柱脚ベースプレートの支圧シミュレーター

鉄骨造の建築物：鉄骨ラーメン構造のオフィスビル、工場、倉庫、店舗などでは、すべての鉄骨柱が柱脚ベースプレートを介して基礎に荷重を伝えます。建物の重さによる軸力に加えて、地震や風による水平力が柱脚に大きな曲げモーメントを与えるため、ベースプレートの寸法とアンカーボルトの配置は、核内・核外の判定を踏まえて決定されます。

露出柱脚と根巻き・埋込み柱脚：柱脚には、ベースプレートをそのまま基礎上に置く「露出柱脚」、柱脚をコンクリートで巻く「根巻き柱脚」、基礎に柱を埋め込む「埋込み柱脚」があります。本ツールが扱うのは最もシンプルな露出柱脚の支圧で、設計の出発点になります。曲げが大きく露出柱脚で支圧や浮上りが厳しい場合に、根巻きや埋込みへ計画を切り替える判断材料になります。

鉄骨架構の門型ラーメン・体育館：体育館や工場の大スパン門型ラーメンでは、柱脚に大きな曲げモーメントが生じやすく、核外（浮上り）になることが珍しくありません。この場合アンカーボルトの引張設計が支配的になり、ベースプレートを長くして核を広げる、あるいはアンカーボルトを増やすといった対策を、支圧応力とのバランスで検討します。

設備架台・鉄塔・看板柱：屋上の設備架台、独立した鉄塔、大型看板の柱なども、柱脚ベースプレートでアンカー固定されます。これらは軸力が小さく曲げが大きい――つまり偏心が大きく核外になりやすい――典型例で、アンカーボルトの引抜き耐力と支圧の両面からベースプレートを設計します。

まず多いのが、「ベースプレート下の支圧は常に一様だと思い込む」ことです。軸力だけなら確かに一様ですが、曲げモーメントが加わった瞬間に分布は傾きます。「軸力 ÷ 面積」の平均支圧だけ見ていると、実際にはその1.5〜2倍以上の最大支圧応力が片側の端に生じていることを見落とします。本ツールが示すように、設計で照査すべきは平均ではなく、必ず最大支圧応力 p_max です。曲げの向きが反転する地震荷重では、両端で交互に p_max が生じる点にも注意が必要です。

次に、「核外になっても直線分布の式をそのまま使ってしまう」こと。偏心が N/6 を超えると σ_min がマイナスになりますが、コンクリート支圧に引張は存在しません。マイナスの支圧をそのまま計算に残すと、最大支圧応力を過小評価し、危険側の設計になります。核外では必ず三角形分布の式 p_max=2P/(3B(N/2−e)) に切り替えること。本ツールはこの切り替えを自動で行いますが、手計算では見落としやすい最重要ポイントです。さらに偏心が N/2 に近づくと支圧域が消失し、式が破綻するため、その前にベースプレートの再設計が必要です。

最後に、「支圧さえ満たせばベースプレートは安全」だと考えること。本ツールが扱うのはコンクリート側の支圧応力です。しかしベースプレート自体は、支圧反力を受けて板として曲げられ、柱フランジから張り出した部分が曲げ降伏する恐れがあります。プレートの厚さは、この曲げに対して別途決めなければなりません。また核外で浮上る場合は、アンカーボルトの引張耐力、コーン破壊やコンクリートへの定着、ボルト周りの支圧も合わせて検討する必要があります。支圧の照査は柱脚設計の出発点であって、ゴールではありません。