクリアランス６を塞いでおくことも考えられる。

本実施形態の柱脚用ピン構造における応力伝達機構を図２を参照して詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、柱１の軸力Ｎは芯鉄骨２の下端のベースプレート２ａから基礎４に伝達されるとともに、被覆コンクリート３の下端面中央部の支圧面３ａからも基礎４に対して伝達される。このように芯鉄骨２のみならず被覆コンクリート３からの軸力伝達も確保することにより、芯鉄骨２のベースプレート２ａの下部の基礎コンクリートの圧縮応力を緩和することができる。
図２（ｂ）に示すように、柱１のせん断力Ｑは、芯鉄骨２の下端部の基礎４に対する埋め込み定着部で伝達する。

図２（ｃ）に示すように、柱１に作用する曲げモーメントＭに対しては、芯鉄骨２の埋め込み定着部におけるてこ反力と、被覆コンクリート３の下端面中央部の支圧面３ａで抵抗する。この場合、支圧面３ａでの支圧抵抗はモーメントアームが小さいため接合部の剛性に及ぼす影響は小さく、回転剛性は通常の埋め込み柱脚の半剛接程度である。
また、被覆コンクリート３の下端面に形成した傾斜面３ｂによって基礎４との間にクリアランス６が確保されているので、柱１の回転に伴う鉛直変形はそのクリアランス６の範囲で吸収され、圧縮側の支圧面３ａは基礎４に対して押しつけられ、引張側の支圧面３ａは基礎４から離れる（浮き上がる）。
さらに、被覆コンクリート３の下端面と基礎４上面をいずれも鋼板からなる補強プレート５により被覆して保護しているので、柱１の回転に伴って被覆コンクリート３や基礎４が損傷することを防止することができる。しかも、支圧面３ａにおいては双方の補強プレート５どうしが密着状態で面接触（メタルタッチ）するので、そこでは軸力を常時確実に伝達し得るし、被覆コンクリート３が上記の相対回転を生じる際には支圧面３ａの位置に明確な支点が形成される。

以上のように、本発明の構造によれば、柱１の回転性能とせん断力伝達性能を両立させることが可能であって理想的な柱脚用ピン構造を合理的に実現できるものであり、特に大規模な建物における大断面のＳＲＣ造の柱１であってもその柱脚を基礎４に対して確実にピン接合することが可能となる。
したがって本発明の柱脚用ピン構造は、たとえば特許文献１に示されるように柱脚をピン接合とすることで制振効果を得るというような特殊な構造システムの建物に適用して好適であり有効である。

勿論、本発明においては、上記のようなピン構造を実現するために何ら複雑な機構や特殊な部材を必要とせず、施工性も良好であるので低コストで容易に施工することができるし、柱脚部に要求される所望の軸剛性とせん断力伝達性能と、ピン構造として必要とされる回転剛性をそれぞれ適切にしかも容易に設計することが可能である。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は記実施形態に限定されることなく、細部の具体的な構成や諸元については本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態は壁柱への適用例であるが、本発明はＳＲＣ造の柱であれば壁柱に限らず通常の矩形断面や正方形断面の柱はもとより、円形断面や任意の異形断面の柱に対しても同様に適用可能である。

また、本発明においては、上記実施形態のように、被覆コンクリート３の下端面全体およびそれに対向する基礎４の上面をそれぞれ鋼板からなる補強プレート５により被覆することが好ましいが、被覆コンクリート３の下端面と基礎４上面の双方をそれ自体で十分に高強度かつ平滑に形成し得るような場合には、補強プレート５は必ずしも必要とせず、省略することも可能である。

１ 柱
２ 芯鉄骨
２ａ ベースプレート
２ｂ 補剛プレート
２ｃ 継手
３ 被覆コンクリート
３ａ 支圧面
３ｂ 傾斜面
４ 基礎
５ 補強プレート
６ クリアランス

Claims (2)

1. 芯鉄骨の周囲に鉄筋コンクリートからなる被覆コンクリートを一体に形成してなる鉄骨鉄筋コンクリート造の柱を対象として、該柱の柱脚を基礎に対してピン接合するための柱脚用ピン構造であって、
   前記柱における前記芯鉄骨の下端部を前記基礎に対して埋め込んで定着するとともに、前記柱における前記被覆コンクリートの下端面を前記基礎に対して絶縁し、
   前記被覆コンクリートの下端面を、前記芯鉄骨の周囲において前記基礎に当接して前記柱と前記基礎との間で軸力を伝達可能かつ前記基礎に対する前記被覆コンクリートの鉛直面内における相対回転の支点となる平坦かつ水平な支圧面と、該支圧面に連続して形成されて前記基礎との間にクリアランスを確保するとともに該クリアランスが前記支圧面から前記被覆コンクリートの外周側に向かって漸次拡大するような傾斜面とにより形成してなることを特徴とする柱脚用ピン構造。
2. 請求項１記載の柱脚用ピン構造であって、
   前記被覆コンクリートの下端面および該下端面に対向する前記基礎の上面を、それぞれ鋼板からなる補強プレートにより被覆してなることを特徴とする柱脚用ピン構造。

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