JP2022144489A

JP2022144489A - 屋根支持構造

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Publication number: JP2022144489A
Application number: JP2021045530A
Authority: JP
Inventors: 公男斎藤; Kimio Saito
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-10-03

Abstract

【課題】広い内部空間、中央開口を確保でき、施工も簡易に行える軽量な屋根支持構造を提供する。【解決手段】略円形状をなすように構築された躯体構造２上に、柱４０を介して外縁近傍が支持され、略円形中心に関して放射状に配列された上弦梁１１と、上弦梁１１の内縁近傍で、リング状に上弦梁１１間を連結する上弦リング２１と、上弦梁１１の面内において垂下され、上弦梁１１を支持する束材２３と、束材２３の下端を、リング状に連結するリングケーブル２４とを有する中央リング２０と、上弦梁１１の梁スパンの中間位置で垂下され、上弦梁１１を支持する束材３１を、上弦梁１１の面内で下方から支持する張弦ケーブル３２を有する張弦梁と、柱４０の前後位置に張設されたステイケーブル４５，４７とを備え、上弦梁１１の上面に展張された屋根膜材５を支持する。【選択図】図１

Description

本発明は屋根支持構造に係り、スタジアム等の大規模構造の屋根として、中央開口を有する円環状等をなす屋根構造を支持するための、多段の張弦梁が放射状に架設された車輪型構造からなる屋根支持構造に関する。

従来、車輪型構造は、主にドーム形状をした軽量の膜屋根等の屋根構造の支持形式として用いられてきている。支持対象が軽量屋根の場合には、構造部材には上弦リング、下弦リング、及び放射部材の上弦、下弦とも構造用ケーブルが使用されることが多い。この車輪型構造の類型として、屋根部材を金属板とした車輪型の吊り屋根構造が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された吊り屋根構造では、上弦梁部材として細長尺の金属板等が、下弦部材として構造用ケーブルが用いられ、梁スパン中間位置に、複数本の中間束材が配置されている。一方、本願の発明者は、屋根自重が重くなるような大スパンのドーム形状屋根に対応するために、多段の張弦梁構造からなる屋根支持構造を開発している。

特開平６－１４６４１３号公報特開平７－２５９１８７号公報

上弦リング、下弦リング、及び放射部材の上弦、下弦ともに構造用ケーブルが用いられる一般的な車輪型構造屋根の場合、使用される屋根部材によっては面外荷重作用時の変形が大きくなり、構造用ケーブルの張力が極端に減じられる部位が生じるおそれがある。屋根を支持する主ケーブルの張力が消失すると、屋根構造全体が不安定となり、屋根の剛性が著しく低下するという問題がある。このため、ケーブル設置時に、十分な初期張力を導入する必要があり、ケーブル径、本数の増大等による施工の複雑さ、コストの増大が問題となる。

特許文献１に開示された吊り屋根構造では、金属板そのものが緊張状態にあり、膜屋根の場合には適さないという問題がある。

特許文献２に開示された張弦梁構造では、大口径のドーム形状屋根のドーム中央部に圧縮リングが設けられ、この圧縮リングに各上弦梁の梁端が集束し、さらにドーム中央部を跨ぐように各下弦ケーブルが架設された２段の張弦梁が放射状に設けられている。このようにドーム中央部に張弦梁の束材が配置されているため、ドーム中央部に開口を確保することができない。たとえば陸上競技場（スタジアム）等のように、トラック部分に囲まれたフィールド部分の上方に中央開口を備えるような設計の車輪型構造屋の支持構造としては適さない。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、軽量な屋根支持構造であって、広い内部空間、中央開口を確保でき、施工も簡易に行えるようにした屋根支持構造を提供することにある。

本発明の屋根支持構造は、略円形状をなすように構築された躯体構造上に、柱部材を介して外縁近傍が支持され、略円形中心に関して放射状に配列された上弦梁と、前記上弦梁部材の内縁近傍で、前記略円形と同心のリング状に前記上弦梁部材間を連結する上弦リング部材と、前記上弦梁部材の面内において垂下され、前記上弦梁部材を支持する第１の束材と、前記第１の束材の下端を、前記略円形と同心のリング状に連結する下弦リング部材とを有する中央リング部と、前記上弦梁部材の梁スパンの中間位置で垂下され、前記上弦梁部材を支持する第２の束材を、前記上弦梁部材の面内で下方から支持する張弦ケーブルを有する張弦梁部と、前記上弦梁部材を支持する前記柱体の前後位置に張設されたステイケーブルとを備え、前記上弦梁部材の上面に展張された屋根膜材を支持することを特徴とする。

前記上弦リング部材は、前記略円形と同心の２重のリング状をなす内側リング部材と外側リング部材とからなることが好ましい。

前記第１の束材は、前記上弦梁部材に前記外側リング部材が連結された位置近傍から垂下されたことが好ましい。

前記柱部材は、下部柱と、前記下部柱上端から分岐した斜柱とからなる組立柱体で、隣り合う前記上弦梁部材間の前記躯体構造に立設され、前記斜柱で隣り合う前記上弦梁部材からの荷重を分担して支持することが好ましい。

前記ステイケーブルは、フロントステイケーブルとバックステイケーブルとからなり、前記フロントステイケーブルは、前記上弦梁部材に作用する吹上荷重に抵抗可能で、前記バックステイケーブルは、前記上弦梁部材および付帯する部材の自重、前記屋根膜材に作用する下向き荷重に抵抗可能に張設されたことが好ましい。

前記屋根膜材は、四フッ化エチレン樹脂コーティングガラス繊維織布からなることが好ましい。

前記屋根膜材は、隣り合う前記上弦梁部材間に張設された押さえケーブルで膜面が保形されたことが好ましい。

本発明によれば、車輪構造、張弦梁構造、及び耐風ケーブルを複合的に機能させることにより、従来の鉄骨構造による屋根支持構造に比べ、軽量な構造にでき、また従来の車輪型等のケーブル構造に比べ、ケーブルの初期張力を低く抑えることができることにより軽快な内部空間、中央開口を確保するための設計ディテールが得られ、施工も簡易化できるという効果を奏する。

本発明の屋根支持構造の一実施形態の全体構造と、一部の構造部材とを示した斜視図（ａ）、側断面図（ｂ）。図１に示した屋根支持構造のメインフレームと、メインフレームを面内で支持する構造部材の配置例を示した部分側面図。図２に示した構造部材の平面配置例を示した部分平面図。図１（ａ）に示した屋根支持構造の一実施形態において、膜屋根が展張された状態を模式的に示した斜視図。

以下、本発明の屋根支持構造の一実施形態の構成について、添付図面を参照して説明する。

［屋根支持構造の全体構成］
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の屋根支持構造の一実施形態として、中央開口が設けられた円環状の屋根１を有するスタジアムに適用した全体構造を示している。本実施形態の屋根支持構造１０は、放射状構造部材と円周方向（フープ方向）構造部材を組み合わせてなる、屋根１全体の外径が約１８０ｍ、円形の中央開口３の直径が約８４ｍの、円環状の車輪型構造の屋根１を支持する構造で、鉄筋コンクリート躯体構造２上に構築され、その上面全体が適当な屋根部材で覆われてスタジアム等の建築物とされる。構造部材としては、各種サイズの鉄骨フレームまたは構造用ケーブルがそれぞれの機能を十分発揮できるように選択され、配置されている。

図２は、放射状に配列された鉄骨造の上弦メインフレーム１１と、上弦メインフレーム１１を支持する各種の構造部材を示している。同図において、上弦メインフレーム１１と同一面内に配置された面内構造部材は実線で、上弦メインフレーム１１に端部が定着ないし固定されているが、面外に位置する構造部材（柱部材４０、フロントステイケーブル４５、バックステイケーブル４７、押さえケーブル４９（各構成は後述する。））は２点鎖線で示されている。図３は、上弦メインフレーム１１の平面連結状態の一例として、５本の上弦メインフレーム１１間を連結する各連結部材、上弦メインフレーム１１を躯体構造２上で支持する柱部材４０の平面構成を模式的に示している。

［上弦メインフレームの構成］
上弦メインフレーム１１は、図１（ａ）、（ｂ）に示したように、本実施形態の車輪型構造の屋根支持構造１０の主構造部材である上弦梁を構成する。本実施形態では、４８本の上弦メインフレーム１１が、直径１８０ｍの仮想円の中心Ｃから半径４２ｍだけ離れて、仮想円の中心Ｃに関して放射状に、７．５°の角度間隔で円環状をなして後述する柱部材４０によって躯体構造２上に支持され、展張される屋根膜材５の支持部材として機能する。本実施形態では、長さ４８ｍのＨ形鋼（Ｈ－５００×５００）が用いられているが、所望の梁長における曲げ剛性、強度を有すれば、角形鋼管、円形鋼管、特殊断面を有する組立鋼材等を使用してもよい。

［中央リングの構成］
本発明では、車輪型構造の張弦梁の中央リング２０の上弦部材は、直径の異なる同心の２重の内側リング２１、外側リング２２から構成されている（図１，図２，図３）。この中央リング２０を構成する各部材は、図１，図３に示したように、放射状に配列された上弦メインフレーム１１間を円周方向に連結してリングを構成するように配置されている。内側リング２１、外側リング２２の上弦側の各部材として円形鋼管（φ５００ｍｍ）が用いられている。外側リング２２の上弦メインフレーム１１への連結位置にはリング束材２３が垂下されている。リング束材２３の下端には、図２に示したように、リング束材２３の下端を下方から支持するために、リング状をなす下弦部材としてのリングケーブル２４が張設されている。その他の構造部材として、ダイアゴナルケーブル２５が、リング束材２３の面内保持のために、リング束材２３の下端から上弦メインフレーム１１の後方の中間束材３１（後述する。）の上端位置に向けて張設されている。さらに、リング束材の下端と上弦メインフレーム１１とを斜めにつなぐ２本の補剛ブレース２６，２７が上弦メインフレーム１１の中央リング２０位置および中央開口３側への張り出し部分を補剛するために取り付けられている。

［張弦梁構造の構成］
本発明では、上弦メインフレーム１１の梁長手方向の中間位置の構造的安定を図るために、張弦梁構造３０が採用されている。本実施形態の張弦梁構造３０は、図２に示したように、中間束柱３１と、中間束柱３１を支持する張弦ケーブル３２とから構成されている。張弦ケーブル３２は、上弦メインフレーム１１のリング束材２３の上端近傍を一方の定着支点とし、上弦メインフレーム１１を支持する柱部材４０の上部斜柱４２の上端近傍を他方の定着支点とし、上弦メインフレーム１１の両支点間のスパンのほぼ中間位置に設けられた中間束材３１の下端を下方から支持するように張設されている。このように、張弦梁構造３０を、放射状に配列されたすべての上弦メインフレーム１１に配置することで、上弦メインフレーム１１を構造的に安定させるとともに、使用部材サイズを低減することができる。この張弦ケーブル３２と合わせて張弦梁構造３０の面内剛性を保持するために、下弦放射状ケーブル３３がリング束材２３の下端と中間束材３１の下端とを連結するように張設されている。なお、張弦梁構造は重量構造には適するが、軽量構造の場合、吹上荷重への抵抗が課題となる。このため、本発明ではフロントステイケーブル４５（後述する。）を併用することで、この点を解決している。

［柱部材の構成］
１本の上弦メインフレーム１１を支持する柱部材４０の構成について、図２、図３を参照して説明する。上弦メインフレーム１１は、中央開口３側がわずかに高くなる緩い傾斜勾配をなして外縁部側が躯体構造２上に立設された柱部材４０としての組立柱体４０（以下、柱部材４０と同様に符号４０を付す。）に支持されている。この組立柱体４０は、図２，図３に示すように、根元部が躯体構造２の天端に堅固に支持された下部円柱４１と、下部円柱４１の上端に側面視してＹ字形（図２）、平面視してＸ字形（図３）をなすように分岐した形状で４本の上部斜柱４２とからなる鋼管組立部材である。組立柱体４０は、図３に示したように、２本の上弦メインフレーム１１の中間位置の躯体構造２上に立設され、４本の上部斜柱４２のうちの２本の上部斜柱４２で１本の上弦メインフレーム１１を支持する。このとき隣接する組立柱体４０の２本の上部斜柱４２にも荷重分担されて上弦メインフレーム１１は支持されている。本実施形態では下部円柱４１としてφ６００ｍｍの円形鋼管が、４本の上部斜柱４２としてそれぞれφ３００ｍｍの円形鋼管が用いられている。

［ステイケーブルの構成］
上弦メインフレーム１１は、梁全長の外縁部と、外縁部から全長の約１／４だけ離れた点の２点で上部斜柱４２で支持され、全長の約３／４が中央側に張り出した片持ち梁構造となっている。そこで、本発明では、上弦メインフレーム１１の支持状態の安定を確保するために、上弦メインフレーム１１の組立柱体４０による支持位置の前後にフロントステイケーブル４５とバックステイケーブル４７が張設されている。

フロントステイケーブル４５は、図２に示したように、上部ケーブル４５Ｕと下部ケーブル４５Ｌとからなる。上部ケーブル４５Ｕは側面視してＹ字形（図２）、平面視してＸ字形（図３）をなした４本の分岐したケーブルからなり、各上端は、隣接した２本の上弦メインフレーム１１の中間束柱３１、対応する上部斜柱４２の各上端にそれぞれ定着されている。４本の上部ケーブル４５Ｕが束ねられた状態の１本の下部ケーブル４５Ｌは、下端が躯体構造２の斜部２Ａ（座席側面）に定着されている。このフロントステイケーブル４５は耐風ケーブルとしての役割も果たし、屋根膜材５が上弦メインフレーム１１上に展張された後、屋根１の膜面に作用する吹上荷重に対抗することができる。

バックステイケーブル４７は、上端が上弦メインフレーム１１の外縁部に定着され、下方に向けて張設され、テンションロッド４８を経由させて所定の張力が保持されて方向変換され、下端が躯体構造２の背面壁２Ｂ（図２）の所定位置に定着されている。バックステイケーブル４７は、上弦メインフレーム１１が屋根構造の各構造部材の自重、屋根全体に作用する積雪荷重、吹き下げの風荷重等に対して抵抗する際にも有効に機能する。

［屋根材の構成］
本実施形態では、屋根構造の軽量化を図るために、屋根材として、図４に示したような屋根膜材５が採用されている。屋根材を屋根膜材５とすることにより、放射部材間に押さえケーブル４９（後述する。）のみでスパンをとばすことができ、骨組のない広い膜面が明るく開放的な内部空間を生み出す。屋根膜材５としては、耐久性、耐汚染性、透光性等に優れた四フッ化エチレン樹脂コーティングガラス繊維織布が好適である。

本実施形態の膜屋根構造では、図２、図４に示したように、上弦メインフレーム１１上に屋根膜材５が展張された後、隣接した上弦メインフレーム１１間の膜面上に押さえケーブル４９（ヴァレーケーブル）が張設され、隣接した上弦メインフレーム１１間の屋根膜材５の中央をＶ字形状に押さえて膜面を保形するようになっている。屋根膜材５の他の支持方法として、放射状に配置された上弦メインフレーム１１に直交する複数本のアーチフレーム（図示せず）をフレームの長手方向に沿って所定間隔で配列することで屋根膜材を下方から支持するとともに、このときフレーム形状に倣って膜面を所定形状に保形することも可能である。

本発明の屋根支持構造１０の耐荷重に照らして、膜材以外の屋根材として、たとえば金属パネル、合成樹脂パネル等を使用することができることは言うまでもない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１屋根
２躯体構造
３中央開口
５屋根膜材
１０屋根支持構造
１１上弦メインフレーム（上弦梁）
２０中央リング
２１内側リング
２２外側リング
２３リング束材
２４リングケーブル
２５ダイアゴナルケーブル
３０張弦梁構造
３１中間束柱
３２張弦ケーブル
３３下弦放射状ケーブル
４０柱部材（組立柱体）
４１下部円柱
４２上部斜柱
４５フロントステイケーブル
４７バックステイケーブル

Claims

略円形状をなすように構築された躯体構造上に、柱部材を介して外縁近傍が支持され、略円形中心に関して放射状に配列された上弦梁と、
前記上弦梁部材の内縁近傍で、前記略円形と同心のリング状に前記上弦梁部材間を連結する上弦リング部材と、前記上弦梁部材の面内において垂下され、前記上弦梁部材を支持する第１の束材と、前記第１の束材の下端を、前記略円形と同心のリング状に連結する下弦リング部材とを有する中央リング部と、
前記上弦梁部材の梁スパンの中間位置で垂下され、前記上弦梁部材を支持する第２の束材を、前記上弦梁部材の面内で下方から支持する張弦ケーブルを有する張弦梁部と、
前記上弦梁部材を支持する前記柱体の前後位置に張設されたステイケーブルとを備え、
前記上弦梁部材の上面に展張された屋根膜材を支持することを特徴とする屋根支持構造。
前記上弦リング部材は、前記略円形と同心の２重のリング状をなす内側リング部材と外側リング部材とからなる請求項１に記載の屋根支持構造。
前記第１の束材は、前記上弦梁部材に前記外側リング部材が連結された位置近傍から垂下された請求項２に記載の屋根支持構造。
前記柱部材は、下部柱と、前記下部柱上端から分岐した斜柱とからなる組立柱体で、隣り合う前記上弦梁部材間の前記躯体構造に立設され、前記斜柱で隣り合う前記上弦梁部材からの荷重を分担して支持する請求項１に記載の屋根支持構造。
前記ステイケーブルは、フロントステイケーブルとバックステイケーブルとからなり、前記フロントステイケーブルは、前記上弦梁部材に作用する吹上荷重に抵抗可能で、前記バックステイケーブルは、前記上弦梁部材および付帯する部材の自重、前記屋根膜材に作用する下向き荷重に抵抗可能に張設された請求項１に記載の屋根支持構造。
前記屋根膜材は、四フッ化エチレン樹脂コーティングガラス繊維織布からなる請求項１に記載の屋根支持構造。
前記屋根膜材は、隣り合う前記上弦梁部材間に張設された押さえケーブルで膜面が保形された請求項１または請求項６に記載の屋根支持構造。