(57)【要約】【課題】  柱脚部の剛性を確保しつつ、ベースプレートを降伏しやすくして柱脚におけるエネルギー吸収能力を大きくすることが可能な柱部材及び柱脚構造を提供する。【解決手段】  ベースプレート３の四隅近傍には、アンカーボルト孔１１が設けられる。また、アンカーボルト孔１１の部位を含み、少なくともベースプレート３の四隅近傍の裏面側には、切欠きが設けられ、薄肉部９が形成される。薄肉部９は、柱５の基部には形成されない。アンカーボルト孔１１の重心位置を通り、ベースプレート３の対角線に直交する直線を基準線Ｅとする。また、基準線Ｅに平行な柱５の基部の直線をＧとし、基準線Ｅに平行であって薄肉部９のみを通る直線の内、最も柱５に近い部位の直線をＦとする。この際、直線Ｇにおける降伏耐力よりも、直線Ｆの降伏耐力が小さい。【選択図】図３
2019124024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱と、前記柱の一端に接合された略矩形のベースプレートと、を具備する柱部材であって、
前記ベースプレートは、
前記ベースプレートの四隅近傍に設けられるアンカーボルト孔と、
前記アンカーボルト孔の部位を含み、少なくとも、前記ベースプレートの四隅近傍の裏面側に設けられる切欠きによって形成される薄肉部と、
を具備し、
前記薄肉部は、前記柱の基部には形成されず、
前記アンカーボルト孔の重心位置を通り、前記ベースプレートの対角線に直交する直線を基準線とし、前記基準線に平行な前記柱の基部の降伏耐力よりも、前記基準線に平行であって前記薄肉部のみを通る直線の内、最も前記柱に近い部位の降伏耐力が小さいことを特徴とする柱部材。
【請求項２】
柱と、
前記柱の下端に接合される略矩形のベースプレートと、
前記ベースプレートと基礎との間に設けられるモルタルと、
前記ベースプレートを前記基礎に固定するアンカーボルトと、
を具備し、
前記ベースプレートは、
前記ベースプレートの四隅近傍に設けられるアンカーボルト孔と、
前記アンカーボルト孔の部位を含み、少なくとも、前記ベースプレートの四隅近傍の裏面側に設けられる切欠きによって形成される薄肉部と、
を具備し、
前記薄肉部は、前記柱の基部には形成されず、
前記アンカーボルト孔の重心位置を通り、前記ベースプレートの対角線に直交する直線を基準線とし、前記基準線に平行な前記柱の基部における降伏耐力および前記アンカーボルトの降伏力よりも、前記基準線に平行であって前記薄肉部のみを通る直線の内、最も前記柱に近い部位の降伏耐力が小さいことを特徴とする柱脚構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベースプレートに柱が接合された柱部材およびこれを用いた柱脚構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造体の柱脚構造は、柱の下部にベースプレートが接合され、ベースプレートが基礎等のコンクリートに対してアンカーボルトで固定される（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１０８８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、例えば、地震等によって、柱脚に大きな曲げモーメントが生じる場合において、エネルギーの吸収能力を大きくするため、アンカーボルトよりもベースプレートを先行させて降伏させる方法が検討されている。ベースプレートを降伏させやすくするためには、アンカーボルトのピッチに対して、ベースプレートの厚みを薄くする方法がある。
【０００５】
図８は、柱脚構造１００に対して、側方からの力が付与された状態を示す概念図である。柱脚構造１００は、柱１０５の下端にベースプレート１０３が接合されて構成される。ベースプレート１０３には、アンカーボルト孔１０７が設けられ、アンカーボルト１０９が挿通される。ベースプレート１０３は、アンカーボルト１０９によって、基礎１１１に固定される。ベースプレート１０３と基礎１１１との間には、モルタル１１３が充填される。
【０００６】
柱脚構造１００に力が加わると、柱１０５には曲げモーメントＩが生じる。この際、ベースプレート１０３の厚みを薄くすることで、アンカーボルト１０９が降伏するよりも先に、柱１０５との接合部におけるベースプレート１０３を降伏させることができる（図中Ｊ部）。
【０００７】
しかし、ベースプレート１０３の厚みを薄くすると、ベースプレート１０３が変形しやすくなるため柱脚部の剛性が低下するという問題がある。
【０００８】
これに対し、ベースプレート１０３の幅を大きくし、アンカーボルト１０９同士の距離を長くすることで、ベースプレート１０３を降伏させやすくしつつ、柱脚部の剛性を高めることが出来る。
【０００９】
しかし、この方法では、ベースプレート１０３の下部の基礎１１１のサイズが大きくなり、他部材や敷地との収まりが悪くなる。また、ベースプレート１０３のサイズを大きくすることで、ベースプレート１０３の使用材料量が増加する。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、柱脚部の剛性を確保しつつ、ベースプレートを降伏しやすくして柱脚におけるエネルギー吸収能力を大きくすることが可能な柱部材及び柱脚構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した目的を達成するため、第１の発明は、柱と、前記柱の一端に接合された略矩形のベースプレートと、を具備する柱部材であって、前記ベースプレートは、前記ベースプレートの四隅近傍に設けられるアンカーボルト孔と、前記アンカーボルト孔の部位を含み、少なくとも、前記ベースプレートの四隅近傍の裏面側に設けられる切欠きによって形成される薄肉部と、を具備し、前記薄肉部は、前記柱の基部には形成されず、前記アンカーボルト孔の重心位置を通り、前記ベースプレートの対角線に直交する直線を基準線とし、前記基準線に平行な前記柱の基部の降伏耐力よりも、前記基準線に平行であって前記薄肉部のみを通る直線の内、最も前記柱に近い部位の降伏耐力が小さいことを特徴とする柱部材である。
【００１２】
第１の発明によれば、変形量が大きくなる柱の角部におけるベースプレートの厚みを相対的に厚くすることで、柱脚構造の剛性を確保しつつ、ベースプレートの下面の切欠きによって薄肉部が形成され、ベースプレートの薄肉部を先行降伏させることができる。このため、ベースプレートのサイズを大きくする必要がなく、他部材や敷地との収まりが良く、ベースプレートの使用材料量の増加を抑制することができる。
【００１３】
また、ベースプレートの下部に切欠きを設けることで、ベースプレートの切欠き段差の側面とアンカーボルトとの間にモルタルが充填され、ベースプレートからアンカーボルトへのせん断力を伝達することができる。また、切欠きが底面側であるため、ベースプレートの上方におけるナットや締付工具と切欠きの段部との干渉がなく、作業が容易である。
【００１４】
また、切欠きの形状により、ベースプレートの降伏位置をコントロールできるため、ベースプレートの板厚、アンカーボルト位置、ベースプレートの幅などの設計自由度が高い。
【００１５】
第２の発明は、柱と、前記柱の下端に接合される略矩形のベースプレートと、前記ベースプレートと基礎との間に設けられるモルタルと、前記ベースプレートを前記基礎に固定するアンカーボルトと、を具備し、前記ベースプレートは、前記ベースプレートの四隅近傍に設けられるアンカーボルト孔と、前記アンカーボルト孔の部位を含み、少なくとも、前記ベースプレートの四隅近傍の裏面側に設けられる切欠きによって形成される薄肉部と、を具備し、前記薄肉部は、前記柱の基部には形成されず、前記アンカーボルト孔の重心位置を通り、前記ベースプレートの対角線に直交する直線を基準線とし、前記基準線に平行な前記柱の基部における降伏耐力および前記アンカーボルトの降伏力よりも、前記基準線に平行であって前記薄肉部のみを通る直線の内、最も前記柱に近い部位の降伏耐力が小さいことを特徴とする柱脚構造である。
【００１６】
第２の発明によれば、剛性が高く、ベースプレートの先行降伏が可能な柱脚構造を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、柱脚部の剛性を確保しつつ、ベースプレートを降伏しやすくして柱脚におけるエネルギー吸収能力を大きくすることが可能な柱部材及び柱脚構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、柱部材１の側面図、（ｂ）は、柱部材１の底面図。
【図２】（ａ）は、柱脚構造１０の側面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ部拡大図。
【図３】柱部材１の底面図。
【図４】柱脚構造１０の変形状態を示す概念図。
【図５】（ａ）は、柱部材１ａの底面図、（ｂ）は、柱部材１ｂの底面図、（ｃ）は、柱部材１ｃの底面図。
【図６】（ａ）は、柱部材１ｄの底面図、（ｂ）は、柱部材１ｅの底面図、（ｃ）は、柱部材１ｆの底面図、（ｄ）は、柱部材１ｇの底面図。
【図７】（ａ）は、柱部材１ｈの底面図、（ｂ）は、柱部材１ｉの底面図、（ｃ）は、柱部材１ｊの底面図、（ｄ）は、柱部材１ｋの底面図。
【図８】従来の柱脚構造１００を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態にかかる柱部材１について説明する。図１（ａ）は、柱部材１を示す側面図であり、図１（ｂ）は底面図である。柱部材１は、主に、ベースプレート３と柱５とから構成される。
【００２０】
ベースプレート３は、平面視が略矩形であり、例えば鋼製の板状部材である。ベースプレート３の四隅近傍には、貫通孔であるアンカーボルト孔１１が設けられる。アンカーボルト孔１１には、後述するアンカーボルトが挿通される。ベースプレート３の上面には、柱５の一端が接合される。柱５は、例えば角鋼管である。
【００２１】
ベースプレート３の四隅近傍の裏面側には、少なくともアンカーボルト孔１１の部位を含み、切欠き７が設けられる。切欠き７は、ベースプレート３の下面側が所定の厚みだけ除去された形態である。このため、切欠き７に対応する部位には、他の部位に対して厚みが薄い薄肉部９が形成される。
【００２２】
図示した例では、薄肉部９は、ベースプレート３の四隅に、それぞれ略Ｌ字状に形成され、Ｌ字の中央曲部の内側に対応する部位の近傍に、柱５の各角部が配置される。なお、ベースプレート３の対角線上において、アンカーボルト孔１１と、薄肉部９の縁部（薄肉部９と他の部位の境界）とは離れており、かつ、薄肉部９の縁部と柱５の基部とは離れている。すなわち、薄肉部９は、柱５の基部には形成されず、柱５は、全体が薄肉部９以外の部位に配置される。
【００２３】
次に、柱部材１を用いた柱脚構造１０について説明する。図２（ａ）は、柱脚構造１０を示す図である。柱脚構造１０は、柱部材１がコンクリート製の基礎１３に対して、アンカーボルト１７によって固定されて構成される。すなわち、柱脚構造１０は、主に、ベースプレート３、柱５、アンカーボルト１７等から構成される。前述したように、ベースプレート３の四隅近傍にはアンカーボルト孔１１が形成され、それぞれのアンカーボルト孔１１にアンカーボルト１７が挿通される。アンカーボルト１７は、下端が基礎１３内に定着され、上端がナットによってベースプレート３に固定される。
【００２４】
基礎１３とベースプレート３の間には、モルタル１５が充填される。すなわち、モルタル１５は、ベースプレート３の下面の全体に配置され、切欠き７にも充填される。
【００２５】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ部拡大図である。ここで、例えば、切欠き７を有さない場合において、ベースプレート３に水平方向の力が付与されると、アンカーボルト１７とアンカーボルト孔１１との間にはクリアランスが存在するため、ベースプレート３からの応力がアンカーボルト１７へ効率よく伝達されない。しかし、本実施形態では、前述したように、切欠き７にもモルタル１５が充填されるため、アンカーボルト１７と切欠き７の段部（薄肉部９の縁部）との間に、モルタル１５が存在する。このため、ベースプレート３に側方からの水平方向の力が加わった際（図中矢印Ｂ）、ベースプレート３からの応力を、モルタル１５を介してアンカーボルト１７へ確実に伝達することができる（図中矢印Ｃ）。
【００２６】
次に、ベースプレート３の降伏について説明する。図３は、柱部材１（ベースプレート３）の背面図であり、図４は、図３のＤ−Ｄ線に対応する柱脚構造１０の断面図である。図３に示すように、柱５に曲げモーメントが加わると（図中Ｈ）、アンカーボルト１７が弾性伸びし、所定以上の力が加わることで、ベースプレート３の一部が降伏する。すなわち、ベースプレート３は、アンカーボルト１７が降伏するより早く降伏する。
【００２７】
ここで、ベースプレート３の降伏は、ベースプレートの各辺に対して４５°の線上で起こる。このため、各部の降伏応力について検討する。まず、アンカーボルト孔１１の中心を通り、ベースプレート３の対角線に直交する直線（すなわち、各辺に対して４５°の直線）を基準線Ｅとする。
【００２８】
また、基準線Ｅに平行な柱５の基部を通る直線（柱５の外周面との接線）をＧとする。また、基準線Ｅに平行であって、薄肉部９のみを通る直線の内、最も柱５に近い部位の直線をＦとする。すなわち、直線Ｆは、基準線Ｅに平行な直線の内、それ以上柱５に近づけると、当該直線が薄肉部９以外の部位を通過することとなる境界の直線である。
【００２９】
ここで、基準線Ｅから直線Ｆまでの距離をＬ２とし、基準線Ｅから直線Ｇまでの距離をＬ１とする。この際、アンカーボルトによる引張力をＴとすると、直線Ｇにおける曲げモーメントＭ１および、直線Ｆにおける曲げモーメントＭ２は、それぞれ、
Ｍ１＝Ｔ・Ｌ１
Ｍ２＝Ｔ・Ｌ２
で表される。
【００３０】
また、直線Ｇにおける断面係数をＺ１とし、直線Ｆにおける断面係数をＺ２とし、材料の降伏応力をσとすると、直線Ｇにおける降伏時の曲げモーメントＭａ１および、直線Ｆにおける降伏時の曲げモーメントＭａ２は、それぞれ、
Ｍａ１＝Ｚ１・σ
Ｍａ２＝Ｚ２・σ
で表される。
【００３１】
ここで、直線Ｇにおいて降伏する前に直線Ｆの位置で降伏する条件は、
Ｍａ１／Ｍ１＞Ｍａ２／Ｍ２、かつ
Ｍａ２＜Ｍ２
を満たす場合である。すなわち、
Ｚ１／Ｌ１＞Ｚ２／Ｌ２、かつ、
Ｚ２・σ＜Ｔ・Ｌ２
を満たす場合である。このような式を満たすように、薄肉部９の位置と各部の断面係数を設定することで、柱５の基部において降伏する前に、柱５の基部から離れた位置の薄肉部９において降伏させることができる。
【００３２】
ここで、薄肉部９を設けずに、ベースプレート３が一定の肉厚である場合について検討する。アンカーボルト孔１１におけるベースプレート３の変形量δ３は、たわみの公式により、
δ３=Ｔ・Ｌ１３／（３ＥＩ３）
で表される。但し、Ｉ３は、平坦形状の場合の断面二次モーメント、Ｅはヤング率である。
【００３３】
一方、薄肉部９を形成した場合における、アンカーボルト孔１１におけるベースプレート３の変形量δは、
δ=Ｔ・Ｌ２３／（３ＥＩ２）＋Ｔ・（Ｌ１・α−α２／２）／（３ＥＩ１）＋Ｔ・（Ｌ１・α２−α３／３）／（２ＥＩ１）
で表される。但し、α＝Ｌ１−Ｌ２であり、Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ、直線Ｅ〜Ｆ間及び、直線Ｆ〜Ｇ間の断面二次モーメントである。
【００３４】
すなわち、δ＜δ３であれば、ベースプレート３の変形量が小さくなり、柱脚の剛性が高くなる。ここで、平坦形状のベースプレートが先行降伏する条件は、
Ｍａ３＜Ｍ３
の場合である。但し、Ｍａ３＝Ｚ３・σであり、Ｍ３＝Ｔ・Ｌ１＝Ｍ１であり、Ｚ３は、平坦形状の柱５の基部における断面係数である。
【００３５】
ここで、Ｚ１〜Ｚ３は、それぞれ板厚の２乗に依存し、Ｉ１〜Ｉ３は、それぞれ板厚の３乗に依存する。このため、薄肉部９および薄肉部９以外の厚み（柱５の基部の厚み）を調整することで、従来の板厚が一定である場合のベースプレートに対して、剛性を高くしつつ、直線Ｆにおける先行降伏を達成することができる条件が存在する。例えば、従来のベースプレートと同一のサイズであって、同一の重量のベースプレートであっても、剛性を高めつつ、先行降伏が可能となる条件が存在する。
【００３６】
このように、所定の条件を満たすように設計することで、基準線Ｅに平行な柱５の基部における降伏耐力よりも、基準線Ｅに平行であって薄肉部９のみを通る直線の内、最も柱５に近い部位の降伏耐力を小さくすることができる。このため、直線Ｆにおける降伏耐力が、アンカーボルト１７の降伏力よりも小さければ、柱脚構造１０に曲げモーメントが生じた際、柱５の基部またはアンカーボルト１７ではなく、柱５の基部からずれた位置（図中Ｆの位置）のベースプレート３を降伏させることができる。このため、変形量の大きな柱５の基部における降伏を抑えつつ、アンカーボルト１７よりも先に、ベースプレート３の柱５の基部から離れた部位を降伏させることができる。
【００３７】
以上、本実施の形態によれば、柱５に外力が生じた際に、アンカーボルト１７が降伏して塑性変形を開始するのに先行して、ベースプレート３が塑性変形を開始して、エネルギーを吸収することができる。このようにすることで、より大きなエネルギーを吸収することができる。
【００３８】
また、変形量が大きくなる柱５の角部におけるベースプレート３の厚みを相対的に厚くすることで、柱脚構造１０の剛性を確保することができる。また、ベースプレート３のサイズを大きくすることなく、ベースプレート３を先行降伏させることができるため、他部材や敷地との収まりが良く、ベースプレート３の使用材料量の増加を抑制することができる。
【００３９】
また、ベースプレート３の下部に切欠き７を設けることで、ベースプレート３の切欠き７の段部とアンカーボルト１７との間にモルタル１５が充填され、ベースプレート３からアンカーボルトへ１７のせん断力を伝達することができる。また、切欠き７が底面側に形成されるため、ナットや締付工具と切欠き７の段部との干渉がなく、作業が容易である。
【００４０】
なお、切欠き７（薄肉部９）の形状は、図１等に示した例には限られない。図５（ａ）は、柱部材１ａを示す底面図である。なお、以下の図において、柱部材１と同一の機能を奏する構成については、図３と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の図における直線Ｅ、Ｆ、Ｇは、図３における直線Ｅ、Ｆ、Ｇと同様である。
【００４１】
柱部材１ａは、切欠き７がベースプレート３の角部を略三角形に切り取るように、各辺に対して４５°の角度で形成される。この場合、降伏部（直線Ｆ）は、薄肉部９と他の部位との境界部の直線となる。この場合でも、直線Ｇが直線Ｆと離れていることで、柱５の基部での降伏を抑制し、かつ、ベースプレート３の先行降伏を達成することができる。
【００４２】
また、図５（ｂ）は、柱部材１ｂを示す底面図である。柱部材１ｂは、切欠き７がベースプレート３の外周部を囲むようにロの字状に形成される。この場合、降伏部（直線Ｆ）は、矩形の薄肉部９の内側の角部近傍を通る直線となる。この場合でも、直線Ｇが直線Ｆと離れていることで、柱５の基部での降伏を抑制し、かつ、ベースプレート３の先行降伏を達成することができる。
【００４３】
また、図５（ｃ）は、柱部材１ｃを示す底面図である。柱部材１ｃは、切欠き７が柱部材１とほぼ同様に略Ｌ字形である。この場合、降伏部（直線Ｆ）は、Ｌ字の内側の角部近傍を通る直線となる。柱部材１ｃでは、切欠き７が柱５の基部のぎりぎりの位置まで形成される。この場合でも、柱５の角部の面取形状（Ｒ形状）が、Ｌ字の切欠き７の中央曲部の内側の面取形状よりも大きければ、直線Ｇと直線Ｆとが離れ、柱５の基部での降伏を抑制し、かつ、ベースプレート３の先行降伏を達成することができる。
【００４４】
また、図６（ａ）〜図６（ｄ）は、柱部材１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇを示す底面図である。柱部材１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇは、それぞれ、柱部材１、１ａ、１ｂ、１ｃに対して、アンカーボルト孔１１が、各角部に２か所ずつ設けられたものである。この場合、基準線Ｅは、ベースプレート３の対角線に直交し、アンカーボルト孔１１の中心を通る直線となる。柱部材１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇにおいても、直線Ｇが直線Ｆと離れていることで、柱５の基部での降伏を抑制し、かつ、ベースプレート３の先行降伏を達成することができる。
【００４５】
また、図７（ａ）〜図７（ｄ）は、柱部材１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋを示す底面図である。柱部材１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋは、それぞれ、柱部材１、１ａ、１ｂ、１ｃに対して、アンカーボルト孔１１が、各角部に３か所ずつ設けられたものである。この場合、基準線Ｅは、ベースプレート３の対角線に直交し、３つのアンカーボルト孔１１の重心を通る直線となる。柱部材１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋにおいても、直線Ｇが直線Ｆと離れていることで、柱５の基部での降伏を抑制し、かつ、ベースプレート３の先行降伏を達成することができる。
【００４６】
なお、本発明において、アンカーボルト孔１１の重心位置とは、各角部におけるアンカーボルト孔１１が一つの場合には、アンカーボルト孔の中心位置を差し、各角部におけるアンカーボルト孔１１が二つの場合には、各アンカーボルト孔１１同士の中心位置を差し、各角部におけるアンカーボルト孔１１が三つ以上の場合には、各アンカーボルト孔１１同士を結ぶ多角形の重心位置を差すものとする。
【００４７】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４８】
例えば、柱５は、断面が略矩形のものに限られず、円形であってもよく、または、Ｈ型であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋ………柱部材
３………ベースプレート
５………柱
７………切欠き
９………薄肉部
１０………柱脚構造
１１………アンカーボルト孔
１３………基礎
１５………モルタル
１７………アンカーボルト
１００………柱脚構造
１０３………ベースプレート
１０５………柱
１０７………アンカーボルト孔
１０９………アンカーボルト
１１１………基礎
１１３………モルタル
【図１】
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【図２】
2019124024.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019124024.tif 000006
【図５】
2019124024.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019124024.tif 000009
【図８】
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