(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱材の下部に設けた略矩形状のベースプレートの各隅角部及び辺部の中間部を基礎コンクリートに定着した８本以上のアンカーボルトにより固定する露出型の鉄骨用柱脚において、前記柱材の全塑性モーメントｃＭｐと、前記ベースプレートの隅角部が降伏する前記柱材に対する隅角部降伏モーメントＭ１と、同ベースプレートの辺部が降伏する前記柱材に対する辺部降伏モーメントＭ２と、前記アンカーボルトが降伏する前記柱材に対するアンカーボルト降伏モーメントＭ３との間に次の関係（１）及び（２）が満足されるように設定したことを特徴とする露出型鉄骨用柱脚。
（１）ｃＭｐ≦Ｍ２＜Ｍ３
（２）Ｍ１≦Ｍ２
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、柱材をその下部に設けた略矩形状のベースプレートを介して８本以上のアンカーボルトにより基礎コンクリートに対して固定する露出型の鉄骨用柱脚に関する。
【０００２】
【従来の技術】
露出型鉄骨用柱脚に関する従来の設計方式においては、前記ベースプレートを剛としてアンカーボルトの軸部が先に降伏するアンカーボルト降伏先行型に設計するのが主流であった。また、そのアンカーボルトの基礎コンクリートに対する定着方法としては、従来からアンカーボルトとして丸鋼等を使用し、その先端部に設けた定着板に基づいて生じる定着力を用いる方法と、アンカーボルトとして異形鉄筋を使用し、その異形鉄筋自体の凹凸を介して発生する定着力を用いる方法が知られている。ところで、前者の定着板による定着方法は、アンカーボルトの軸部には付着力が殆ど生じないので、引張歪みがアンカーボルトの埋込み軸部全長にほぼ均一に生じ、とりわけアンカーボルトの降伏後の総伸び量が大きくなるため、降伏直後からベースプレートの反対側の縁部に圧縮力が集中する、いわゆる爪先立ち現象によって基礎コンクリート側に局部的な圧壊が生じやすく、耐力があまり増加しないまま最大耐力に達してしまうという傾向を有している。したがって、この定着方法に従来のアンカーボルト降伏先行型を適用した場合には、大きな地震等に遭遇してアンカーボルトの降伏が始ると、基礎コンクリート側に局部的な圧壊が始り、以後の耐力の上昇が望めないことから短時間で建築物の崩壊に結びつきやすく、避難するための時間的な余裕を確保するという点では問題があった。
【０００３】
以上のような観点から、定着板による定着方法を採用した柱脚において、鉄骨建築物の耐震安全性を確保するため、アンカーボルトの耐力を大きくして、柱脚としての耐力を柱の全塑性耐力の例えば１．２あるいは１．３倍以上に設定することにより、柱材が有する耐力を十分発揮するために必要な基礎コンクリートに対する的確な力の伝達が可能な、いわゆる保有耐力接合に設計することは可能である。そして、その場合には、ベースプレートの降伏耐力がアンカーボルトに比べて相対的に小さくなって、ベースプレート降伏先行型となるケースも考えられる。しかしながら、この柱材降伏型におけるベースプレート降伏先行型の柱脚、特に８本以上のアンカーボルトを柱材の周囲に配設した比較的大型のベースプレート降伏先行型の柱脚に関する力学的特性に関しては、未だ研究が殆どなされていないのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような従来の技術的事情に鑑みてなされたもので、実験的な手法を加味しながら、８本以上のアンカーボルトを使用する柱材降伏型におけるベースプレート降伏先行型の柱脚に関する力学的特性を解明し、耐震安全性のより高い露出型鉄骨用柱脚を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、柱材の下部に設けた略矩形状のベースプレートの各隅角部及び辺部の中間部を基礎コンクリートに定着した８本以上のアンカーボルトにより固定する場合に、前記柱材の全塑性モーメントｃＭｐと、前記ベースプレートの隅角部が降伏する前記柱材に対する隅角部降伏モーメントＭ１と、同ベースプレートの辺部が降伏する前記柱材に対する辺部降伏モーメントＭ２と、前記アンカーボルトが降伏する前記柱材に対するアンカーボルト降伏モーメントＭ３との間に、ｃＭｐ≦Ｍ２＜Ｍ３（関係１）及びＭ１≦Ｍ２（関係２）が満足されるように、柱脚各部を設定するという技術手段を採用した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、８本以上のアンカーボルトを使用して略矩形状のベースプレートを介して固定する鉄骨用柱脚であれば、柱材の断面形状如何や、ベースプレートの具体的形状、例えば隅角部と辺部との板厚変化如何等に関わらずに適用が可能である。すなわち、略矩形状のベースプレートの隅角部のほかに、各辺部に１本以上のアンカーボルトを備え、隅角部のアンカーボルトと柱材との間の曲げモーメントに加えて、各辺部のアンカーボルトと柱材との間に曲げモーメントが作用する形態のものであれば有効に適用することができる。
【０００７】
８本以上のアンカーボルトを柱材の周囲に配設した柱脚に関する力学的特性を解明するために負荷実験を行った。図１はその実験方法を示した概略説明図、図２はその平面図である。図示のように、本実験では、柱材１を基礎コンクリート２に定着させたアンカーボルト３を用いて下方に設けた略矩形状のベースプレート４を締付けることにより基礎コンクリート２に対して固定し、その柱材１の適宜の高さに水平方向の外力Ｆを正負交番荷重として両側から繰返し付加することにより所定の正負曲げモーメントＭを加え、その時の全体変位δを変位計５によって検出するほか、図示しない他の適宜の検出手段によりアンカーボルト２やベースプレート４等の柱脚の各構成要素の変位や歪みを検出することにより各部の解析を行った。なお、図中、６は定着板である。そして、それらの柱材１の寸法や、ベースプレート４の材質及びその隅角部や辺部等の寸法、アンカーボルト３の材質や径の大きさ、本数などに関して、前述のｃＭｐ≦Ｍ2＜Ｍ3（関係１）及びＭ1≦Ｍ2（関係２）を満足する種々の形態を中心に実験を行った。図３はその実験結果に基づいて柱脚部の全体の変位を包絡線にて定性的に示したもので、本発明を適用した場合の柱脚部に対する曲げモーメントＭと全体変位δとの一般的な関係を実験的に得た特性図である。
【０００８】
さらに、前記実験に用いられた柱脚部に対して所定の曲げモーメントが付加された場合のアンカーボルト３やベースプレート４の隅角部や各辺部の挙動を詳細に解析して裏打ちするために他の実験も行った。図４はその実験方法を示した概略説明図である。図示のように、本実験では、中央の箱部７を中心に左右に柱材１をセットして、それらの別々のベースプレート４を前記箱部７を貫通したアンカーボルト３によって固定するとともに、両柱材１の下面の所定位置を適宜の支持部材８，９により支持し、さらにそれらの両柱材１の上方に配設した負荷部１０を介して双方の所定位置に所定の外力を付加することにより、それぞれの柱材１に対して一定の曲げモーメントＭを作用し得るように構成されている。また、前記箱部７やアンカーボルト３、ベースプレート４などの必要部位に変位計１１を配設するほか、それらの各アンカーボルト３の軸部やベースプレート４の各隅角部や各辺部などの必要部位の表面や底面に多数の歪みゲージを設置して、柱脚部に作用する曲げモーメントに基づく各部の挙動を克明に検出し得るように構成されている。そして、本実験装置により、柱脚部に作用する曲げモーメントＭを徐々に増やしながら各部の変位や歪みを検出してその挙動を観察すれば、ベースプレート４の隅角部が降伏する際の柱材１に対する曲げモーメントＭ、すなわち前記隅角部降伏モーメントＭ1、同ベースプレート４の辺部が降伏する際の柱材１に対する曲げモーメントＭ、すなわち前記辺部降伏モーメントＭ2、及びアンカーボルト３が降伏する際の柱材１に対する曲げモーメントＭ、すなわち前記アンカーボルト降伏モーメントＭ3を容易に知ることができる。なお、左右にセットされるそれぞれの柱脚に対して実験を並行的に進行できるので実験効率の倍加が可能である。
【０００９】
図５は、柱脚部に作用する曲げモーメントＭに対する全体の変位包絡線を示した図３に対して、同曲げモーメントに対するアンカーボルト３の引張歪みとベースプレート４の隅角部及び辺部の変位とを関連させて示した特性図である。図中、（ａ）は柱材を介して検出される柱脚部の全体変位、（ｂ）はアンカーボルト３の引張歪み、（ｃ）はベースプレート４の隅角部及び辺部の変位をそれぞれ示した特性図であり、縦軸の曲げモーメントに関しては共通の目盛を使用し、横軸に関しては（ｂ）及び（ｃ）を明瞭化から適宜拡大して示したものである。図中、Ｍ1はベースプレート４の隅角部が降伏を開始する際の柱材１に対する前記隅角部降伏モーメント、Ｍ2は同ベースプレート４の辺部が降伏を開始する際の柱材１に対する前記辺部降伏モーメント、Ｍ3はアンカーボルト３が降伏を開始する際の柱材１に対する前記アンカーボルト降伏モーメントであり、それぞれ図５の（ｂ）又は（ｃ）における剛性が変化する折れ点から選定したものである。図中の鎖線は柱材１の全塑性モーメントｃＭｐを示したものである。なお、以上の図５の特性図は前述の実験結果に基づいて作成したもので、各試験体の形態の変化に関わらず共通した特性であることが確認されている。また、この実験結果に基づく特性は、試験体の仕様及び材料の機械的性質に基づくＦＥＭ解析によってもほぼ一致することが確認されている。
【００１０】
以上の図５の特性図から次の点が判る。（１）ベースプレート４の隅角部が降伏を開始する前記隅角部降伏モーメントＭ1までは、それぞれの部材が弾性限界内にあるので、全体変位δは柱材１に作用する曲げモーメントＭに応じて直線的に変化する。すなわち、アンカーボルト３やベースプレート４の隅角部や辺部が弾性変形を起し、その結果として全体変位δが直線的に変化することになる。なお、この状態においては、曲げモーメントＭが比較的小さく、その曲げモーメントＭの内側に当るベースプレート４の隅角部や辺部を介して基礎コンクリート２に付加される圧縮作用も小さいことから基礎コンクリート２の圧壊はまだ問題とならない。（２）前記隅角部降伏モーメントＭ1から同ベースプレート４の辺部が降伏を開始する前記辺部降伏モーメントＭ2の間では、図５の（ｃ）に示したように、ベースプレート４の隅角部で降伏が開始して塑性変形が始ることから、全体変位δも増え特性線が少し水平方向に傾き、建築物の変位も多少大きくなる。この場合、アンカーボルト３は図５の（ｂ）から明かのように弾性限界内にあるので伸び量が小さく、ベースプレート４の隅角部や辺部の爪先立ち現象による圧縮作用は問題にならないとともに、ベースプレート４の隅角部が塑性変形を起すことから基礎コンクリート２の圧壊作用が軽減されることになる。（３）前記辺部降伏モーメントＭ2からアンカーボルト３が降伏を開始する前記アンカーボルト降伏モーメントＭ3の間では、図５の（ｃ）に示したように、ベースプレート４の隅角部に加えて辺部でも降伏が開始して塑性変形が始るので、全体変位δが更に増え、特性線も更に水平方向に傾き、建築物の変位も大きくなる。この場合にも、図５の（ｂ）から明かなように、アンカーボルト３は弾性限界内にあるので伸び量が小さく、ベースプレート４の隅角部や辺部の爪先立ち現象による圧縮作用は小さくて済むとともに、ベースプレート４の隅角部と辺部が塑性変形を起すことから基礎コンクリート２の圧壊現象の軽減が図られることになる。すなわち、ベースプレート４が剛ではなく、アンカーボルト３より先に降伏するので、ベースプレート４の隅角部や辺部の変形により基礎コンクリート２との接触面が増えて前記爪先立ち現象が緩和されることから、基礎コンクリート２の圧壊が軽減されることになる。なお、図５の（ａ）に示したように、前記アンカーボルト降伏モーメントＭ3を柱材１の全塑性モーメントｃＭｐの例えば１．２あるいは１．３倍以上に設定することにより保有耐力接合を採用すれば、地震等により柱脚部が先に降伏して建築物の崩壊が柱脚部から始るような事態は回避される。すなわち、柱材１が柱脚部より先に降伏することになるが、柱材１は降伏後の塑性変形能力が大きいとともに、アンカーボルトの降伏耐力も大きく設定されていることから、建築物としての崩壊が遅延され、避難するための時間的な余裕を確保することが可能になる。特に、梁の降伏耐力を柱材１の降伏耐力より更に小さく設定して梁降伏型に設計すれば、地震時の安全性を確保する上で更に有効である。
【００１１】
以上のように、本発明においては、ｃＭｐ≦Ｍ2＜Ｍ3という関係（１）及びＭ1≦Ｍ2という関係（２）を満足するように柱脚部を設定したので、ベースプレート４の隅角部や辺部の爪先立ちによる基礎コンクリート２の圧壊に基づく柱脚部の破壊が回避あるいは遅延されるとともに、保有耐力接合にすれば、アンカーボルト３は柱材１の降伏後も例えばその１．３倍まで降伏しないでもち、しかもその降伏後においても塑性変形能力に優れていることから、急激な柱脚部の破壊が回避される結果、建築物の崩壊を軽減できるとともに避難するための時間的な余裕を確保することが可能になる。
【００１２】
ところで、図１に示した実験において柱脚各部に作用する力関係は図６及び図７に示したようにモデル化することができる。すなわち、図６に示したように、柱脚部に曲げモーメントＭが作用すると、ベースプレート４の内側の隅角部や辺部が支点となって、外側及び中央部のアンカーボルト３に対してそれぞれ引張力Ｔ1及びＴ2が作用する。そして、その引張力Ｔ1及びＴ2の総和に等しい圧縮力Ｃがベースプレート４の内側の隅角部や辺部からなる支点部分の下方の基礎コンクリート２に対して作用することになる。ここで、圧縮力Ｃの作用点と外側のアンカーボルト３との間の応力間距離をＪとし、外側と中央部とのアンカーボルト３の相互間距離をａとすると、圧縮力Ｃの作用点を中心として、Ｍ＝Ｔ1・Ｊ＋Ｔ2・（Ｊ−ａ）の関係式が成立する。そして、この関係式は、Ｊ＝（Ｍ＋Ｔ2・ａ）／（Ｔ1＋Ｔ2）に変形できるので、曲げモーメントＭ、外側及び中央部のアンカーボルト３に作用する引張力Ｔ1及びＴ2、並びにそれらのアンカーボルト３の相互間距離ａを実測すれば、圧縮力Ｃの作用点と外側のアンカーボルト３との間の応力間距離Ｊを簡単に求めることができる。また、総引張力Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2であり、外側のアンカーボルト３に作用する引張力負担率をαとすると、α＝Ｔ1／Ｔ、すなわちα＝Ｔ1／（Ｔ1＋Ｔ2）により、それぞれのアンカーボルト３に対する引張力Ｔ1及びＴ2を実測することにより外側のアンカーボルトＴ1の総引張力Ｔに対する引張力負担率αを簡単に求めることができる。なお、以上ではアンカーボルトを８本使用した図１の例で説明したが、例えばアンカーボルトを１２本あるいは１６本有するタイプにおける最外列のアンカーボルトについての応力間距離Ｊや引張力負担率αに関しても同様に求めることができる。
【００１３】
次の表１は、実験体のアンカーボルト３の径や本数、ベースプレート４の寸法などを変えながら求めた実験結果を示したものである。
【表１】
0004004162.tif 000002
【００１４】
表１中、Ｊｅは前記手法を用いて実験的に求めた応力間距離であり、Ｊｂは最外列のアンカーボルト３相互間の距離を実測したものである。そして、それぞれのＪｅ／Ｊｂの値を参照すれば明かのようにほぼ１の値をとることから、両距離は、形態や曲げモーメントＭの変化に関わらずにほぼ同等の値をとることが確認されるので、Ｊｅを実大実験により求めなくとも、最外列のアンカーボルト３相互間の距離Ｊｂを実測して、その値を応力間距離Ｊとして設計に用いても格別の問題はない。同様に、αｅは前記手法を用いて実験的に求めた最外列のアンカーボルト３の引張力負担率であり、０．７１〜０．８の範囲の限られた値をとることから、例えば上限値の０．８あるいは平均値の０．７５を引張力負担率αとして設計に用いることが可能である。しかして、保有耐力接合を満足するために、前記柱材１の設計基準強度が例えば３．３ｔ／ｃｍ2のときは、アンカーボルト降伏モーメントＭ3を柱材１の全塑性モーメントｃＭｐの１．２倍以上に、２．４ｔ／ｃｍ2のときは１．３倍以上に設定し、前記引張力負担率αを例えば０．７５として、前記関係式を用いることにより、実大実験の手間をかけることなくアンカーボルト１３に作用する引張力を概算できるので、その必要断面積を簡便に算出することが可能である。
【００１５】
他方、柱脚部に作用する曲げモーメントに基づく前記ベースプレート４への作用に関しては、図７に示したようにモデル化して検討することが可能である。すなわち、同図に示したように、ベースプレート４の隅角部４ａと辺部４ｂに分けて、それぞれ対応するアンカーボルト３ａあるいは３ｂと、柱材１との接合部との間の張出し部を片持ち梁としてモデル化して検討することが可能である。なお、ここでは、ベースプレート４に作用する面外曲げに対して抵抗し得る有効な幅を、隅角部４ａに関してはアンカーボルト３ａから柱材１の隅角部に向って広がる有効角θの関数として表し、辺部４ｂにおけるアンカーボルト３ｂの引張力に対する有効幅ｂに関しては、柱材１の幅Ｂの関数として表すこととする。前述の実験により、隅角部のアンカーボルト３ａに対しては前記隅角部降伏モーメントＭ1時における引張力を求め、また辺部のアンカーボルト３ｂに対しては前記辺部降伏モーメントＭ2時における引張力を求めて、以下の式により有効幅を求めることができる。
【００１６】
【数１】
0004004162.tif 000003
【００１７】
次に、実験結果を基に求めたベースプレート４の隅角部４ａの有効角θ及び辺部４ｂの有効幅ｂを表２に示す。
【表２】
0004004162.tif 000004
【００１８】
以上の表２から次の点が判る。すなわち、（１）隅角部４ａの有効角θに関しては、アンカーボルト３の本数に関わらず６０度前後となる。（２）辺部４ｂの有効幅ｂに関しては、８本タイプでは１本のアンカーボルト３の引張力に対して０．４５Ｂ前後に、同様に１２本タイプでは０．６０Ｂ前後に、１６本タイプでは０．７５Ｂ前後になる。したがって、この結果を利用すれば、それぞれの降伏時における柱脚部に対する曲げモーメントＭから前述の関係式を用いて各アンカーボルト３に作用する引張力を求め、その値を基にして前記隅角部降伏モーメントＭ1及び前記辺部降伏モーメントＭ2を推定することができるので、実大実験を行わなくとも、条件に適うベースプレートを簡便に設計することが可能である。なお、以上の各実験結果等に関しても、ＦＥＭ解析の結果とほぼ一致することが確認されている。また、上述の関係式を用いたアンカーボルトやベースプレートの設計手法に関しては、前述の関係（１）及び（２）に関わらずに適用が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明においては、前述のようにｃＭｐ≦Ｍ2＜Ｍ3という関係（１）及びＭ1≦Ｍ2という関係（２）を満足するように柱脚部を設定したので、ベースプレートの隅角部や辺部の爪先立ちによる基礎コンクリートの圧壊によって生じる柱脚部の破壊が回避あるいは遅延され、急激な柱脚部の破壊が緩和されるので、建築物の崩壊が軽減されるとともに、避難するための時間的な余裕の確保を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実験方法を示した概略説明図である。
【図２】  図１の平面図である。
【図３】  本発明を適用した場合の柱脚部に対する曲げモーメントＭと柱脚部全体の変位δとの一般的な関係を実験的に求めた特性図である。
【図４】  実験方法を示した概略説明図である。
【図５】  柱脚部に作用する曲げモーメントＭに対する全体変位、アンカーボルトの引張歪み並びにベースプレートの隅角部及び辺部の変形を関連させて示した特性図である。
【図６】  柱脚の各部に作用する力関係をモデル化して解析するための説明図である。
【図７】  ベースプレートに作用する力関係をモデル化して解析するための説明図である。
【符号の説明】
１…柱材、２…基礎コンクリート、３…アンカーボルト、４…ベースプレート、５…変位計、６…定着板、７…箱部、８，９…支持部材、１０…負荷部、１１…変位計
【図１】
0004004162.tif 000005
【図２】
0004004162.tif 000006
【図３】
0004004162.tif 000007
【図４】
0004004162.tif 000008
【図５】
0004004162.tif 000009
【図６】
0004004162.tif 000010
【図７】
0004004162.tif 000011