JP3805456B2 - アーチ構造体および屋根 - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばスタジアム等の大規模施設における屋根に適用して好適なアーチ構造体、およびそれにより構成される屋根に関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のような大規模施設に適用される屋根の構造としては、アーチ構造、シェル構造、立体トラス構造、吊り構造、空気膜構造等、種々のものが提案され、実用化されている。なかでも、曲線状の架構であるアーチ構造は特にドームの形態の屋根を構成するものとして好適であるとされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
アーチ構造は、周知のように荷重が主として軸圧縮力により支持点に伝達されるものであり、本来的に軽快で合理的、経済的な架構ではあるが、その反面、曲げ剛性が比較的小さいために全体座屈が生じ易い、対称荷重には優れた安定性を有するものの地震や風、積雪等による非対称荷重に対しては応力や変形が過大になり易い、支持点部分の変形に敏感である、といった性質があり、これを設計するうえでは検討、配慮するべき課題も多い。
【0004】
本発明は、アーチ構造が本来的に有する利点を生かしつつ上記の課題を解決し得るより合理的なアーチ構造を実現し、併せてそれを用いた有効な屋根の構造を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のアーチ構造体は、並設した2本のアーチ材の上部に添わせて曲げ剛性を有する補剛材を配設し、それらアーチ材と補剛材とを束材により連結してなるアーチ構造体であって、前記補剛材は1本の上弦材と2本の下弦材とそれらを連結するラチス材からなる横断面形状三角形のトラスであり、該トラスの各下弦材を前記2本のアーチ材の上方位置にそれぞれ配設して、該トラスにおける一方の下弦材とその下方に位置する一方のアーチ材とを前記束材により連結するとともに、該一方の下弦材とそれとは逆側に位置している他方のアーチ材とをも前記束材により連結することにより、前記トラスにおける2本の下弦材と前記2本のアーチ材とをそれぞれ前記束材を介して連結してなることを特徴とするものである。
【0006】
また、本発明の屋根は、上記のアーチ構造体を主体とするもので、そのアーチ構造体を互いに平行にまたは放射状にもしくは格子状に組み合わせて複数架設してなるものである。本発明の屋根の形態は任意であるが、略円形ないし略楕円形の環状をなす高剛性のリングトラスの内側に前記アーチ構造体を互いに平行に複数架設して全体としてドーム状をなす形態のものが好適である。その場合、前記リングトラスの外側に平行弦トラスからなる外周屋根部を設け、該外周屋根部の最外周部に環状のリングビームを設けることがさらに好適である。また、本発明の屋根においては、互いに隣接して架設されているアーチ構造体の間にそれらアーチ構造体の補剛材どうしを連結する連結材を架設し、該連結材により屋根材を支持して設けることが有利である。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。まず、図1(a)〜(c)を参照して本発明のアーチ構造体の一実施形態を説明する。本実施形態のアーチ構造体1は、このアーチ構造体1の主体をなす2本のアーチ材2と、それらアーチ材2を補剛するための補剛材としてのトラス3と、それらアーチ材2とトラス3とを連結する束材4とにより、全体として横断面形状が三角形をなすものとされている。
【0008】
アーチ材2は、所望の軸耐力を有する円形鋼管により形成され、(a)に示すように立面視においてアーチ状に湾曲しているとともに、(b)に示すように平面視においても緩く湾曲したものとされ、2本のアーチ材2が対称をなすように配置されてそれらの相互間隔が中央部において狭く両端部において広くなるようにされている。
【0009】
トラス3は、(c)に示すように、いずれも円形鋼管により形成された1本の上弦材3a、2本の下弦材3b、それらをつなぐラチス材3cおよび連結材3dとにより構成される横断面形状三角形のものとされ、所望の曲げ剛性を有するものとされている。その補剛材としてのトラス3は(a)に示すように立面視においてアーチ材2と同等の曲率を有しており、(c)に示すように2本のアーチ材2に添わされてそれらの間の上方位置に配設され、上記の束材4によりアーチ材2に対して連結されている。
【0010】
束材4は、(a)、(b)に示すようにこのアーチ構造体1の両端およびその中間部において長手方向にほぼ等間隔で複数箇所に設けられ、(c)に示すようにトラス3における一方の下弦材3bとその下方に位置する一方のアーチ材2とを連結しているとともに、一方の下弦材3bとそれとは逆側の位置している他方のアーチ材2とをも連結している。これら束材4も円形鋼管により形成され、これら束材4とトラス3およびアーチ材2との節点は構造的には曲げモーメントを伝達しないピン接合とされている。
【0011】
上記構成のアーチ構造体1は、その主体としてのアーチ材2が通常のアーチの場合と同様に主として軸力を負担するとともに、補剛材としてのトラス3が主として曲げモーメントを負担して曲げに対する耐力を発揮するものである。つまり、このアーチ構造体1にあっては、通常のアーチにおいては問題とされる曲げ剛性がトラス3によって付加され、アーチ構造体1の全体に作用する軸力および曲げモーメントはそれぞれアーチ材2とトラス3とが分担して負担するものであり、その結果、通常のアーチと同様に優れた軸耐力を有するのみならず、曲げ耐力も格段に向上したものとなる。
【0012】
したがって、このアーチ構造体1は、荷重を主として軸力により支持点に伝達する軽快なアーチ構造と、曲げ剛性を確保しやすいトラス構造の双方の構造的利点を併せ持つものとなり、通常の単純なアーチ構造に比較して全体座屈が生じ難いものとなり、かつ、非対称荷重に対する応力や変形が減少し、支持点部分の変形の影響を受け難いものであり、また、通常のトラス構造に比較すれば部材の断面を格段に節約し得るものであり、きわめて合理的かつ経済的な大スパン架構を実現し得るものである。
【0013】
以上で本発明のアーチ構造体1の一例を説明したが、次にそのアーチ構造体1を主体として用いて構成される屋根の一例について図2〜図6を参照して説明する。
【0014】
本実施形態の屋根10は、平面形状が卵形のような略楕円形とされた大規模なスタジアムの全体を覆うドーム状のものであり、高剛性を有する環状のリングトラス11の内側に上記のアーチ構造体1がほぼ平行に複数架設されることにより中央屋根部10aが設けられているとともに、リングトラス11の外側には平行弦トラスからなる外周屋根部10bが設けられ、その最外周部には図4、図5に示すように環状のリングビーム12が設けられた構成とされている。
【0015】
また、図6にその詳細を示すように、中央屋根部10aにおいては隣り合うアーチ構造体1どうしの間に連結材13が架設され、それら連結材13により各アーチ構造体1が横方向に連結されている。連結材13としてはたとえばH形鋼が用いられ、その連結材13はトラス3の下弦材3bに対して連結され、その上部に屋根材14が取り付けられて屋根面が形成され、各アーチ構造体1の上部は屋根面よりも上方に突出するものとなっている。なお、本例においては屋根面の上部に突出しているアーチ構造体1の上部にガラス15が取り付けられて自然光を採光するためのトップライトとされている。
【0016】
上記構成の屋根10は、アーチ構造体1を用いて形成された中央屋根部10aがその周囲を高剛性のリングトラス11により固められ、さらにその周囲に構造的に安定かつ信頼性の高い平行弦トラスにより構成された外周屋根部10bが設けられ、しかもその最外周部にはリングビーム12が設けられているので、全体として自己釣合型のきわめて安定性の高い屋根架構となっており、上記のアーチ構造体1を用いる大空間架構の屋根として好適である。また、上記の屋根10では、アーチ構造体1どうしを連結する連結材13を補剛材としてのトラス3の下弦材3bに対して連結し、その連結材13に対して屋根材14を取り付けるようにしたので、屋根荷重は連結材13を介してまずトラス3にかかり、したがってトラス3には曲げモーメントが生じるものの、トラス3とアーチ材2の双方に対してピン接合されている束材4を介してはアーチ材2に対しては曲げモーメントが伝達されることはない。さらに、この屋根10は安定な自己釣合型のものであることから、図2および図3に示すようにこの屋根10の全体を下部構造体16に対して積層ゴム17等の免震支承を介して支持することが可能であり、それにより屋根10全体に入力される地震力が十分に低減されるものとなっている。
【0017】
以上で本発明のアーチ構造体1およびそれを用いた屋根10の実施形態について説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、以下に列挙するような種々の変形、応用が可能である。
【0018】
上記実施形態のアーチ構造体1では、アーチ材2、トラス3の構成部材である上弦材3a、下弦材3b、ラチス材3c、連結材3d、および束材4の全てを、いずれも所望寸法の円形鋼管により形成したが、それらの部材としては角形鋼管やH形鋼その他任意の断面形状の鋼材、あるいは他の構造材も当然に使用できるし、任意の断面形状のものを適宜組み合わせて使用することでも勿論良い。また、上記実施形態のようにアーチ構造体1どうしを連結するための連結材13をアーチ構造体1を貫通させた状態として2本の下弦材3bに対して連結した場合には、トラス3の2本の下弦材3bどうしを連結する連結材3dは省略しても良い。
【0019】
上記実施形態のアーチ構造体1では、主体たるアーチ材2と補剛材たるトラス3の曲率をほぼ同等として、立面視においてはそれらの相互間隔が全長にわたって一定であるようにしたが、それに限らずたとえば図7(a)に示すようにトラス3を直線状としたり、同図(b)のようにトラス3の曲率をアーチ材2の曲率よりも小さくし、それらの相互間隔が中央部において小さく両端部において大きくなるようにしても良い。
【0022】
さらに、本発明の屋根10の形態も、上記実施形態のような平面視略楕円形のドーム状のものとすることに限らず、採用するアーチ構造体1の形態に対応して適宜の設計的な変更を行い得ることはもとより、上記実施形態において採用したリングトラス11、平行弦トラスからなる外周屋根部10b、リングビーム12も必ず設けなければならないものでもない。
【0023】
図8は本発明の屋根10の形態として考えられるものを模式的に示すもので、(a)はアーチ構造体1を平行に配置して平面視矩形の円筒シェルの如き形態としたもの、(b)はアーチ構造体1を中央部では平行にかつ端部では放射状に配置することでレーストラック形としたもの、(c)はアーチ構造体1を放射状に配して円形ドーム状としたもの、(d)は同じく楕円形ドーム状としたもの、(e)はアーチ構造体1を平行に配して円形ドーム状としたもの、(f)は同じく楕円形ドーム状としたもの、(g)は2方向のアーチ構造体1を格子状に組み合わせて円形ドーム状としたもの、(h)は同じく楕円形ドーム状としたものであり、これらはいずれも安定な自己釣合型の大空間屋根を構成することが可能なものである。
【0024】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明のアーチ構造体は、主体であるアーチ材にトラスからなる補剛材を束材を介して連結し、特に補剛材を横断面形状三角形のトラスとしてそのトラスの各下弦材と2本のアーチ材とをそれぞれ束材により連結した構成としたので、補剛材により曲げ剛性が付加されたものとなり、したがってこのアーチ構造体の全体に作用する軸力および曲げモーメントはそれぞれアーチ材と補剛材とが分担して負担して優れた軸耐力を有するのみならず曲げ耐力も格段に向上したものとなり、その結果、合理的かつ経済的な架構を実現し得るものである。
また、本発明の屋根は、上記のアーチ構造体を主体としてそれを複数組み合わせて架設して構成されるものであるので、全体として自己釣合型のきわめて安定性の高い屋根架構を実現でき、スタジアム等の大空間架構の屋根として適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のアーチ構造体の一実施形態を示す図である。
【図2】 本発明の屋根の一実施形態を示す端軸方向の立断面図である。
【図3】 同、長軸方向の立断面図である。
【図4】 同、屋根上部を示す平面図である。
【図5】 同、屋根下部を示す平面図である。
【図6】 同、屋根の要部拡大図である。
【図7】 本発明のアーチ構造体の他の例を示す図である。
【図8】 本発明の屋根の他の例を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
1 アーチ構造体
2 アーチ材
3 トラス(補剛材)
3a 上弦材
3b 下弦材
3c ラチス材
4 束材
10 屋根
10a 中央屋根部
10b 外周屋根部
11 リングトラス
12 リングビーム
13 連結材
14 屋根材
30 トラス(補剛材)
31 組立梁(補剛材)
32 梁(補剛材)

Claims (5)

  1. 並設した2本のアーチ材の上部に添わせて曲げ剛性を有する補剛材を配設し、それらアーチ材と補剛材とを束材により連結してなるアーチ構造体であって、
    前記補剛材は1本の上弦材と2本の下弦材とそれらを連結するラチス材からなる横断面形状三角形のトラスであり、該トラスの各下弦材を前記2本のアーチ材の上方位置にそれぞれ配設して、該トラスにおける一方の下弦材とその下方に位置する一方のアーチ材とを前記束材により連結するとともに、該一方の下弦材とそれとは逆側に位置している他方のアーチ材とをも前記束材により連結することにより、前記トラスにおける2本の下弦材と前記2本のアーチ材とをそれぞれ前記束材を介して連結してなることを特徴とするアーチ構造体。
  2. 請求項1記載のアーチ構造体を主体として構成される屋根であって、前記アーチ構造体を互いに平行にまたは放射状にもしくは格子状に組み合わせて複数架設してなることを特徴とする屋根。
  3. 請求項2記載の屋根であって、略円形ないし略楕円形の環状をなす高剛性のリングトラスの内側に前記アーチ構造体を互いに平行に複数架設することにより全体としてドーム状をなすことを特徴とする屋根。
  4. 請求項3記載の屋根であって、前記リングトラスの外側に平行弦トラスからなる外周屋根部を設け、該外周屋根部の最外周部に環状のリングビームを設けてなることを特徴とする屋根。
  5. 請求項2,3または4記載の屋根であって、互いに隣接して架設されているアーチ構造体の間にそれらアーチ構造体の補剛材どうしを連結する連結材を架設し、該連結材により屋根材を支持して設けてなることを特徴とする屋根。
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