JP2014139372A

JP2014139372A - 山形ラーメン構造物

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Publication number: JP2014139372A
Application number: JP2013008184A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yamamoto; 恭則山本
Original assignee: YAMAMOTO KOMUTEN CO Ltd
Current assignee: YAMAMOTO KOMUTEN CO Ltd
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: JP5301741B1; WO2014112202A1; US20150184380A1

Abstract

【課題】内部空間の大きな山形ラーメン構造物を提供する。
【解決手段】一対の支柱11,11それぞれの柱頭111,111から延ばした斜梁12,12を突き合わせて山形屋根を構成し、各柱頭111から下った支柱11上の点112と、前記各柱頭111から山形屋根の頂点125に向かった斜梁12上の点121とに方杖13を架設し、山形屋根の頂点125から降ろした圧縮材14の下端141と、方杖13を架設した斜梁12上の点121とに傾斜引張材15を架設してなる山形ラーメン構造物１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部空間を従来よりも大きくする改良された山形ラーメン構造物に関する。

大きな内部空間を構築する場合、通常、一対の支柱それぞれの柱頭から延ばした斜梁を突き合わせて山形屋根を構成し、前記斜梁間に水平引張り材を架設した山形ラーメン構造物が用いられる。山形ラーメン構造物は、支柱や斜梁に規格の大きな部材を用いて大型化し、内部空間を大きくすることもできる。しかし、規格の大きな部材はそれだけ材料コストを高くする。また、部材の規格を大きくしても、支柱の間隔（厳密には支柱の軸線の間隔）が大きくなりすぎれば前記支柱に掛かる応力が大きくなるし、斜梁に掛かる曲げモーメントも大きくなり過ぎて、山形ラーメン構造物を構築しにくい。

そこで、特許文献１は、一対の支柱それぞれの柱頭から延ばした斜梁を突き合わせて山形屋根を構成し、山形屋根の頂点から降ろした圧縮材の下端と、支柱の柱頭から山形屋根の頂点に向かった斜梁上の点とに傾斜引張材を架設した山形ラーメン構造物を開示する（特許文献１・請求項１）。特許文献１が開示する山形ラーメン構造物は、斜梁の曲げモーメントにより外向きへ引っ張られる傾斜引張材が圧縮材を持上げ、斜梁に発生させた逆モーメントにより前記曲げモーメントを相殺し、構造強度を向上させることにより（特許文献１・［0012］）、規格を抑えた部材で支柱や斜梁を構成でき、材料コストや施工コストを低減させている（特許文献１・［0039］）。

特開平08-189081号公報

特許文献１が開示する山形ラーメン構造物は、支柱の軸線の間隔（スパン）が60ｍまでの例を挙げている。しかし、支柱の軸線の間隔（スパン）が60ｍを超えると、特許文献１が開示する山形ラーメン構造物であっても、やはり規格の大きな部材を使わざるを得なくなり、支柱の軸線の間隔（スパン）が100ｍを超えると、支柱に掛かる応力が大きく、斜梁に掛かる曲げモーメントも大きくなり過ぎて、構築が難しくなる。山形ラーメン構造物は、支柱間に障害物がなく、連続した内部空間を形成できる点で優れていることから、支柱の軸線の間隔（スパン）が大きくなればなるほど、有用性が向上する。そこで、特許文献１が開示する山形ラーメン構造物より大きな内部空間を形成するため、検討した。

検討の結果開発したものが、一対の支柱それぞれの柱頭から延ばした斜梁を突き合わせて山形屋根を構成し、各柱頭から下った支柱上の点と、前記各柱頭から山形屋根の頂点に向かった斜梁上の点とに方杖を架設し、山形屋根の頂点から降ろした圧縮材の下端と、方杖を架設した斜梁上の点又は前記点から頂点に向かった斜梁上の点とに傾斜引張材を架設してなる山形ラーメン構造物である。圧縮材の下端は、方杖を架設する支柱上の点以上の高さとするとよい。斜梁や傾斜引張材は、左右非対称であってもよい。

支柱の軸線の間隔（スパン）が大きな山形ラーメン構造物は、斜梁に発生する曲げモーメントが大きくなる。本発明の山形ラーメン構造物は、斜梁を突き合わせた山形屋根の頂点の鉛直荷重を、圧縮材を介して傾斜引張材で受け、前記傾斜引張材端部の鉛直力を斜梁に伝える代わりに方杖が支柱に伝えることにより、斜梁の外端モーメント（斜梁の下端となる柱頭との連結点におけるモーメント）と中央モーメント（斜梁を突き合わせた山形屋根の頂点におけるモーメント）とを小さくする。これにより、本発明の山形ラーメン構造物は、特許文献１が開示する山形ラーメン構造物を超えて、支柱の軸線の間隔（スパン）を広げることができる。

支柱の軸線の間隔（スパン）を広げるため、方杖を架設する支柱上の点は、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った点（斜梁の厚みを考慮して前記交点が５ｍを少し超えて下ってもよい）であることが望ましい。同様に、方杖を架設する斜梁上の点は、支柱の軸線から水平距離で一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で柱頭から山形屋根の頂点に向かった点であることが望ましい。これにより、斜梁の外端モーメント（斜梁の下端となる柱頭との連結点におけるモーメント）と中央モーメント（斜梁を突き合わせた山形屋根の頂点におけるモーメント）とを小さくでき、支柱の軸線の間隔（スパン）を拡げることができる。

支柱の軸線の間隔（スパン）を広げると、斜梁が撓んだり、方杖の軸力が加わる支柱に曲げ応力が加わって前記支柱を水平変形させたりする可能性がある。そこで、支柱又は斜梁の一方又は双方は、トラス構造材として、支柱又は斜梁の剛性を向上させる。支柱又は斜梁の一方又は双方は、ビルドＨ型鋼を利用してもよい。しかし、トラス構造材は、前記ビルドＨ型鋼より低廉で、ビルドＨ型鋼と同程度の剛性を実現した場合、ビルドＨ型鋼より軽量である利点がある。トラス構造材は、例えば規格品であるＨ型鋼を主材（上弦材及び下弦材）やラチスに使用して構成できる。

本発明の山形ラーメン構造物は、特許文献１が開示する山形ラーメン構造物に比べて、より大きな内部空間を形成でき、山形ラーメン構造物としての有用性を高める。前記内部空間は、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った点と、支柱の軸線から水平距離で一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で柱頭から山形屋根の頂点に向かった点とを結ぶ方杖により、支柱の軸線の間隔（スパン）を広くすることで、大きくできる。また、支柱又は斜梁の一方又は双方をトラス構造材とすることにより、支柱や斜梁の剛性を高め、本発明の山形ラーメン構造物の支柱の軸線の間隔（スパン）を120ｍまで広げながら、材料コストや施工コストを低減させることができる。

本発明を適用した一例である山形ラーメン構造物の模式図である。本例の山形ラーメン構造物に用いるトラス構造の支柱及び斜梁を表す部分拡大図である。従来発明を適用した一例である山形ラーメン構造物の模式図である。基本的な山形ラーメン構造物の模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。本発明を適用して構成される山形ラーメン構造物１は、図１に見られるように、一対の支柱11,11それぞれの柱頭111,111から延ばした斜梁12,12を突き合わせて山形屋根を構成し、各柱頭111から下った支柱11上の点112と、前記各柱頭111から山形屋根の頂点125に向かった斜梁12上の点121とに方杖13を架設し、山形屋根の頂点125から降ろした圧縮材14の下端141と、方杖13を架設した斜梁12上の点121とに傾斜引張材15を架設して構成される。

本発明の山形ラーメン構造物１は、支柱の軸線113の間隔（スパン）Ｓが120ｍ、圧縮材14の下端141までの高さ（有効高さ）が20ｍ程度の内部空間を構成する大きさを想定している。これから、本発明は、前記大きさよりも小さな山形ラーメン構造物１、例えば支柱11の軸線113の間隔Ｓが80ｍで、有効高さが10ｍ程度のものにも適用できる。このように、支柱11の軸線113の間隔Ｓが小さくなったり、有効高さが低くなったりする場合、本発明を適用した山形ラーメン構造物は、使用する材料の規格を落とし、軽量化を図ることができる。

本発明の山形ラーメン構造物１は、長尺となる斜梁12が撓んだり、方杖13の軸力により支柱11が水平変形したりしないように、図２に見られるように、それぞれトラス構造にするとよい。トラス構造の支柱11は、例えば左右の主材となるＨ型鋼114,114の間に、ラチスとなるＨ型鋼115を斜めに架け渡して構成され、主材となるＨ型鋼114,114の中間線が支柱11の軸線113となる。また、トラス構造の斜梁12は、例えば上下の主材となるＨ型鋼123,123の間に、ラチスとなるＨ型鋼124を斜めに架け渡して構成され、主材となるＨ型鋼123,123の中間線が斜梁12の軸線122となる。

トラス構造の支柱11及び斜梁12は、規格品で入手が容易なＨ型鋼を用いて構成できるため、設計が容易で、低廉で製造できる利点がある。本例のトラス構造の支柱11及び斜梁12に代えて、ビルドＨ型鋼を利用することも考えられるが、いわゆる規格外品となる前記ビルドＨ型鋼を利用することは、材料コストを高くする問題がある。本発明の山形ラーメン構造物１は、斜梁の外端モーメントや中央モーメントを小さくして支柱11,11の軸線113,113の間隔Ｓを拡げる効果により、同じ間隔Ｓであれば従来同種の山形ラーメン構造物（例えば後掲図3参照）より規格を下げて、材料コストを低廉にできる利点がある。これから、材料コストを高くするビルドＨ型鋼より、トラス構造の支柱11及び斜梁12が好ましいことが分かる。

方杖13を架設する支柱上の点112は、上記支柱11の軸線113と斜梁12の軸線122との交点から５ｍ以下の範囲で設定されたΔＨ下った点である。ΔＨは、前記山形ラーメン構造物１としての有効高さ（圧縮材14の下端141の高さ）が、方杖13を架設する支柱上の点112より高くなるように設定している。また、方杖13を架設する斜梁12上の点121は、支柱11の軸線113から水平距離で一対の支柱11,11の軸線113,113の間隔Ｓの3/40〜4/40の範囲で設定されたΔＳで柱頭111から山形屋根の頂点125に向かった点である。本例は、方杖13を架設する斜梁12上の点121と、傾斜引張材15を架設する斜梁12上の点と一致させている。

本発明を適用した山形ラーメン構造物１（実施例１〜実施例３、図１参照）、従来発明（特許文献１（特開平08-189081号公報）記載の発明）を適用した山形ラーメン構造物２（比較例１〜比較例３、図３参照）、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３（比較例４〜比較例６図４参照）それぞれについて、それぞれの山形屋根に鉛直過重10kN/ｍを加えた場合における支柱11,21,31及び斜梁12,22,32における応力を数値計算し、比較した。

従来発明を適用した山形ラーメン構造物２は、一対の支柱21,21それぞれの柱頭211,211から延ばした斜梁22,22を突き合わせた山形屋根の頂点225から降ろした圧縮材24の下端241と、柱頭211から頂点225に向かった斜梁22上の点221とに傾斜引張材25を架設して構成される。また、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３は、一対の支柱31,31それぞれの柱頭311,311から延ばした斜梁32,32を突き合わせて山形屋根を構成する。

実施例１、比較例１及び比較例４は、間隔Ｓ＝120ｍで、支柱11,21,31の高さは25ｍ、山形屋根の頂点125,225,325の高さは34ｍで、実施例１及び比較例１に用いられる圧縮材14,24の下端141の高さ＝有効高さは20ｍとし、実施例１に用いられる方杖13の水平距離ΔＳは12ｍ、垂直距離ΔＨは５ｍとし、実施例1における圧縮材14の下端と、方杖13を架設する支柱11上の点112とを同じ高さとした。

実施例２、比較例２及び比較例４は、間隔Ｓ＝100ｍで、支柱11,21,31の高さは25ｍ、山形屋根の頂点125,225,325の高さは32.5ｍで、実施例２及び比較例２に用いられる圧縮材14,24の下端141の高さ＝有効高さは20ｍとし、実施例２に用いられる方杖13の水平距離ΔＳは10ｍ、垂直距離ΔＨは５ｍとし、実施例２における圧縮材14の下端と、方杖13を架設する支柱11上の点112とを同じ高さとした。

実施例３、比較例３及び比較例６は、間隔Ｓ＝80ｍで、支柱11,21,31の高さは25ｍ、山形屋根の頂点125,225,325の高さは31ｍで、実施例３及び比較例３に用いられる圧縮材14,24の下端141の高さ＝有効高さは20ｍとし、実施例３に用いられる方杖13の水平距離ΔＳは８ｍ、垂直距離ΔＨは５ｍとし、実施例３における圧縮材14の下端と、方杖13を架設する支柱11上の点112とを同じ高さとした。

計算結果を表１に示す。表１中、括弧内の数値は、比較例４〜比較例６（旧来の基本的な山形ラーメン構造物３）を基準（100％）とする実施例１〜実施例３又は比較例１〜比較例３の割合（パーセント表示）である。従来発明を適用した山形ラーメン構造物２も、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３に比べて支柱21や斜梁22に掛かるモーメントＭや軸力Ｎが小さくなっているが、本発明を適用した山形ラーメン構造物１は、前記モーメントＭや軸力Ｎが従来発明を適用した山形ラーメン構造物２同等又は更に小さくなっていることが分かる。これにより、本発明を利用すれば、広大な室内空間を形成する山形ラーメン構造物の構築できることが理解できる。

次に、表１の応力を前提に、実施例１〜実施例３及び比較例１〜比較例６の具体的な材料構成を選択し、山形ラーメン構造物１,２,３だけの鉄骨重量を比較した。比較のため、実施例１〜実施例3及び比較例１〜比較例６の支柱11,21,31及び斜梁12,22,32は、すべてＨ型鋼を組み合わせたトラス構造としている。実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、比較例４及び比較例５のトラス構造は、主材のウェブ間隔が3.0ｍ、実施例３、比較例３及び比較例６のトラス構造は、主材のウェブ間隔が2.0ｍである。また、実施例１〜実施例３、比較例４〜比較例６の方杖13、圧縮材14,24及び傾斜引張材15,25は、いずれも丸鋼管である。

表２から明らかなように、従来発明を適用した山形ラーメン構造物２は、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３に比べて、必要な鉄骨重量が92％（比較例１）、80％（比較例２）又は87％（比較例３）に抑えられ、８％〜20％ほど少なくて済むことが見て取れる。これは、支柱21,31及び斜梁22,32を同じトラス構造とした場合、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３に比べて材料コストを８％〜20％低減しながら、従来発明を適用した山形ラーメン構造物２を構築できることを意味する。

本発明を適用した山形ラーメン構造物１は、前記旧来の基本的な山形ラーメン構造物３に比べて、必要な鉄骨重量が76％（比較例１）、70％（比較例２）又は65％（比較例３）に抑えられ、24％〜35％ほど少なくて済むことが見て取れる。これは、支柱11,31及び斜梁12,32を同じトラス構造とした場合、旧来の基本的な山形ラーメン構造物３に比べて材料コストを24％〜35％低減しながら、本発明を適用した山形ラーメン構造物１を構築できることを意味する。

更に、本発明を適用した山形ラーメン構造物１は、従来発明を適用した山形ラーメン構造物２に比べても、必要な鉄骨重量が平均して15％ほど少なくて済むことが見て取れる。このように、本発明を適用した山形ラーメン構造物１は、従来発明や旧来に比べて、必要となる鉄骨重量が最も少なくて済み、それだけ材料コストを抑えて低廉に構築できる。これにより、本発明は山形ラーメン構造物１の室内空間を大きくしたり、同じ大きさの室内空間であれば従来より安価に山形ラーメン構造物１を構築したりできる効果のあることが分かる。

１山形ラーメン構造物
11 支柱
111 柱頭
112 支柱上の点
113 支柱の軸線
114 主材のＨ型鋼
115 ラチスのＨ型鋼
12 斜梁
121 斜梁上の点
122 斜梁の軸線
123 主材のＨ型鋼
124 ラチスのＨ型鋼
125 山形屋根の頂点
13 方杖
14 圧縮材
141 圧縮材の下端
15 傾斜引張材
２山形ラーメン構造物
21 支柱
211 柱頭
22 斜梁
221 斜梁上の点
225 山形屋根の頂点
24 圧縮材
241 圧縮材の下端
25 傾斜引張材
３山形ラーメン構造物
31 支柱
311 柱頭
32 斜梁
325 山形屋根の頂点
Ｓ支柱の軸線の間隔
ΔＳ支柱の軸線からの水平距離
ΔＨ支柱及び斜梁の軸線の交点からの垂直距離

検討の結果開発したものが、トラス構造である一対の支柱の軸線の間隔が80ｍ〜120ｍで、前記支柱それぞれの柱頭からトラス構造である斜梁を延ばして突き合わせた山形屋根を構成し、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った支柱上の点と、支柱の軸線からの水平距離が一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で前記各柱頭から山形屋根の頂点に向かった斜梁上の点とに方杖を架設し、山形屋根の頂点から降ろした圧縮材の下端と、方杖を架設した斜梁上の点又は前記点から頂点に向かった斜梁上の点とに傾斜引張材を架設してなる山形ラーメン構造物である。圧縮材の下端は、方杖を架設する支柱上の点以上の高さとするとよい。斜梁や傾斜引張材は、左右非対称であってもよい。

支柱の軸線の間隔（スパン）を広げるため、方杖を架設する支柱上の点は、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った点（斜梁の厚みを考慮して前記交点が５ｍを少し超えて下ってもよい）であり、方杖を架設する斜梁上の点は、支柱の軸線から水平距離で一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で柱頭から山形屋根の頂点に向かった点である。これにより、斜梁の外端モーメント（斜梁の下端となる柱頭との連結点におけるモーメント）と中央モーメント（斜梁を突き合わせた山形屋根の頂点におけるモーメント）とを小さくでき、支柱の軸線の間隔（スパン）を拡げることができる。

支柱の軸線の間隔（スパン）を広げると、斜梁が撓んだり、方杖の軸力が加わる支柱に曲げ応力が加わって前記支柱を水平変形させたりする可能性がある。そこで、支柱及び斜梁は、トラス構造として、支柱又は斜梁の剛性を向上させる。トラス構造は、ビルドＨ型鋼より低廉で、ビルドＨ型鋼と同程度の剛性を実現した場合、ビルドＨ型鋼より軽量である利点がある。トラス構造は、例えば規格品であるＨ型鋼を主材（上弦材及び下弦材）やラチスに使用して構成できる。

本発明の山形ラーメン構造物は、特許文献１が開示する山形ラーメン構造物に比べて、より大きな内部空間を形成でき、山形ラーメン構造物としての有用性を高める。前記内部空間は、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った点と、支柱の軸線から水平距離で一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で柱頭から山形屋根の頂点に向かった点とを結ぶ方杖により、支柱の軸線の間隔（スパン）を広くすることで、大きくできる。また、支柱及び斜梁をトラス構造とすることにより、支柱や斜梁の剛性を高め、本発明の山形ラーメン構造物の支柱の軸線の間隔（スパン）を120ｍまで広げながら、材料コストや施工コストを低減させることができる。

Claims

一対の支柱それぞれの柱頭から延ばした斜梁を突き合わせて山形屋根を構成し、
各柱頭から下った支柱上の点と、前記各柱頭から山形屋根の頂点に向かった斜梁上の点とに方杖を架設し、
山形屋根の頂点から降ろした圧縮材の下端と、方杖を架設した斜梁上の点又は前記点から頂点に向かった斜梁上の点とに傾斜引張材を架設してなる山形ラーメン構造物。
方杖を架設する支柱上の点は、支柱及び斜梁の軸線の交点から５ｍ以内で下った点である請求項１記載の山形ラーメン構造物。
方杖を架設する斜梁上の点は、支柱の軸線から水平距離で一対の支柱の軸線の間隔の3/40〜4/40で山形屋根の頂点に向かった点である請求項１又は２いずれか記載の山形ラーメン構造物。
支柱又は斜梁の一方又は双方は、トラス構造材である請求項１〜３いずれか記載の山形ラーメン構造物。