JP2010059761A

JP2010059761A - 極超高層構造物

Info

Publication number: JP2010059761A
Application number: JP2008256824A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Endo; 達也遠藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】超高層構造物は、その構造重量に加え内部に搭載される全ての物体の重量による圧縮応力に耐えられる材料である必要がある。構造材料の耐力（許容圧縮応力）は有限であることから、現在の一般的な構造により実現できる超高層構造物の高さは制限される。本発明は、現在の構造では不可能とされる高さを実現する構造物を提供する。
【解決手段】本発明では荷重を伝達する手段として、従来のトラス構造やモノコック構造などの軽量構造に加え、気体による圧力伝達を行う。この気体の圧力を保持するための膜面構造と膜面の内圧を安定的に保持するための設備、これらの機構が従来の軽量構造と一体化した極超高層構造物。
【選択図】図１

Description

本発明は超高層建築物または建造物、軌道エレベータ（タワー）に関する

「ポピュラーサイエンス軌道エレベータ −宇宙へ架ける橋−」，石原藤夫・金子隆一共著，裳華房（１９９７）「Ｔｈｅｓｐａｃｅｅｌｅｖａｔｏｒ：ｇｏｉｎｇｄｏｗｎ？」ＮａｔｕｒｅＷｅｂＮｅｗｓ５／２２，２００６，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ／ｎｅｗｓ／２００６／０６０５２２／ｆｕｌｌ／ｎｅｗｓ０６０５２２−１．ｈｔｍｌ

軌道エレベータ（軌道タワー）などのロケットに拠らず構造物によって宇宙へアクセスするための手法について、米国を中心に研究が進められている。この構造物は、軌道上から構築する手法が提案されているが、その構造重量に掛かる重力に起因する引っ張り応力に耐えられる構造材料が提供されていない。

一方で、地上から直接軌道高度に到達するための超高層構造物は、その構造重量による圧縮応力に耐えられる材料である必要があり、実現できる高さは制限される。

本発明はこれまでの構造では実現できない高さの、極超高層構造物を提供する。理論的には衛星軌道の高さを持つ構造にも適用可能である。

構造物に掛かる力は設備や搬入される荷物などの加重、風による空気力や地震などの「外力」と構造物の構造重量による「内力」に２分される。

極超高層構造物では、この「内力」が「外力」に対して数１０倍〜数１００倍以上も大きく、構造計算を行う際の支配的な力となる。ところが、この内力は重力によるものであることから、その方向は一定で地球の中心方向である。よって、この課題を解決するための手段では、この「内力」を地面まで伝達する手段を考えれば良いことになる。

本発明ではこの加重を伝達する手段として、従来のトラス構造やモノコック構造などの軽量構造に加え、気体による圧力伝達を行う。この気体の圧力を保持するための膜面構造と圧力を安定的に保持するための機構、及び従来の軽量構造を一体化した構造を提供する。

現在実用化されている、最も軽量な材料を用いた、単一の材料による中実な構造を仮定するとき、構造重量は、材料の体積と材料の比重に比例する。また、任意の高さでの構造に掛かる自重による最大の内部応力は、その高さより上部の構造重量を高さ方向と直行する断面積で除した値となる。

材料の比重は一定であるため、内部応力の上昇を抑えるためには、上部構造の重量を支える断面積を徐々に大きくすることにより、理論的には実現可能である。しかしながらこの手法では、莫大な構造材料を必要とするため、現実的ではない。

本発明では、上部構造の構造重量を伝達する物質として、構造材ではなく気体としている。構造材は主に外力による動的な加重を分担する。

気体は単体では圧力を保持することはできないので、膜面などにより圧力を保持する必要がある。

膜面材等の気体の圧力を保持するための構造・設備の重量を含めて、気体が下部構造に静的な加重を伝達する。

材料としての気体は、コストを必要とせず、大量に利用できる。さらに、気体の比重は一般の構造材料に比べ極端に小さい。（空気はアルミの約１／２６００程度）また、体積に応じて周りの大気の密度分は浮力として重力方向の加重が軽減されるので、構造の断面積は構造重量を支える気体の重量には殆ど影響されず、外力を支えるための構造と圧力を保持するための構造重量のみに依存する。これは、構造重量による自重に比べると非常に小さな力である。よって、構造部材も少なく、材料の確保の点からも経済的にも実現可能となる。

空気外力が最も大きな動的な外力となる。大気は気象条件にもよるが、高度２０ｋｍ〜４０ｋｍ程度までを想定すれば良いと考えられる。

一般に高層建築では、地震や風による動的な外力に対して、構造に柔軟性を持たせることにより負荷を軽減する方式を採用している。

本発明でも、構造に柔軟性を持ち軽量となるトラス構造を採用することが効率的である。但し、長大な柱状の構造物となることから、柔軟性による構造の変位は非常に大きくなることに注意して設計する必要がある。

外側と内側を円筒状の２重の独立とした構造とすることにより、外側が空気力により、大きな動揺を起こす場合においても、内側は空力外力が遮断されているため、内側構造の変位は抑制される。内側と外側の間隔は、推定される最大外力による変位を考慮して設計される。（図１）

気体に圧力を伝達するための構造は多数のセルからなる膜構造を採用することが軽量化の観点と耐故障性の観点から最良となる。（図２）

また、この多数のセルの圧力維持と、膜構造の単一破断などに対処するために、各膜には圧力センサを配置し、適切な間隔で圧力ポンプを配置する。

圧力ポンプの駆動は構造の外周に設けた薄膜太陽電池により行う。

構造の外側では紫外線や宇宙線による構造材や膜材の劣化を抑えるために、アルミ蒸着したカプトン薄膜などの耐宇宙環境に実績のある膜面材を利用する。

ロケットの射場、災害監視塔、灯台・電波塔・各種通信施設

本発明を用いた構造の詳細図。構造の基本構成及びその組み合わせによる全体の概要図本発明を用いた構造を二重とした場合の適用例。

Claims

主に、風による空気力や構造重量以外の設備や搭載物、ペイロードの重量による荷重の一部または全部、あるいは膜構造との接続部で発生するの正または負の荷重を支えるためのトラス構造とトラス構造の構造重量と設備や搭載物、ペイロードの重量による加重の一部または全部を支えるための膜構造を持つ「極超高層構造物」
主に、風による空気力や構造重量以外の設備や搭載物、ペイロードの重量による荷重の一部または全部、あるいは膜構造との接続部で発生するの正または負の荷重を支えるためのシェル構造とシェル構造の構造重量と設備や搭載物、ペイロードの重量による加重の一部または全部を支えるための膜構造を持つ「極超高層構造物」
主に、風による空気力や構造重量以外の設備や搭載物、ペイロードの重量による荷重の一部または全部、あるいは膜構造との接続部で発生するの正または負の荷重を支えるためのモノコック構造（或いはセミモノコック構造）とモノコック構造（或いはセミモノコック構造）の構造重量と設備や搭載物、ペイロードの重量による加重の一部または全部を支えるための膜構造を持つ「極超高層構造物」
「極超高層構造物」に適用する膜構造を複数の膜構造にて実現する膜構造と各膜構造の内圧を独立に制御できる膜を持つ［請求項１］から［請求項３］記載の「極超高層構造物」
「極超高層構造物」の階層を増すための流体を用いた接続手法
「極超高層構造物」の外側にやや低層の「極超高層構造物」を配置することにより内側の「極超高層構造物」への空気力を低減させる構造