JP2023023583A

JP2023023583A - ドーム構造

Info

Publication number: JP2023023583A
Application number: JP2021129231A
Authority: JP
Inventors: 暢之小田島; Nobuyuki Odajima; 祥子岡村; Shoko Okamura; 浩司田渕; Koji Tabuchi; 裕真林; Yuma Hayashi
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2023-02-16

Abstract

【課題】想定外の上下動地震における安定性を確保可能なドーム構造を提供する。【解決手段】ドーム１０は、構造体１４に支持されたテンションリング体１６と、テンションリング体１６の上方内側に設けられたコンプレッションリング体１８と、テンションリング体１６から斜め上方内側へ張り出し、コンプレッションリング体１８に連結された複数の梁材２０と、テンションリング体１６に作用する引張力を制御するテンション制御部２４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ドーム構造に関する。

従来、テンションリング体とコンプレッションリング体とを梁で連結したドーム構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００２－５４２４１０号公報

従来のドーム構造は、ドームの常時荷重、言い換えれば静止荷重に対して力の系が閉じた安定した構造である。
しかし、地震時において、梁に作用する軸力が変動し、梁の許容耐力を越えて変形増大が起きると、そのバランスが崩れて全体座屈が発生する虞がある。特に、上下動地震（縦揺れ地震）による梁の変動軸力および曲げモーメントにより梁の降伏による塑性化や部材座屈に伴う急激な変形増大が起こると、ドーム全体の応力と変形のバランスが崩れ、ドーム屋根の安定性が急激に低下する。

本発明は上記事実を考慮し、想定外の上下動地震における安定性を確保可能なドーム構造の提供を目的とする。

請求項１に記載のドーム構造は、構造体に支持されたテンションリング体と、前記テンションリング体の上方内側に設けられたコンプレッションリング体と、前記テンションリング体から斜め上方内側へ張り出し、前記コンプレッションリング体に連結された複数の梁材と、前記テンションリング体に作用する引張力を制御するテンション制御部と、を有する。

請求項１に記載のドーム構造では、上下動地震時において、梁材に作用する圧縮方向の軸力、及び曲げモーメントによってテンションリング体に周方向に付加的な引張力が作用する。
テンションリング体に生ずる引張力は、テンション制御部で制御することができ、梁材に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制される。
これにより、梁材が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材が座屈することが抑制され、ドーム構造の安定性が確保される。

請求項２に記載のドーム構造は、構造体に支持されたテンションリング体と、前記テンションリング体から斜め上方内側へ張り出す複数の梁材と、前記テンションリング体の上方内側に設けられ、複数の前記梁材の先端部を連結する固定部と、前記テンションリング体に作用する引張力を制御するテンション制御部と、を有する。

請求項２に記載のドーム構造では、上下動地震時において、梁材に作用する圧縮方向の軸力、及び曲げモーメントによってテンションリング体に周方向に付加的な引張力が作用する。
テンションリング体に生ずる引張力は、テンション制御部で制御することができ、梁材に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制される。
これにより、梁材が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材が座屈することが抑制され、ドーム構造の安定性が確保される。
なお、固定部とは、梁材の先端部同士を直接的に連結する部分、及び梁材の先端部を円板等のリング以外の部材で連結する部分の両方を含む。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のドーム構造において、前記テンションリング体は、周方向の少なくとも一か所に連結部を有し、前記テンション制御部は、前記連結部における前記テンションリング体の一方の端部と他方の端部とを引張力を付与した状態で連結し、前記テンションリング体に予め設定した張力よりも大きな張力が作用したときに伸張する引張部材を有している。

請求項３に記載のドーム構造では、テンションリング体に予め設定した張力よりも大きな引力が作用すると、引張力が付与された引張部材が伸長し、テンションリング体に作用する引張力の過大な上昇を抑制する。
これにより、梁材に生ずる過大な軸力、及び曲げモーメントが抑制され、梁材の塑性化や座屈を抑制することができる。

以上説明したように本発明のドーム構造によれば、想定外の上下動地震における安定性を確保することができる、という優れた効果を有する。

第１の実施形態に係るドーム構造が適用されたドームを示す斜視図である。（Ａ）はテンション制御部の一例を示す断面図であり、（Ｂ）は張力作用時のテンション制御部を示す断面図である。（Ａ）はテンション制御部の他の一例を示す断面図であり、（Ｂ）は張力作用時のテンション制御部を示す断面図である。（Ａ）はテンション制御部の他の一例を示す断面図であり、（Ｂ）は張力作用時のテンション制御部を示す断面図である。（Ａ）は第２の実施形態に係るドーム構造に用いられたコンプレッションリング体のテンション制御部の一例を示す断面図であり、（Ｂ）は圧縮力作用時のテンション制御部を示す断面図である。第３の実施形態に係るドーム構造が適用されたドームに用いられたコンプレッションリング体のテンション制御部の一例を示す斜視図である。第４の実施形態に係るドーム構造が適用されたドームを示す斜視図である。他の実施形態に係るドーム構造が適用されたドームを示す斜視図である。

［第１の実施形態］
図１～図４を用いて、本発明の第１の実施形態に係るドーム構造について説明する。
図１には、実施形態に係るドーム構造が適用されたドーム１０を備えた建物１２が斜視図にて示されている。本実施形態の建物１２は、一例として競技場を挙げることができるが、競技場以外であってもよい。

建物１２は、円環状の構造体１４を備えている。構造体１４の内周部分には、一例として観客席（図示せず）が設けられている。

ドーム１０は、構造体１４の上部に設けられている。ドーム１０は、円環状のテンションリング体１６と、テンションリング体１６の内側かつ、テンションリング体１６よりも上方に配置される円環状のコンプレッションリング体１８と、テンションリング体１６とコンプレッションリング体１８とを連結し、テンションリング体１６及びコンプレッションリング体１８の半径方向（放射方向）に延びる複数本の梁材２０、及び屋根材２２とを含んで構成されている。なお、屋根材２２は、テンションリング体１６とコンプレッションリング体１８との間全体に設けられているが、図１においては一部のみを図示している。

テンションリング体１６は、円弧形状に形成された複数（本実施形態では４個）のリング片１６Ａを備え、隣り合うリング片１６Ａとリング片１６Ａとがテンション制御部２４を介して連結されている。リング片１６Ａは、一例として、鋼材等で形成されている。なお、コンプレッションリング体１８、及び梁材２０も鋼材等で形成されている。

テンションリング体１６は、構造体１４の上部に設置された複数の支承材２６で支持されており、テンションリング体１６は周方向の伸び縮みが可能となっている。支承材２６としては、一例として、複数の鋼板とゴム層とを交互に積層した積層ゴム、すべり支承、転がり支承などを用いることができる。

テンション制御部２４は、テンションリング体１６の周方向のテンションを制御するものであり、一例として、図２～図４に示す構造のものが適用される。

先ず、図２に示すテンション制御部２４について説明する。
図２に示すように、リング片１６Ａは、中空構造、一例として角パイプ形状とされ、周方向の端部は、蓋部材２８で塞がれており、リング片１６Ａの内部には、蓋部材２８から離れた位置に隔壁３０が固定されている。

一方のリング片１６Ａと他方のリング片１６Ａの各々の蓋部材２８、及び隔壁３０を貫通するようにテンション部材３２が設けられている。テンション部材３２は、リング片１６Ａに比較して伸び易い材料であることが好ましい。テンション部材３２は、一例としてＰＣ鋼棒、ストランド等を用いることができる。

本実施形態のテンション部材３２は、ＰＣ鋼棒で形成されており、両端部に雄螺子３４が形成されており、雄螺子３４にナット３６が螺合している。ナット３６は、隔壁３０に当接した状態で締め込まれており、テンション部材３２に予め引張力（プレストレス）を付与している。

（作用、効果）
次に、図２（Ａ）に示すテンション制御部２４をテンションリング体１６に備えたドーム１０の作用効果について説明する。
地震が起きていない通常時（静止時）において、テンションリング体１６には、コンプレッションリング体１８、梁材２０、及び屋根材２２の荷重が半径方向内側から外側へ向けて作用することで、周方向の張力（矢印Ａ）が常時作用している。

ここで、上下動地震が起きると、ドーム１０全体が上下動して、梁材２０の軸力が変動する。そして、梁材２０に作用する圧縮方向の軸力、及び曲げモーメントによってテンションリング体１６に、通常時よりも大きな張力が作用する。

テンション制御部２４に大きな張力が作用して予め引張力（プレストレス）を超えると、図２（Ｂ）に示すように、テンション制御部２４が離間して、テンション部材３２が伸びて、テンションリング体１６が周方向に伸び、梁材２０に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制される。これにより、梁材２０が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材２０が座屈することが抑制され、ドーム１０の安定性が確保される。

次に、図３（Ａ）に示すテンション制御部２４について説明する。
図３（Ａ）に示すテンション制御部２４では、一方のリング片１６Ａの端部と他方（図面右側）のリング片１６Ａの端部とが、低降伏点鋼材で形成された棒状や板状の引張部材３８で連結されている。低降伏点鋼材とは、リング片１６Ａを構成している鋼材よりも伸び易い鋼材である。図３（Ａ）に示すテンションリング体１６では、引張部材３８で連結されている部分が、連結部３９とされている。

本実施形態の引張部材３８は、長手方向中央部分が長手方向両端部分よりも小径に形成されており、中央部分が伸び易く形成されている。なお、引張部材３８は、全長に渡って断面積を同一（全長に渡って径を一定）にしてもよく、その場合は、降伏耐力を低く設定して早期に伸び変形するように設計すればよい。

次に、図３（Ａ）に示すテンション制御部２４を備えたドーム１０の作用効果について説明する。
本実施形態では、テンション制御部２４に大きな引張力が作用すると、図２（Ｂ）に示すように、引張部材３８が伸び、梁材２０に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制される。これにより、梁材２０が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材２０が座屈することが抑制され、ドーム１０の安定性が確保される。

次に、図４（Ａ）に示すテンション制御部２４を備えたドーム１０について説明する。
このテンション制御部２４では、一方（図面左側）のリング片１６Ａの端部の下半分に鋼材で箱形状に形成された突出部４０が一体的に形成されており、他方（図面右側）のリング片１６Ａの端部の上半分に鋼材で箱形状に形成された突出部４２が一体的に形成されている。

上側の突出部４２の下壁４２Ａと下側の突出部４０の上壁４０Ａとは互いに対面している。
上側の突出部４２の下壁４２Ａの下面には、シート状の摩擦部材４４が貼り付けられている。なお、摩擦部材４４は、下側の突出部４０の上壁４０Ａに貼り付けられていてもよい。
摩擦部材４４は、一例として、自動車のブレーキに用いられるブレーキ材のようなもので形成することができ、鋼材よりも摩擦係数が大きい材料で形成されている。

上側の突出部４２の下壁４２Ａと下側の突出部４０の上壁４０Ａとを、複数本のボルト４６が貫通している。ボルト４６に螺合したナット４８と、ボルト４６の頭部４６Ａとの間に、上側の突出部４２の下壁４２Ａと下側の突出部４０の上壁４０Ａと摩擦部材４４とが挟持され、摩擦部材４４が上側の突出部４２の下壁４２Ａに圧接されている。

なお、ボルト４６は、上側の突出部４２の下壁４２Ａに形成された丸孔４９を貫通し、下側の突出部４０の上壁４０Ａに形成された長孔５１を貫通している。この長孔５１は、テンションリング体１６の周方向に沿って長く形成されている。
ボルト４６の張力により摩擦部材４４に大きな面圧を生じさせ摩擦力を発生させることができる。さらに、ボルト４６の張力を調整することで、摩擦力を調整することができる。

通常時は、図４（Ａ）に示すようにボルト４６は、長孔５１の内部で、片側（図面左側）に寄せられた位置にあって、図面右側に隙間が設けられており、この隙間を設けることで、図４（Ｂ）に示すように、一方のリング片１６Ａと他方のリング片１６Ａとが互いに離間できるように構成されている。

次に、図４（Ａ）に示すテンション制御部２４を備えたドーム１０の作用効果について説明する。
上下動地震が起きてドーム１０全体が上下動し、梁材２０の軸力が変動し、テンション制御部２４に大きな引張力が作用すると、図４（Ｂ）に示すように、摩擦部材４４が、下側の突出部４０の上壁４０Ｂに圧接した状態で摺動し、一方のリング片１６Ａと他方のリング片１６Ａとが周方向に離間し、テンションリング体１６が周方向に伸びる。

これにより梁材２０に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制され、梁材２０が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材２０が座屈することが抑制されるので、ドーム１０の安定性が確保される。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るドーム構造が適用されたドーム１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態のドーム１０では、図５（Ａ）に示すように、コンプレッションリング体１８にテンション制御部２４が設けられている。コンプレッションリング体１８は、円弧形状に形成された複数のリング片１８Ａを備え、隣り合うリング片１８Ａとリング片１８Ａとがテンション制御部２４を介して連結されている。

本実施形態の通常時のテンション制御部２４は、図５（Ａ）に示すように、図面右側のリング片１８Ａに形成された上側の突出部４２の端部と図面左側のリング片１８Ａの端部との間、及び図面左側のリング片１８Ａに形成された下側の突出部４０の端部と図面右側のリング片１８Ａの端部との間に隙間が設けられており、コンプレッションリング体１８に圧縮力（矢印Ｂ）が作用すると、一方のリング片１８Ａと他方のリング片１８Ａとが互い接近する方向に移動し、コンプレッションリング体１８が周方向に縮まる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るドーム構造が適用されたドーム１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態のドーム１０では、図６に示すテンション制御部２４がコンプレッションリング体１８に設けられている。

一方のリング片１８Ａに、側面視でＬ字形状に形成された第１テンションロッド接続部５０が形成され、他方のリング片１８Ａの他端部に、第１テンションロッド接続部５０と逆向きとされ側面視でＬ字形状に形成された第２テンションロッド接続部５２が形成されている。

第１テンションロッド接続部５０の端部５０Ａと第２テンションロッド接続部５２の端部５２Ａとが、第１の実施形態と同様の引張部材３８で連結されている。

（作用、効果）
次に、コンプレッションリング体１８に図６に示すテンション制御部２４を備えたドーム１０の作用効果について説明する。

上下動地震が起きて、ドーム１０全体が上下動し、コンプレッションリング体１８に通常時よりも大きな圧縮力が作用すると、引張部材３８が伸びてコンプレッションリング体１８は周方向（矢印Ｂ）に圧縮される。
これにより梁材２０に生ずる軸力、及び曲げモーメントが抑制され、梁材２０が上下動地震により降伏して塑性化することや梁材２０が座屈することが抑制されるので、ドーム１０の安定性が確保される。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係るドーム構造が適用されたドーム１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図７に示すように、本実施形態のドーム１０では、テンションリング体１６、及びコンプレッションリング体１８共に、鋼材等により周方向に一様に形成されている。

本実施形態のドーム１０は、テンションリング体１６が複数本の柱５４に支持されている。柱５４は、鋼材等で形成されており、ドーム１０の荷重を支持しているが、曲げ変形可能とされている。本実施形態では、柱５４がテンション制御部２４とされている。
なお、柱５４は、構造体１４の上部に立設されていてもよく、基礎や地盤に立設されていてもよい。

（作用、効果）
次に、本実施形態のドーム１０の作用効果について説明する。
上下動地震が起きてドーム１０全体が上下動し、梁材２０の軸力が変動してテンションリング体１６に周方向に引張力（矢印Ａ）が作用すると、テンションリング体１６が周方向に伸びて拡径すると共に、テンションリング体１６を支持している柱５４がテンションリング体１６の径方向外側へ曲げ変形する。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記実施形態では、ドーム１０の形状が円形であったが、ドーム１０の形状は、円形に限らず、多角形であってもよく、楕円形であってもよい。

上記実施形態では、テンションリング体１６の内側にコンプレッションリング体１８が配置され、テンションリング体１６から径方向内側へ延びる梁材２０の端部がコンプレッションリング体１８に接続されていたが、梁材２０の端部の接続対象は、コンプレッションリング体１８に限らない。例えば、図８に示すように、コンプレッションリング体１８の代わりに、円板形状の固定部５６を設け、この固定部５６に梁材２０の端部を接続してもよい。

また、図示を省略するが、ドーム１０の中心部において、複数の梁材２０の端部同士を直接的に連結する構成してもよい。

１０ドーム
１４構造体
１６テンションリング体
１８コンプレッションリング体
２０梁材
２４テンション制御部
３８引張部材
３９連結部
５６固定部

Claims

構造体に支持されたテンションリング体と、
前記テンションリング体の上方内側に設けられたコンプレッションリング体と、
前記テンションリング体から斜め上方内側へ張り出し、前記コンプレッションリング体に連結された複数の梁材と、
前記テンションリング体に作用する引張力を制御するテンション制御部と、
を有するドーム構造。
構造体に支持されたテンションリング体と、
前記テンションリング体から斜め上方内側へ張り出す複数の梁材と、
前記テンションリング体の上方内側に設けられ、複数の前記梁材の先端部を連結する固定部と、
前記テンションリング体に作用する引張力を制御するテンション制御部と、
を有するドーム構造。
前記テンションリング体は、周方向の少なくとも一か所に連結部を有し、
前記テンション制御部は、前記連結部における前記テンションリング体の一方の端部と他方の端部とを引張力を付与した状態で連結し、前記テンションリング体に予め設定した張力よりも大きな張力が作用したときに伸張する引張部材を有している、
請求項１または請求項２に記載のドーム構造。