JP4436149B2 - 鉄骨露出型柱脚構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鉄骨露出型柱脚構造に関するものである。

阪神大震災で多くの鋼構造建築物に倒壊、大破といった被害が生じ、そのうち、鉄骨露出型柱脚部における被害によるものもあった。これらの被害には、鉄骨露出型柱脚部のアンカーボルト自体の破断、基礎コンクリートからの抜け出し等のアンカーボルト製品ならびにそれに関連する設計・施工の不良によると思われるものが報告されている。この被害を受けて国土交通省（旧建設省）では、1995年12月に鉄骨造建築物の柱脚の設計に関して告示を出し（非特許文献１を参照）、その詳細な設計法については、日本建築センター刊行の「建築物の構造規定」に記述されている。このような状況を背景として、鉄骨露出型柱脚構造の応力伝達性状況および耐力などに関する基礎的研究が進められてきた。

このような鉄骨露出型柱脚構造において、アンカーボルトは柱脚の塑性変形能力を左右する重要な要因であることから、塑性変形能力を有するＪＩＳ規格の一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００、ＳＳ４９０等が使用されている。さらに、強度の高いＰＣ鋼棒のような高張力鋼を用い、柱脚の耐力を高め、大きな張力を導入して引張接合形式とし固定度を向上させる方法がとられている（非特許文献２を参照）。

そして、アンカーボルトを設置後、アンカーボルト耐力と同性能の柱主筋をアンカーボルトの周囲に配置している。
また、アンカーボルトの下先端部には定着板を設けて抜出しを防止している。さらに、アンカーボルトの下先端部に定着板を設ける場合においては、コーン状破壊を防ぐために定着長さをアンカーボルト直径の２０倍以上としている（非特許文献２を参照）。

そして、アンカーボルトを設置する際は、まず、基礎底（捨て）コンクリート上でアンカーボルト据付用架台の上部テンプレート、下部テンプレートの挿入穴に挿通させて位置決めしたアンカーボルトの下部を下部固定用のナットで下部テンプレートに固定し、アンカーボルトの上部は上部テンプレートに座金とナットで仮固定する。その後、アンカーボルト据付用架台を基礎底（捨て）コンクリートに据付用アンカーボルトで固定している（特許文献１を参照）。

また、ベースプレートにおける挿通孔のクリアランスは性能上の問題から５ｍｍ以下とすることが決められているが、すべてのアンカーボルトにせん断力を均等に負担させるために、アンカーボルトの径に比較して、きわめてゆるみの少ない穴径をもつ座金を用い、これをベースプレートに溶接してベースプレートの移動を阻止している（非特許文献２を参照）。

ベースプレート位置における曲げモーメントと回転角に関するバネ定数（回転剛性）はアンカーボルトの伸び、アンカーボルトねじ部の局部変形、ベースプレートの変形、ベースプレート下面のコンクリートの圧縮変形などに影響され、理論解を得ることが困難である。
ところで、ベースプレートがアンカーボルトの降伏前にアンカーボルトを受ける側で降伏しない場合にはその概略的予測が可能である。この回転剛性を引っ張り側アンカーボルトの伸び変形のみによるものと仮定し、圧縮反力位置および回転中心を柱圧縮側フランジ外縁とすると、バネ定数の理論値を算出することが可能である。実際はねじ部の影響によるヤング率の低下、ベースプレートの曲げ変形、圧縮側コンクリートの変形などがあり、おおむね理論値を１／２倍した値が実験的に導き出され、設計値として使用されている（非特許文献２を参照）。
特開２０００−２７３９５１ 平１２年建築基準法関係告示第１４５６条 鋼管構造設計施工指針同解説、日本建築学会

しかしながら、従来から行われてきた鉄骨露出型柱脚構造においては、一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００、ＳＳ４９０等を使用する場合においては、ねじ加工方法に転造と切削の２種類有り、転造ねじは金属組織の流れが切断されず、特にねじ底部は金属組織の流れが圧縮されているので、ねじ部の強度は軸部とほとんど同じであるが、切削ねじは金属組織の流れが切断されてねじ形状を作るので、ねじ谷は強化されず、ねじ部は軸部より断面積が小さいため強度は弱くねじ部が破断する可能性が有る。したがって、ねじを使用する場合においては、転造ねじを購入する必要が有るが、入手性が悪いという問題点があった。

また、高張力鋼のアンカーボルトを使用する場合においては、塑性変形能力が小さい種類もあるので、一般構造用圧延鋼材から高張力鋼に変更する場合等、再度強度計算をする必要が生じ、手間がかかるという問題点があった。
そして、アンカーボルトと柱主筋とを両方配置する場合においては、配筋工事が必要なために、コストおよび施工の手間がかかるという問題点があった。
アンカーボルトの下先端部に定着板を設ける場合においては、定着板の規格が無く、施工業者によって材質、厚み、大きさに違いが有り信頼性に欠けるという問題点があった。
また、アンカーボルトの長さが長過ぎると柱に引張力が作用してアンカーボルトを引き抜こうとする力が作用した際に、アンカーボルトの伸びが大きくなり締め付ナット部に緩みを生じ、鉄骨柱脚固定度が低くなるという問題点があった。
さらに、アンカーボルトを基礎底（捨て）コンクリートにアンカーボルト据付用架台を立設して固定する場合においては、アンカーボルト据付用架台の製作および設置のために、コストおよび施工の手間がかかるという問題点があった。

そして、ベースプレートにおける挿通孔のクリアランスを５ｍｍ以下とすると、現場での施工が困難であるという問題点があった。また、座金をベースプレートに溶接する場合においては、溶接作業および溶接に伴う付帯作業が発生し、施工の手間がかかるという問題点があった。溶接の熱影響によりベースプレート自体に熱変形ひずみが生じる可能性が有るという問題点があった。
さらには、バネ定数（回転剛性）に理論値の１／２の値を設計値として使用する場合においては、鉄骨柱脚部の強度がオーバースペックになってしまい、非経済的であるという問題点があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、鉄骨露出型柱脚構造において、柱脚の耐震性能を向上させ、かつ施工を簡略化し工期を短縮し、コストを低減する定着構造を提供する。

本発明の鉄骨露出型柱脚構造は、基礎コンクリート内に埋設されその上方が該基礎コンクリートの頂面から突出するアンカーボルトと、該アンカーボルトに挿通されて前記基礎コンクリート上に配置されその上部に建築物の柱が一体化されたベースプレートと、前記ベースプレートを前記基礎コンクリートとの間で締め付け固定するためのナットと、前記基礎コンクリート内において前記アンカーボルトの下端部に固着された定着板とを備え、前記基礎コンクリート上に前記ベースプレートを介して前記建築物の柱を固着する鉄骨露出型柱脚構造であって、前記アンカーボルトとしてねじ節鉄筋が用いられており、前記基礎コンクリート上部において、前記ベースプレートにかかる圧縮応力を前記ねじ節鉄筋に伝えるための圧縮応力耐力用プレートナットが、当該ねじ節鉄筋に螺合して設けられており、前記ねじ節鉄筋が柱主筋の代用とされており、前記基礎コンクリートは、前記圧縮応力耐力用プレートナットの上面レベルまで打設されており、当該基礎コンクリートの天端レベルから前記定着板の下面レベルまでが定着長とされており、前記定着長が前記ねじ節鉄筋の直径の１５倍であり、前記定着板としてつば付定着金物を用い、前記ねじ節鉄筋に該つば付定着金物を螺合してなり、前記ねじ節鉄筋の下端を直接または間接的に基礎底コンクリートに当接してなり、前記ねじ節鉄筋と前記ベースプレートの挿通孔との隙間に無収縮性グラウト材を充填してなることを特徴とする。

本発明によれば、鉄骨露出型柱脚構造において、柱脚の耐震性能を向上させ、かつ施工を簡略化し工期、コストを低減することが可能となる。

本発明において、アンカーボルトとしてねじ節鉄筋を使用することにより、ねじ節鉄筋は従来アンカーボルトとして使用されてきたねじよりも断面積が大きく、かつ、柱主筋に使用される鉄筋と同等以上の耐力を持っているために、柱主筋を兼ねたアンカーボルトとして使用が可能である。

また、ねじ節鉄筋の下端を直接または間接的に基礎底コンクリートに当接して配置することにより、柱主筋の代用となり、従来の柱脚部で行われていた複雑な配筋が無くなり、配筋作業が省力化され、使用する鉄筋量を低減でき、かつ施工時間が短縮でき、コンクリートの充填性が容易になり品質を高くすることが可能となる。

そして、ねじ節鉄筋は容易に入手でき安い単価のため経済的で、他の資材と混在しないので管理が容易であるという利点がある。

さらに、従来使用していたアンカーボルト据付架台のようにしっかりした物は使用せず、簡単なねじ節鉄筋位置決めガイドのみを使用するために、材料代を低減でき、かつ施工時間が短縮できる。

基礎コンクリート上部に、ねじ節鉄筋に螺合するようにつば付定着金物、例えばプレートナット（東京鉄鋼株式会社商品名、(財)日本建築センターの一般評定を取得済み）を設けない場合、ベースプレートにかかる圧縮応力に対する抵抗は、支持体のコンクリートのみで負担することになる。本発明において、基礎コンクリート上部に、ねじ節鉄筋に螺合するようにプレートナットを設けた場合、ベースプレートにかかる圧縮応力はねじ節鉄筋にも伝わる。したがって、支持体のコンクリート及びねじ節鉄筋の断面に圧縮荷重がかかる。よって、基礎コンクリート上部にねじ節鉄筋に螺合するようにプレートナットを設けない場合よりも、ねじ節鉄筋の断面積分だけ圧縮応力に対する抵抗を大きくすることができる。

本発明において、定着板にプレートナットを使用し、定着長さをねじ節鉄筋の直径の１５倍とすることにより、プレートナットは定着板として性能評価を得ているために確実な定着強度が確保でき、定着長さが短くなったことで基礎コンクリートの厚さを薄くすることが可能である。

本発明において、ベースプレートと基礎コンクリートとの間からベースプレートの挿通孔とねじ節鉄筋との間まで無収縮性グラウト材を充填するために、ベースプレートの挿通孔とねじ節鉄筋との間にクリアランスがあっても、ベースプレートにかかるせん断応力を確実にアンカーボルトに伝達することが可能である。

したがって、本発明をすべて実施することにより、バネ定数（回転剛性）算出時に理論値の１／２の値を設計値として使用する理由となっていた、ねじ部の影響によるヤング率の低下、ベースプレートの曲げ変形、圧縮側コンクリートの変形などの影響を軽減させることができるために、前述した仮定のもとに算出したバネ定数の理論値通りの設計が可能となる。
よって、仕様変更および施工方法の見直しが必要となるが、結果的にコストの低減、工期の短縮となり経済的である。

以下に本発明の好ましい実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造の全体側面図である。図１に示す通り、本実施例の固定構造は、基礎コンクリート１内に基礎梁下端筋２、基礎梁上端筋３およびあばら筋４を埋設し、アンカーボルトとしてねじ節鉄筋５を垂直に配置し、このねじ節鉄筋５の上端を柱材６に接続されたベースプレート７の挿通孔８に挿通し、ねじ節鉄筋５の上部にナット９、１０を取付け、この両ナット９、１０を締め付けることで初期張力をねじ節鉄筋５に導入し、これによりベースプレート７を基礎コンクリート１に固定する。ベースプレート７と基礎コンクリート１の間には、無収縮性グラウト材１１が充填されている。

また、ねじ節鉄筋５にプレートナット１２、１３が螺合している。本実施例では、アンカーボルトとして、例えば、材質ＳＤ４９０のねじ節鉄筋５を使用している。アンカーボルトの伸び能力について「２００１年度版建築物の構造関係技術基準解説書」によると、「ねじ部の有効断面積が軸部と同等以上であれば、素材の降伏比によらず伸び能力のあるアンカーボルトといえ、（以下略）」と記述されている。したがって、ねじ節鉄筋は、ねじ部と軸部の断面積が略等しいので伸び能力があり、アンカーボルトとして有効である。

ねじ節鉄筋５には、ベースプレート７にかかる圧縮応力をねじ節鉄筋５に伝えるために基礎コンクリート１の上部分に圧縮応力耐力用プレートナット１３が螺合している。このとき、圧縮応力耐力用プレートナット１３の上面レベルが、基礎コンクリート１の天端レベルと同じになるように圧縮応力耐力用プレートナット１３の位置を調整する。基礎コンクリート１は、ねじ節鉄筋５に螺合している圧縮応力耐力用プレートナット１３の上面レベルまでコンクリートを打設することでその天端レベル調整を行うことが可能である。このように、ねじ節鉄筋５に螺合している圧縮応力耐力用プレートナット１３の上面レベルまでコンクリートを打設すれば、基礎コンクリートの天端レベル調整を行うことができるので、他のレベル調整手段を用いることなく作業も容易である。

また、圧縮応力耐力用プレートナットを複数備える場合においては、複数の圧縮応力耐力用プレートナットの上面間に長板またはアングル等の鋼材を架設することができる（図示せず）。これにより、長板またはアングル等の鋼材の下端面までコンクリートを打設することで、基礎コンクリートの天端面の水平をとり易くすることが可能である。
なお、圧縮応力耐力用プレートナット１３は本発明の構築構造にとって、必須ではなく、従来行われているように一般的なナットを使用すること、また、ナット自体を使用しないという選択も可能である。

図２は本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造部分の側面図である。
施工に際しては、図２に示すように、定着板となるプレートナット１２をねじ節鉄筋５に螺合して、プレートナット１２の下面レベルが基礎コンクリートの天端レベルからねじ節鉄筋の直径の１５倍の定着長になる位置に移動する。

ねじ節鉄筋５の下端側を、下部位置決めガイド２０の端部に溶接固定されたナット２１に螺合させ固定し、次に、ねじ節鉄筋５の上端側を、上部位置決めガイド（図示せず）の挿入孔に挿通し座金とナットで仮固定して、ねじ節鉄筋の垂直度、水平度を確認し調整する。

そして、ねじ節鉄筋を基礎底（捨て）コンクリート上の柱設置位置にセットし、下部位置決めガイド２０をアンカーボルト２２、ナット２３で固定する。ねじ節鉄筋５を基礎底（捨て）コンクリート上に固定した後、プレートナット１２の下面レベルが基礎コンクリートの天端レベルからねじ節鉄筋５の直径の１５倍の定着長の位置にあることを確認し、プレートナット１２とねじ節鉄筋５の間に無収縮性グラウト材を充填してプレートナット１２を固定する。

その後、所定のレベルまでコンクリートを打設して基礎コンクリートを形成し、コンクリートが硬化すると、上部位置決めガイドを取り外し、モルタル（通称饅頭）で水平レベルを出す。モルタル（通称饅頭）が硬化した後に柱材６の建て方を行う。

図３は本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造の要部の拡大図である。
図３に示すように、ベースプレート７が接続された柱材６を搬入し、ベースプレート７の挿通孔８をねじ節鉄筋５に挿入して立設する。

柱材６は、例えば角形鋼管、円形鋼管、Ｈ形鋼等で、ベースプレート７は鋳鋼、鍛鋼、鋼板等で構成される。
柱材６の建入れ後、ベースプレート７と基礎コンクリート１の間に無収縮性グラウト材１１を充填する。さらに、ねじ節鉄筋５とベースプレート７の挿通孔８との隙間、ベースプレート７とナット１０との隙間に無収縮性グラウト材１１を充填する。

そして、ナット９、１０によりベースプレート７を締め付け、ベースプレート７とナット１０との隙間から充填材が溢れ出てくることにより、ベースプレート７と基礎コンクリート１の隙間、ねじ節鉄筋５とベースプレート７の挿通孔８との隙間、ベースプレート７とナット１０との隙間の充填が十分にできたことを確認し、ねじ節鉄筋５に初期張力を導入してベースプレート７を基礎コンクリート１に固定する。

したがって、本発明の実施例の構造によれば、専門の柱脚施工会社がねじ節鉄筋の立上げを行うほどの精巧さを必要としない。また、基礎部配筋時やコンクリート打設時にも、精度確保のための専門の柱脚施工会社による立合い、手直しを必要としない。よって、各工種の技能者が必要なくなり、工程管理を簡素化することが可能である。

本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造の全体側面図である。 本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造部分の側面図である。 本発明の実施例に係る露出型固定柱脚の固定構造の要部の拡大図である。

符号の説明

１ 基礎コンクリート
５ ねじ節鉄筋
６ 柱材
７ ベースプレート
８ 挿通孔
１１ 無収縮性グラウト材
１２ 圧縮応力耐力用プレートナット
１３ プレートナット
２０ 下部位置決めガイド
２２ アンカーボルト

Claims (1)

1. 基礎コンクリート内に埋設されその上方が該基礎コンクリートの頂面から突出するアンカーボルトと、該アンカーボルトに挿通されて前記基礎コンクリート上に配置されその上部に建築物の柱が一体化されたベースプレートと、前記ベースプレートを前記基礎コンクリートとの間で締め付け固定するためのナットと、前記基礎コンクリート内において前記アンカーボルトの下端部に固着された定着板とを備え、
   前記基礎コンクリート上に前記ベースプレートを介して前記建築物の柱を固着する鉄骨露出型柱脚構造であって、
   前記アンカーボルトとしてねじ節鉄筋が用いられており、
   前記基礎コンクリート上部において、前記ベースプレートにかかる圧縮応力を前記ねじ節鉄筋に伝えるための圧縮応力耐力用プレートナットが、当該ねじ節鉄筋に螺合して設けられており、
   前記ねじ節鉄筋が柱主筋の代用とされており、
   前記基礎コンクリートは、前記圧縮応力耐力用プレートナットの上面レベルまで打設されており、当該基礎コンクリートの天端レベルから前記定着板の下面レベルまでが定着長とされており、
   前記定着長が前記ねじ節鉄筋の直径の１５倍であり、
   前記定着板としてつば付定着金物を用い、前記ねじ節鉄筋に該つば付定着金物を螺合してなり、
   前記ねじ節鉄筋の下端を直接または間接的に基礎底コンクリートに当接してなり、
   前記ねじ節鉄筋と前記ベースプレートの挿通孔との隙間に無収縮性グラウト材を充填してなることを特徴とする鉄骨露出型柱脚構造。