JP7384649B2 - 露出型柱脚基礎構造 - Google Patents

Description

本発明は、露出型柱脚基礎構造に関する。

鉄骨造の柱脚の基礎構造としては、コンクリート基礎に埋設されるアンカーボルトにより固定されるベースプレートが外部に露出している、露出型柱脚基礎構造や、ベースプレートが根巻きコンクリート基礎内に埋設されている、根巻き柱脚基礎構造、コンクリート基礎内にベースプレートが埋設されている埋め込み柱脚基礎構造などがある。その中で、露出型柱脚基礎構造は、一般に半固定柱脚として設計され、設計の際にピン柱脚から固定柱脚まで剛性を変動させることができ、他の柱脚基礎構造に比べて施工が容易であるといった利点を有している。

露出型柱脚基礎構造では、鉄骨柱が固定されているベースプレートからコンクリート基礎に対して、柱脚に作用するせん断力（ベースプレートとコンクリート基礎の界面に作用するせん断力）を伝達する必要がある。従来の設計においては、ベースプレートの裏面の摩擦力による伝達手段、ベースプレートからコンクリート基礎内に埋設されるアンカーボルトによる伝達手段、さらには、ベースプレートの下面に設けられているシアキーによる伝達手段により、上記するせん断力の伝達が図られている。

これらの伝達手段のうち、摩擦力による伝達手段に関しては、鉄骨柱の圧縮軸力が必要になり、従って、柱に引張軸力が作用した際に十分な摩擦力による伝達手段を期待することはできない。また、アンカーボルトによる伝達手段に関しては、アンカーボルトのせん断耐力とコンクリート基礎のへりあきのせん断耐力の双方が重要となるが、例えば小規模でコンパクトなコンクリート基礎の場合、十分なへりあき寸法が確保し難く、従ってこの伝達手段による効果を期待し難い。

ところで、ベースプレートとコンクリート基礎の間には、施工誤差を吸収するためのグラウト層が一般に形成されている。通常の設計においては、滑らかな材料表面を有するベースプレートの下面が滑り面となるが、グラウト層にひび割れが生じた場合には、シアキーによる十分なずれ止め効果を期待できなくなる。

ここで、鉄筋量を増やすことなく、コーン破壊耐力を確保することのできる露出型柱脚構造が提案されている。具体的には、ベースプレート、アンカーボルト、定着部、下部鉄筋等を有し、柱が上面に固定されているベースプレートの四隅近傍にある貫通孔に挿通されたアンカーボルトがナットを介して固定され、アンカーボルトの下端近傍に定着部が設けられている。そして、定着部の下部に、鉛直方向に延びる下部鉄筋が固定されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１０４９４５号公報

特許文献１に記載の柱脚構造によれば、アンカーボルトの下端近傍に設けられている定着部の下部に、鉛直方向に延びる下部鉄筋が固定されていることにより、鉄筋量を増やすことなく、コーン破壊耐力を確保することができる。しかしながら、上記するように、例えば十分なへりあき寸法が確保し難いコンパクトなコンクリート基礎において、柱脚に作用するせん断力をコンクリート基礎に円滑に伝達できるか否かは不明である。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、柱脚に作用するせん断力をコンクリート基礎に円滑に伝達することのできる、露出型柱脚基礎構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による露出型柱脚基礎構造の一態様は、
コンクリート基礎の上にグラウト層があり、該グラウト層の上にベースプレートがあり、該ベースプレートの上面に鉄骨柱が固定されており、該ベースプレートに固定されているアンカーボルトが該コンクリート基礎に埋設されている、露出型柱脚基礎構造であって、
前記ベースプレートの下面に、無端状のシアキー、もしくは、無端状の途中に一以上の隙間を備えるシアキーが固定されており、
前記コンクリート基礎にシア金物が埋設され、該シア金物の一部が該コンクリート基礎の上方に突出し、平面視において前記シアキーの内側に配設されており、
前記シア金物と前記シアキーが鉛直方向においてラップしていることを特徴とする。

本態様によれば、ベースプレートの下面に固定されているシアキーと、コンクリート基礎から上方に突出してシアキーの内側に配設されているシア金物が鉛直方向にラップしていることにより、鉄骨柱の柱脚に作用するせん断力を、ベースプレートからシアキーを介し、シアキーからシア金物を介してコンクリート基礎に円滑に伝達することができる。すなわち、アンカーボルトに引張軸力が作用して十分な摩擦力が期待できない場合であったり、あるいは、アンカーボルトに十分なせん断耐力を期待できるのに必要なへりあき寸法が確保し難いコンパクトなコンクリート基礎であっても、シアキーからシア金物を介してコンクリート基礎にせん断力を伝達する伝達ルートが確保されていることから、円滑なせん断力の伝達が可能になる。尚、コンパクトなコンクリート基礎とは、例えば、平面寸法が４００ｍｍ×４００ｍｍ程度のコンクリート基礎が一例として挙げられる。

ここで、シアキーは、無端状、もしくは、無端状の途中に一以上の隙間を備える形状を有している。無端状には、矩形枠状、矩形以外の多角形枠状、円環状などが含まれる。例えば矩形枠状のシアキーの内部にコンクリート基礎から上方に突出するシア金物が配設され、シアキーとシア金物が鉛直方向にラップしていることにより、いずれの方向からのせん断力もシア金物に確実に伝達することができ、シア金物を介してコンクリート基礎にせん断力を伝達することができる。平面視矩形のシアキーは、例えば角鋼管により形成でき、あるいは、二つの溝形鋼の当接する端部同士を溶接したり、四枚の平鋼の当接する端部同士を溶接することにより形成できる。

また、シアキーが完全な無端状でなく、無端状の途中に一以上の隙間を備える形状を有している場合であっても、いずれの方向からのせん断力もシア金物に確実に伝達できる効果が奏されることに変わりはない。例えば、四つの山形鋼を、隣接する山形鋼の間に隙間を有する態様で平面視略矩形に配設することにより、あるいは、二つの溝形鋼を、それらの間に隙間を有する態様で平面視矩形に配設することにより、この形態のシアキーが形成される。尚、山形鋼や溝形鋼の代わりに、二枚もしくは三枚の平鋼を溶接にて接合したものを適用してもよい。

また、シア金物とシアキーが鉛直方向においてラップしている構成に関し、ラップ長は、せん断力が十分に伝達できる長さに設定されるのがよく、例えば、５ｍｍ～２０ｍｍ程度に設定できる。また、このラップ長は、グラウト層の施工誤差によっても変化し得る。

また、本発明による露出型柱脚基礎構造の他の態様において、前記シア金物は、
前記シア金物は、
中央プレートと、
前記中央プレートの上下の広幅面に固定されている筒部材と、
前記中央プレートと下方の前記筒部材が前記コンクリート基礎に埋設されており、
上方の前記筒部材と前記シアキーが鉛直方向にラップしていることを特徴とする。

本態様によれば、シア金物が中央プレートを有することにより、この中央プレートにてシア金物をコンクリート基礎内に配設してコンクリート基礎用のフレッシュコンクリートを打設した際に、フレッシュコンクリート内にシア金物が沈み込んでいくことを防止できる。また、中央プレートの上下にそれぞれ筒部材が固定されていて、上方の筒部材がシアキーと鉛直方向にラップしていることにより、柱脚に作用するせん断力をシアキーから上方の筒部材に伝達することができる。さらに、下方の筒部材がコンクリート基礎内に埋設されることにより、シア金物に作用するせん断力を下方の筒部材を介してコンクリート基礎に伝達することができる。

ここで、上方及び下方の筒部材は、平面視矩形や矩形以外の多角形の角筒状、円筒状の筒部材であり、シアキーと同様に角鋼管や円管、複数の溝形鋼や山形鋼、複数の平鋼により形成できる。

また、本発明による露出型柱脚基礎構造の他の態様において、前記シア金物は、さらにボルトを有し、前記中央プレートのうち、前記筒部材の内部に開設されている第一ボルト孔に該ボルトが螺合されて、該中央プレートの上下に突出しており、
前記ベースプレートに第二ボルト孔が開設されており、
前記ボルトの頭部が前記第二ボルト孔に螺合し、該ボルトに螺合している第一ナットが前記ベースプレートを下方から支持していることを特徴とする。

本態様によれば、ベースプレートに螺合して上方に突出するボルトの頭部がベースプレートの有する第二ボルト孔に螺合することにより、コンクリート基礎から所定の高さレベルにベースプレートを設置することができる。この際、ボルトに螺合している第一ナットがベースプレートを下方から支持していることにより、ボルトに対してベースプレートが安定的に支持される。尚、ベースプレートに開設されている第二ボルト孔は、貫通孔であってもよいし、ベースプレートの下面からその厚みの途中位置まで開設されている座ぐり溝であってもよい。また、適用されるボルトは、中央プレートの第一ボルト孔に螺合されるとともに、その頭部がベースプレートの第二ボルト孔に螺合されることから、全螺子ボルトが適用されるのが好ましい。

また、本発明による露出型柱脚基礎構造の他の態様は、前記ボルトにさらに第二ナットが螺合しており、
前記第二ナットが前記中央プレートを下方から支持していることを特徴とする。

本態様によれば、中央プレートに対して例えば上方の突出長が調整されたボルトの位置を、第二ナットにより固定することができる。すなわち、第二ナットにより、中央プレートからのボルトの突出長が保持され、ボルトの頭部に螺合されるベースプレートの高さが固定される。

以上の説明から理解できるように、本発明の露出型柱脚基礎構造によれば、柱脚に作用するせん断力をコンクリート基礎に円滑に伝達することができる。

実施形態に係る露出型柱脚基礎構造の一例の縦断面図である。 露出型柱脚基礎構造を構成するベースプレートとその下面に固定されているシアキーの一例を斜め下方から見た斜視図である。 露出型柱脚基礎構造を構成するシア金物の一例を斜め上方から見た斜視図である。 （ａ）、（ｂ）ともに、シアキーの変形例の平面図である。

以下、実施形態に係る露出型柱脚基礎構造の一例について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

［実施形態に係る露出型柱脚基礎構造］
図１乃至図３を参照して、実施形態に係る露出型柱脚基礎構造の一例について説明する。ここで、図１は、実施形態に係る露出型柱脚基礎構造の一例の縦断面図である。また、図２は、露出型柱脚基礎構造を構成するベースプレートとその下面に固定されているシアキーの一例を斜め下方から見た斜視図である。さらに、図３は、露出型柱脚基礎構造を構成するシア金物の一例を斜め上方から見た斜視図である。

露出型柱脚基礎構造８０は、鉄筋コンクリート製のコンクリート基礎１０の上にあるグラウト層２０、グラウト層２０の上にあるベースプレート３０、ベースプレート３０の上面３１に固定されている鉄骨柱４０、及びベースプレート３０に固定されていてコンクリート基礎１０に埋設されている複数（図示例は四本）のアンカーボルト５０を有する。

鉄骨柱４０は、Ｈ形鋼等の形鋼材により形成されているが、角形鋼管等により形成されてもよい。鉄骨柱４０は、ベースプレート３０の上面３１に溶接により接合されている。

ベースプレート３０の四隅にはアンカーボルト孔３３が開設されており、各アンカーボルト孔３３に例えば全螺子型のアンカーボルト５０が螺合され、アンカーボルト５０の頭部は、座金５１を介してナット５２によって締め付けられることにより、ベースプレート３０に固定される。

図示例のコンクリート基礎１０の立ち上がり部は、その平面視形状が正方形であり、平面寸法は４００ｍｍ×４００ｍｍ程度のコンパクトなコンクリート基礎である。そのため、アンカーボルト５０の芯からコンクリート基礎１０の端面１１までのへりあき寸法ｔ２が、４０ｍｍ乃至７０ｍｍ程度と僅かである。尚、コンクリート基礎の寸法が大きな形態を排除するものではなく、図示例の露出型柱脚基礎構造８０は大型のコンクリート基礎を有する形態であってもよい。

図１に示すように、鉄骨柱４０の柱脚には、地震時や強風時においてせん断力Ｑが作用する。また、鉄骨柱４０に転倒モーメントＭ（もしくは、曲げモーメントで、図示例は反時計回りの曲げモーメント）が作用することにより、鉄骨柱４０の下端のベースプレート３０に固定されている一方側（図１において右側）のアンカーボルト５０には引張軸力Ｔが作用し、他方側（図１において左側）のアンカーボルト５０には圧縮軸力Ｃが作用する。

既に説明したように、鉄骨柱４０に転倒モーメントＭが作用した際に引張軸力Ｔが作用するアンカーボルト５０近傍においては浮き上がりが発生し、このような浮き上がり領域においては、ベースプレート３０の裏面の摩擦力により、鉄骨柱４０の柱脚に作用するせん断力Ｑをコンクリート基礎１０に伝達することは期待できない。また、アンカーボルト５０により、せん断力Ｑをコンクリート基礎１０に伝達することに関しては、アンカーボルト５０のせん断耐力とコンクリート基礎１０のへりあきのせん断耐力の双方が重要となるが、図示例のように小規模でコンパクトなコンクリート基礎１０の場合に、へりあき寸法ｔ２が僅かであることから、これらのせん断耐力により伝達することも期待し難い。

そこで、露出型柱脚基礎構造８０においては、ベースプレート３０の下面３２に、無端状のシアキー６０が固定され、コンクリート基礎１０にシア金物７０が埋設されてその一部がコンクリート基礎１０の上方に突出し、平面視において無端状のシアキー６０の内側にシア金物７０が配設される構成とした上で、シア金物７０とシアキー６０を鉛直方向においてラップ長ｔ１にてラップさせる構成を適用している。

ここで、ラップ長ｔ１は、シアキー６０からシア金物７０に対してせん断力Ｑを十分に伝達できる長さに設定されるのがよく、例えば５ｍｍ～２０ｍｍ程度に設定できる。尚、このラップ長ｔ１は、グラウト層２０の施工誤差によっても変化し得る。

図２において明りょうに示すように、シアキー６０は、四枚の鋼板を矩形枠状（図示例は正方形）に溶接にて接合することにより、もしくは、角鋼管を適用することにより、製作できる。シアキー６０は、ベースプレート３０の下面３２に対して溶接により接合されている。尚、ベースプレート３０の中央もしくは中央近傍には、第二ボルト孔３４が開設されており、この第二ボルト孔３４の周囲にシアキー６０が配設されている。また、シアキー６０の外側に四本のアンカーボルト５０が配設されている。

一方、図３において明りょうに示すように、シア金物７０は、鋼製の中央プレート７１と、中央プレート７１の上下の広幅面に固定されている筒部材７２，７３と、中央プレート７１のうち、筒部材７２，７３の内部に開設されている第一ボルト孔７１ａに螺合されて、中央プレート７１の上下に突出しているボルト７４とを有する。筒部材７２，７３も、四枚の鋼板を矩形枠状（図示例は正方形）に溶接にて接合することにより、もしくは、角鋼管を適用することにより、製作できる。

そして、ボルト７４には第二ナット７６が螺合しており、第二ナット７６が中央プレート７１を下方から支持している。また、ボルト７４の上方には第一ナット７５が螺合している。

図１に示すように、コンクリート基礎１０には、シア金物７０のうち、中央プレート７１と、下方の筒部材７３と、ボルト７４の一部が埋設されている。

中央プレート７１からのボルト７４の突出長を調整した後、第二ナット７６を回して中央プレート７１の下面に当接させることにより、中央プレート７１に対してボルト７４が固定され、中央プレート７１からのボルト７４の上方への突出長と下方への突出長が規定される。この上方への突出長はベースプレート３０の高さレベルの調整に繋がり、下方への突出長はシア金物７０のコンクリート基礎１０への固定度に影響する。

また、ボルト７４の頭部がベースプレート３０の有する第二ボルト孔３４に螺合されており、ベースプレート３０に対するボルト７４の埋設長を調整しながら螺合することにより、シア金物７０を介してコンクリート基礎１０から所定の高さレベルにベースプレート３０を設置することができる。さらに、ボルト７４に螺合している第一ナット７５が、ベースプレート３０を下方から支持しており、このことにより、ボルト７４に対してベースプレート３０を安定的に支持することができる。

シア金物７０が中央プレート７１を有することにより、この中央プレート７１にてシア金物７０をコンクリート基礎１０に配設してコンクリート基礎１０用のフレッシュコンクリートを打設した際に、フレッシュコンクリート内にシア金物７０が沈み込んでいくことを防止できる。

また、中央プレート７１の上下にそれぞれ筒部材７２，７３が固定されていて、下方の筒部材７３がコンクリート基礎１０内に埋設されることにより、鉄骨柱４０の柱脚に作用するせん断力Ｑを、シアキー６０を介し、シア金物７０を介してコンクリート基礎１０に伝達することができる。

具体的には、上方の筒部材７２がシアキー６０と鉛直方向にラップしていることにより、鉄骨柱４０の柱脚に作用するせん断力Ｑが、図１に示すように、シアキー６０から上方の筒部材７２へＸ１方向に伝達される。上記するように、このせん断力伝達性の観点からラップ長ｔ１が設定される。尚、筒部材７２とシアキー６０がラップしていることにより、筒部材７２の側面のうち、このラップしている領域における支圧強度を期待することもできる。

次に、筒部材７２へ伝達されたせん断力Ｑは、中央プレート７１を介し、下方の筒部材７３を介してコンクリート基礎１０へＸ２方向に伝達される。従って、下方の筒部材７３の高さ（コンクリート基礎１０への埋設高さ）も、せん断力伝達性の観点から設定される。

例えば、コンクリート基礎１０の平面寸法が上記するように４００ｍｍ×４００ｍｍ程度のコンパクトな形態においては、厚みが３６ｍｍ、平面寸法が３００ｍｍ×３００ｍｍ程度のベースプレート３０が適用できる。

この形態において、ベースプレート３０の下面３２に固定されるシアキー６０は、厚みが９ｍｍ程度、高さが２５ｍｍで、平面寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度に設定できる。矩形枠状のシアキー６０は、例えば四枚の鋼板（ＳＳ４００等）を溶接にて接合することにより製作できる。

さらに、この形態において、シア金物７０は、厚みが３．２ｍｍ程度、平面寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍ程度の中央プレート７１と、厚みが３．２ｍｍ程度、高さが２５ｍｍ程度の高さで、平面寸法が８０ｍｍ×８０ｍｍ程度の上下の筒部材７２，７３と、Ｍ２０で長さ１００ｍｍ程度のボルト７４により製作することができる。筒部材７２，７３も、例えば四枚の鋼板（ＳＳ４００等）を溶接にて接合することにより製作できる。

また、図４（ａ）、及び図４（ｂ）はともに、シアキーの変形例の平面図である。図４（ａ）に示すシアキー６０Ａは、無端状（図示例は正方形）の途中に一以上（図示例は四つ）の隙間Ｇを備える形状を有している。正方形の各隅角に四つの山形鋼６１が配設され、隣接する山形鋼６１の間に隙間Ｇを有する態様で、ベースプレート３０の下面３２に各山形鋼６１が溶接により接合されている。尚、山形鋼の代わりに、二枚の平鋼により図示例のように平面視Ｌ形のピースを製作してもよい。

無端状の途中に一以上の隙間Ｇを備える形態のシアキー６０Ａであっても、いずれの方向から伝達されるせん断力をその内部に配設されるシア金物７０に有効に伝達することができる。

一方、図４（ｂ）に示すシアキー６０Ｂは、平面視環状の鋼管により形成されている。矩形枠状のシアキー６０のみならず、平面視円形（楕円形も含んでよい）のシアキー６０Ｂであっても、いずれの方向から伝達されるせん断力をその内部に配設されるシア金物７０に有効に伝達することができる。

尚、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０：コンクリート基礎
１１：端面
２０：グラウト層
３０：ベースプレート
３１：上面
３２：下面
３３：アンカーボルト孔
３４：第二ボルト孔
４０：鉄骨柱
５０：アンカーボルト
５１：座金
５２：ナット
６０，６０Ａ，６０Ｂ：シアキー
６１：山形鋼
７０：シア金物
７１：中央プレート
７１ａ：第一ボルト孔
７２：上方の筒部材
７３：下方の筒部材
７４：ボルト
７５：第一ナット
７６：第二ナット
８０：露出型柱脚基礎構造

Claims (4)

1. コンクリート基礎の上にグラウト層があり、該グラウト層の上にベースプレートがあり、該ベースプレートの上面に鉄骨柱が固定されており、該ベースプレートに固定されているアンカーボルトが該コンクリート基礎に埋設されている、露出型柱脚基礎構造であって、
   前記ベースプレートの下面に、無端状のシアキー、もしくは、無端状の途中に一以上の隙間を備えるシアキーが固定されており、
   前記コンクリート基礎にシア金物が埋設され、該シア金物の一部が該コンクリート基礎の上方に突出し、平面視において前記シアキーの内側に配設されており、
   前記シア金物と前記シアキーが鉛直方向においてラップしていることを特徴とする、露出型柱脚基礎構造。
2. 前記シア金物は、
   中央プレートと、
   前記中央プレートの上下の広幅面に固定されている筒部材と、
   前記中央プレートと下方の前記筒部材が前記コンクリート基礎に埋設されており、
   上方の前記筒部材と前記シアキーが鉛直方向にラップしていることを特徴とする、請求項１に記載の露出型柱脚基礎構造。
3. 前記シア金物は、さらにボルトを有し、前記中央プレートのうち、前記筒部材の内部に開設されている第一ボルト孔に該ボルトが螺合されて、該中央プレートの上下に突出しており、
   前記ベースプレートに第二ボルト孔が開設されており、
   前記ボルトの頭部が前記第二ボルト孔に螺合し、該ボルトに螺合している第一ナットが前記ベースプレートを下方から支持していることを特徴とする、請求項２に記載の露出型柱脚基礎構造。
4. 前記ボルトにさらに第二ナットが螺合しており、
   前記第二ナットが前記中央プレートを下方から支持していることを特徴とする、請求項３に記載の露出型柱脚基礎構造。

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