(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄骨柱の下端部に取り付けられ、アンカーボルトによって基礎鉄筋コンクリート側に固定される柱脚金物であって、
底面に、中央部から周縁部に向けて下方に傾斜する傾斜面を形成し、
前記傾斜面の傾斜は、その法線方向が、概略引張側アンカーボルトの延長線と基礎鉄筋コンクリートの圧縮応力部の中心を通る延長線の交点に向くように設定されていることを特徴とする柱脚金物。
【請求項２】
前記傾斜面は、底面の中央部から全周縁部に向けて形成されていることを特徴とする請求項１記載の柱脚金物。
【請求項３】
前記底面の中央部に通ずる空気抜き用の通路を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の柱脚金物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄骨柱の下端部に取り付けられ、アンカーボルトによって基礎鉄筋コンクリート側に固定される柱脚金物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は特開平１−２０３５２３号公報に記載された一般的な露出型固定柱脚部の断面図である。この露出型固定柱脚部の構造を概説すると、捨てコン５１上に固着された定着体５２に複数本のアンカーボルト５３を固定し、このアンカーボルト５３の周囲に鉄筋５４を配筋し、コンクリート５５を打設してアンカーボルト定着装置Ａを形成し、そして、ボルト５３の上部を鉄骨柱Ｃの下端部に溶接された柱脚金物５６のボルト穴に挿通し、ナット５７で固定するというものである。
柱脚金物５６の下面は平坦になっており、上面は鉄骨柱の形状やアンカーボルトの配置および重量低減のために凹凸や傾斜が設けられている。
【０００３】
なお、一部の柱脚金物にあっては、図１８に示す特開平２−２５６７３９号公報に記載されたもののように下面に突起６１を設けたものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１−２０３５２３号公報に示された従来の一般的な露出型固定柱脚部の構造は、応力伝達メカニズムに関して以下のような問題点があった。
図１９は柱６３と基礎梁６５との配置関係を示す模式図、図２０は図１９の一部の柱脚部に作用する力の関係を示す模式図である。
柱から作用する力としては軸方向力Ｎｃ、曲げモーメントＭｃ、せん断力Ｑｃがあり、これらを柱脚金物５６とアンカーボルト５３および柱脚金物下部のグラウトモルタル面を介して基礎部に伝達する。
特に、曲げモーメントＭｃは、アンカーボルトの引張力Ｔｃと柱脚金物の下面のグラウトモルタル部６７との接触による圧縮力Ｃｃとして基礎部６９に伝達される。
【０００５】
一方、基礎梁６５にも柱曲げモーメントＭｃとバランスする同様な曲げモーメントＭｂが生じており、この曲げモーメントＭｂは基礎梁６５の引張側の主筋７１の引張力Ｔｂと圧縮側のコンクリートに対する圧縮力Ｃｂとして柱脚下部の基礎部に伝達される。
このように柱脚下部の基礎部６９では、柱脚部からの応力と基礎梁６５からの応力とが作用し、図２１のようなせん断変形を生じるようになる。
【０００６】
このせん断変形に対して抵抗するため、通常は基礎部６９に立ち上げ補強筋およびせん断補強筋を配設することにより補強するようにしている。
しかしながら、この部位は実際には、たくさんのアンカーボルト５３が埋め込まれ、そこに、基礎梁６５の鉄筋が水平に入り込むという非常に複雑な構成になってしまっている。そして、そのような複雑なところにさらに多くの立ち上げ鉄筋およびせん断補強筋が回されることになるわけであるから、鉄筋の錯綜した状態となり、コスト的にも高いものであるだけでなく、コンクリートの打設に支障をきたす場合もある。
【０００７】
ところで、この柱脚下部の基礎部での実際の応力状態としては、連続的なコンクリートが存在することから、図２２、図２３（図２２から鉄筋の一部を省略して示したもの）に示されるように圧縮力Ｃｃの作用部から圧縮力Ｃｂの作用部に向かって圧縮応力場Ｃｂｃが発生する。
これは、図２３のような応力状態で釣り合いが成立することからの帰結であり、この考え自体は従来から類似の構造では認識されていたことである。
【０００８】
このような圧縮応力場Ｃｂｃは、圧縮力Ｃｃ，Ｃｂそれぞれが作用する部位の状態などにより決定され、必ずしも応力伝達に必要な大きさで生成されるとは限らず、一般的には大きさが不十分となる。
この点をより具体的に説明する。圧縮応力場Ｃbcは、引張り抵抗力に乏しいが圧縮抵抗力は大きいというコンクリート連続体の性質に起因して生成されるが、斜め方向の応力場であることから、上からの圧縮力Ｃｃに釣り合う分力Ｃｂｃ１と水平分力Ｃｂｃ２に分解される。しかし、従来の柱脚金物の底面は平坦であり、水平分力Ｃｂｃ２を機械的に支える（釣り合う）構造部分が無いため、十分な応力場の形成に至らない。
【０００９】
このことを、逆に言えば、小さなＣｂｃ２に対応するＣｂｃしか生成できないことにつながり、結局、小さなＣｃ、小さなＭｃの耐力しか期待できないものとなる。これでは、本来大きな圧縮斜め方向応力場が生成しうる基礎コンクリート部を有効に利用できていないことになり、いずれはコンクリートに亀裂が発生することになる。
そして、これを防止するために上記のような多くの補強筋が必要になるのである。
以上のように、従来の露出型固定柱脚部の構造は、曲げモーメントＭｃに関する応力伝達機構としては不十分な構成であった。
【００１０】
次に、せん断力Ｑｃに対する応力伝達機構について説明する。
せん断力Ｑｃは、柱脚金物とグラウトモルタル以下の部分をずらすような作用を及ぼすものである。そして、それを防ぐ方法としては、前述の特開平２−２５６７３９号公報に示されたように柱脚金物下部に突起を設けたり、あるいはこれと同様の効果が出るシアーキーと呼ばれる突起を別途溶接などにより取り付けたりしている。
【００１１】
しかしながら、このようなせん断抵抗機能を別途付与することはコスト高になる。また、いずれも局所的な突起であるから、突起が当接するコンクリート部分あるいはグラウトモルタル部分といった強度の低い部分の耐力で抵抗力が決まってしまうために、必ずしも十分な抵抗力を発揮できない場合がある。
また、上部柱は地震時などに引張り力を同時に受ける場合があるが、このようなときには、柱脚金物５６がモルタル部６７から浮き上がるため、せん断抵抗機能が無い場合はもちろん滑ってしまい、たとえあったとしても局所的な突起では柱脚金物が浮き上がることにより接触部が一層小さくなり、せん断力に抵抗できなくなってしまう。更に、最終的にはアンカーボルトがせん断力を負担することになるため、アンカーボルトが十分な引っ張り抵抗力を発揮できなくなってしまうことにもなる。
【００１２】
以上要するに、従来の柱脚金物を用いた柱脚部の構造では、曲げモーメントを伝達するための応力伝達メカニズムをが不明確であり、また柱脚部のせん断力伝達が不十分な構造である。その結果、基礎部の配筋が複雑で施工性が悪く、コストがかかる構造となっている。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、柱脚の基礎部における応力伝達メカニズムを明確にして、柱脚の基礎部を簡単な構造にすることによって、低コスト化を図ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る柱脚金物は、鉄骨柱の下端部に取り付けられ、アンカーボルトによって基礎鉄筋コンクリート側に固定されるものであって、
底面に、中央部から周縁部に向けて下方に傾斜する傾斜面を形成し、前記傾斜面の傾斜は、その法線方向が、概略引張側アンカーボルトの延長線と基礎鉄筋コンクリートの圧縮応力部の中心を通る延長線の交点に向くように設定されていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、前記傾斜面は、底面の中央部から全周縁部に向けて形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記底面の中央部に通ずる空気抜き用の通路を設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態の柱脚金物の平面図、図２は図１に示したものの側面図である。図において、１は矩形状の柱脚金物、３は柱脚金物１の四隅に設けられたアンカーボルト用のボルト穴、５は柱脚金物の上面に凸状に形成された柱取付部である。この実施の形態の柱脚金物はＨ型鋼の柱に対するものであり、柱取付部５はＨ形状に形成されている。
また、底面には、中央部からボルト穴が形成された両側端に向かって下方に傾斜する傾斜面６ａ、６ｂが形成されている。
【００１９】
図３は本実施の形態の柱脚金物における曲げモーメントを伝達する応力伝達メカニズムの説明図である。図において、従来例を示した図２３と同一の曲げモーメント、応力には同一の符号を付している。
なお、柱脚金物１の下面に形成した２つの傾斜面６ａ、６ｂは同様の作用を有するので、以下においては片側の傾斜面６ａを例に挙げて説明する。
【００２０】
曲げモーメントＭｃが作用した場合に、アンカーボルト７の引張力Ｔｃと柱脚金物１の下面のグラウトモルタル部９との接触による圧縮力Ｃｃとして基礎部に伝達されるのは前述の通りである。このとき、本実施の形態においては、柱脚金物１の底面に傾斜面６ａを設け、傾斜面６ａの法線方向が概略斜め方向の応力場Ｃｂｃの方向に向くように傾斜角が設定されている。このため、この傾斜面６ａが応力場Ｃｂｃの水平成分Ｃｂｃ２を機械的に支える構造部分として機能し（図４参照）、大きな斜め方向の応力場Ｃｂｃが生成され、結果として柱脚部に大きな耐力を確保することができる。
【００２１】
ところで、応力場Ｃｂｃは、図５に示すように、基礎梁及び柱から作用する力に対して釣り合うトラス状の応力系を構成するものである。したがって、応力場Ｃｂｃの方向は、基礎梁の圧縮側応力Ｃｂの中心位置を通るラインと、柱からくる引っ張り力Ｔｃの中心ラインであるアンカーボルト軸線との交点を向いている。
よって、柱脚金物１の底面の傾斜面の法線の向きが、圧縮応力場Ｃｂｃの向きと一致していること、すなわち圧縮側応力Ｃｂの中心位置を通るラインと、アンカーボルト軸線との交点を向いていること、逆に言えば法線が前記の方向を向くように傾斜面６ａが形成されていることが、大きな応力場Ｃｂｃを形成するためには最も効果的となる。
【００２２】
次に、圧縮側応力Ｃｂの中心位置について図６に基づいて説明する。図６において、１は柱脚金物、Ａはアンカーボルトの中心線を示している。いま、基礎梁６５の梁せいをＤｂ、上部鉄筋の重心位置を基礎梁上面よりＳだけ下方の位置とすると、引張りカＴｂの中心線は、上部鉄筋の重心位置に一致し、基礎梁上面よりＳだけ下方の位置となる。
一方、圧縮側応力Ｃｂは、基礎梁６５の下部側に発生することになるが、前記引張りカＴｂの位置のように一義的に決定されるものではない。ただ、通常の設計においては、基礎梁６５の下面から圧縮側応力Ｃｂの中心までの距離をＳ’、ｄｂ＝Ｄｂ−Ｓとすると、Ｓ’＝1/8ｄｂとしている。
なお、Ｓは通常５〜１０ｃｍ程度であるが、これにとらわれるものではない。
【００２３】
柱脚金物１の底面の傾斜面の法線は、引張り側アンカーボルトの延長線（複数の場合は引張りに効くアンカーボルトの重心位置）と、圧縮側応力Ｃｂの中心位置を通るラインの交点Ｐに向くことが最も望ましいことは前述の通りである。しかし、もともと圧縮側応力Ｃｂは図７に模式的に示すように、一定の幅のある応力場を代表したものであり、その中心位置から上下にＳ’の距離だけ幅を持っていると考えられる。
したがって、柱脚金物１の底面の傾斜面の法線は交点Ｐの上下各Ｓ’の範囲を向いていれば、一定の効果を得ることはできる。
【００２４】
以上のように、本実施の形態においては、柱脚の基礎部には強固な応力場Ｃｂｃが形成されることになるため、柱と基礎部との釣り合いが補強がなくても可能になる（図８参照）。
したがって、従来構造にあるような複雑な補強鉄筋（立ち上げ筋およびせん断補強筋）を大幅に軽減できることとなり、材料コスト、施工コストが大きく低減できる。
なお、補強筋は全く不要となるわけではなく、圧縮応力場の終局的な健全性を確保して割裂（縦割れ）防止のために多少は必要である。
【００２５】
次に、柱脚部のせん断力の伝達機能について説明する。
上部柱から作用する水平せん断力Ｑｃに対しては、図９に示すように、柱脚金物１の底面に傾斜面があることにより、この傾斜面がモルタル９（下部コンクリート）に当接して大きな抵抗力を発揮することになる。
また、柱および柱脚金物１が上方に引っ張られる場合にも、柱脚金物１側の傾斜とモルタル９（下部コンクリート）側の傾斜は同じであるから、均等な接触は確保され、従来技術のような局所的な破壊を防止することができる。
なお、上記の柱脚金物１の底面は２つの傾斜面が中央部でつながっており、中央部には平坦面がない形状になっているが、中央部に平坦な面を設けるようにしてもよい。
【００２６】
ところで、実施の形態１で示したＨ形断面柱のように方向性のある柱の場合には、前述したように、柱脚金物１の中央部から両側に向かう一方向の傾斜面を設ければよい。
しかしながら、鋼管柱などの柱脚では、実施の形態１で示した方向（左右方向）に対して直角な方向にも力が作用することになるので、その方向にも底面を傾斜させることが必要である。
そこで、このような場合には、図１０に示す柱脚金物３１のように、底面に、中央部から周縁部の各辺に向けて下方に傾斜する傾斜面３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄを設けるようにすればよい。
【００２７】
なお、底面に中央部から四方に向けて傾斜する傾斜面を設けると、底面部には四角錐状の凹部が形成されることになり、モルタルを流し込んだ際に、傾斜部の上部が閉鎖空間になるため、モルタルの充填不良になるおそれがある。そこで、このような充填不良が生じないようにするために、図１０及び図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、中央部から周縁部にかけて形成された空気抜き用の通路３９を設けるようにすればよい。
なお、図１１（ａ）は図１０のＡ−Ａ断面図、図１１（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、図１１（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
また、３３はアンカーボルト用のボルト穴、３５は柱取付部である。
【００２８】
ところで、底面の傾斜範囲は、柱脚金物の外形やアンカーボルトの締め付け方法などに関係して決められる。図１０に示した例では、アンカーボルト穴３３を避けるような範囲で傾斜面を設けたものであり（図中の点線で囲んだ内側が傾斜面になっている）、アンカーボルトを柱脚金物３１の上下両面から締め付けることができるいわゆる下ナット方式の場合の例である。これに対して、上下両面から締め付ける必要の無いいわゆる上ナット方式の場合には、図１２、図１３に示すように、傾斜の途中にボルト穴３３を設けても問題はない。
なお、図１２は平面図、図１３（ａ）は図１２のＡ−Ａ断面図、図１３（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、図１３（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
【００２９】
また、図１０〜図１３の説明では、モルタル充填時の空気抜き用の通路３９の例として、柱脚金物３１の底面中央部から側縁部に通ずる溝を形成する例を挙げたが、他の態様として、例えば図１５（ａ）に示すような底面中央部から側縁に通ずる穴であってもよいし、また、図１５（ｂ）に示すような底面中央部から上面側に通ずる穴であってもよい。
【００３０】
また、上記の図１０、図１２の説明では、角形鋼管柱に対応する柱脚金物を例に挙げて説明したが、図１５に示すような円形断面柱であっても機構上変わりはない。
さらに、柱脚金物の底面の傾斜面を含む凹部の形状として、角錐台状の形状のものを例に挙げたが、図１６に示すような多面体錐台状であってもよく、あるいは傾斜面を曲面にした円錐台状のものであってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明においては、柱脚金物の底面に、中央部から周縁部に向けて下方に傾斜する傾斜面を形成したことにより、柱脚の基礎部には強固な応力場が形成されることになり、柱と基礎部との釣り合いが複雑強固な補強がなくても可能になる。この結果、従来構造にあるような複雑な補強鉄筋を大幅に軽減できることとなり、材料コスト、施工コストが大きく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態の柱脚金物の平面図である。
【図２】  本発明の一実施の形態の柱脚金物の側面図である。
【図３】  本発明の実施の形態の柱脚金物における曲げモーメントを伝達する応力伝達メカニズムの説明図である。
【図４】  本発明の一実施の形態の作用の説明図である。
【図５】  本発明の一実施の形態に作用する応力の説明図である。
【図６】  本発明の一実施の形態の応力状態の説明図である。
【図７】  本発明の一実施の形態の応力状態の説明図である。
【図８】  本発明の一実施の形態の応力の作用状態の説明図である。
【図９】  本発明の一実施の形態におけるせん断力に対する抵抗力の説明図である。
【図１０】  本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図１１】  図１０に示した柱脚金物の断面図である。
【図１２】  本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図１３】  図１２に示した柱脚金物の断面図である。
【図１４】  本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図１５】  本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図１６】  本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図１７】  従来の一般的な露出型固定柱脚の断面図である。
【図１８】  従来の柱脚金物の断面図である。
【図１９】  柱と基礎梁との配置関係を示す模式図である。
【図２０】  図１９の一部の柱脚部に作用する力の関係を示す模式図である。
【図２１】  従来の柱脚下部に生ずる応力状態の説明図である。
【図２２】  従来の柱脚下部に生ずる応力状態の説明図である。
【図２３】  従来の柱脚下部に生ずる応力状態の説明図である。
【符号の説明】
１  柱脚金物
３  アンカーボルト穴
５  柱取付部
６ａ、６ｂ  傾斜面
９  モルタル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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