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ベースプレートとは?1分でわかる意味、鉄骨柱、基礎との関係、設計法

ベースプレートは、柱脚を構成する部材(プレート)の1つです。ベースプレートは、鉄骨柱、基礎に関係する大切な部材です。よって余裕をもった設計、強度計算が必要です。今回は、そんなベースプレートの意味、鉄骨柱や基礎との関係、強度計算法方法や厚さの決め方について説明します。※柱脚の詳細な説明は下記の記事を参考にしてください。

ベースプレートとは?意味、鉄骨柱、基礎との関係

下図をみてください。これは、露出柱脚と呼ばれる形式です。露出柱脚は下記の記事が参考になります。

露出柱脚

ベースプレートは、上図のオレンジ色で示す鋼板です。ベースプレートは、鉄骨柱と溶接し一体化されます。ベースプレート無しでは、鉄骨部材とRC部材を接合することができません。


ベースプレートは、上部構造(鉄骨造)と下部構造(基礎)とを繋げる橋渡しの役割をしています。上部構造からの応力を、ベースプレートを介して基礎構造へ伝達します。


また、アンカーボルトを基礎あるいは基礎梁へ定着することで、力が伝わります。アンカーボルトについては下記の記事が参考になります。

アンカーボルトは何のためにある?効果と役割について

ベースプレートが無ければ、鉄骨柱とコンクリート部材が一体化されません(アンカーボルトを取り付けられない)。ベースプレートには、大きな意味があるわけです。

ベースプレートの施工の流れ

下記に、柱脚部の接合の概略を示しました。


・ベースプレートにはあらかじめ、アンカーボルトを差し込む孔を開けておく。

・鉄骨柱とベースプレートを溶接して接合する。

・基礎又は基礎梁に、接合された柱とベースプレート、アンカーボルトを差し込む。

・一体化するようにコンクリートを流し込む。


このように、鉄骨柱とベースプレート、アンカーボルト、基礎又は基礎梁が一体化されます。

ベースプレートの設計と強度計算

下図をみてください。2つめの図は、柱脚を上から見ています。柱に地震力が作用したとき、柱脚には曲げモーメント、せん断力、軸力が作用します。

ベースプレート 断面図

このとき、アンカーボルトには引張力が作用します。また、コンクリート部分からの反力を受けて、ベースプレートを曲げようとする力も働きます。ベースプレートは、これらの力に対して安全性を検証します。整理すると下記です。

・アンカーボルトの引張力による曲げモーメントが、ベースプレートの板厚でOKか?

・基礎柱から受ける反力による応力(曲げモーメント)が、ベースプレートの板厚でOKか?

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引張力の算出方法、基礎柱から受ける反力の計算は別の機会に説明するので、今回は省略します。


アンカーボルトに引張力が作用すると、ベースプレートはどうなりますか?図を見ながら、考えてください。ベースプレートが、曲げられるイメージが湧きませんか?そのイメージは正しいです。


この「曲げモーメント」に対して、ベースプレートの厚みが問題ないか設計を行うのです。仮に、アンカーボルトに作用する引張力をNとします。ベースプレートと柱は溶接されるので、柱面まで力が伝達できればOKです。下図のモデルを考えます。

ベースプレートの計算方法

ベースプレートを片持ち梁と考えます。梁せいを板厚、幅は上図のように青線範囲とします(アンカーボルトから柱面までの距離をaとしたとき、2aを有効幅とする)。曲げモーメントは下式です。

Mは引張力による曲げモーメント、Pは引張力、Lはアンカーボルト芯から柱面までの距離、応力度は下式で計算します。

σは応力度、Mは曲げモーメント、Zは断面係数です。Zは下式より計算します。

Zは断面係数、Bは有効幅(=2a)、tは板厚です。


詳細は、下記の記事が参考になります。

断面係数とは

なお、前述の式は存在応力によるベースプレートの計算です。存在応力が小さいと、ベースプレートの応力度も小さくなります。しかし、ベースプレートはアンカーボルトよりも先に破断しないよう設計します。よって、引張力Pを下式のように、アンカーボルトの全強とします。

Pはアンカーボルトの引張力、ftは許容引張応力度、Aは断面積です。この応力に対してベースプレートがOKならば、アンカーボルトより先に壊れることはありませんね。

ベースプレートの板厚

ベースプレートの板厚は、前述した計算方法で決めます。ベースプレートは柱と溶接するため、薄い板厚は使いません。主要な柱であれば最低でも、

とします。

まとめ

今回はベースプレートについて説明しました。ベースプレートの重要性が分かっていただけたと思います。鉄骨造は柱や梁の部材よりも、接合部の設計に気を使います。しっかり覚えておきましょう。

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