JP4712551B2

JP4712551B2 - アルミニウム合金製ドームトラス

Info

Publication number: JP4712551B2
Application number: JP2005357783A
Authority: JP
Inventors: 信行大滝; 雅道稲垣
Original assignee: Sumikei Nikkei Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: JP2007162270A

Description

本発明は、多目的施設建屋等の屋根を形成するアルミニウム合金製ドームトラスに関するものである。

上水用のタンク、農水用のファームポンドなど塔槽類の屋根には、従来、鉄筋コンクリート造（ＲＣ造）のドーム構造が用いられてきた。

ＲＣ造の屋根板体（スラブ）をドーム状に形成した屋根部は、耐久性に優れるものの、単位容積重量が大きいので、総重量が重くなるため、本来、大スパン屋根部に不向きな材料であり、ドーム状の屋根骨組という特殊な構造と結びつくことが多い。また、屋根部自体の構造が大型化、複雑化するのみならず、本体部も大型化し、経済性、施工性が悪くなる場合がある。

さらに、ＲＣ造の屋根板体は、コンクリート断面厚さを薄くし（通常１０ｃｍ程度が多い）、鉄筋を配筋しているので、屋根部に換気孔、点検孔に必要な開口部を設ける場合、開口部の平面的形状、配置などが制限される。さらに、屋根板体のコンクリート断面厚さを余り薄くすると、鉄筋のかぶり厚さを適正に確保できず、水道水からの塩素雰囲気に曝され、コンクリートの経時的劣化が進行するので、耐久性に劣り、また、薄くて傾斜した屋根板体のコンクリート打設などの施工性は悪い。

また、ＲＣ造の屋根板体を構築するためには、全体に多数の支柱を散点状に立設し、屋根部全体に敷設した型枠を支持する、総支保工が必要となる。そして、屋根部の型枠もドーム形状に合わせて曲面状に製作するので、型枠の製作、コンクリート打設などが複雑化する。

これに対して下記特許文献では、屋根本体部が、アルミニウム合金製の屋根面材、アルミニウム合金製の屋根骨組によってトラス構造を構成したドーム状屋根を形成することが記載されている。
特開２００１−３２５６６号公報

この特許文献１では、図９に示すように、屋根本体部１は、ドーム状の屋根形状で、雨水を流すために所定の水勾配で傾斜している球形状の屋根面（屋根の表面）を形成する。

そして、屋根本体部１の平面形状は円形で、屋根面を覆う屋根面材２と、この屋根面材２を取り付けるアルミニウム合金製の屋根骨組３と、この屋根骨組３に付設され、屋根本体部１を躯体５の立ち上がり部６に接合する連結部４とで構成されている。

屋根面材２は、耐腐食性からアルミニウム合金製の薄い板体とするのが望ましいが、鉄、ステンレス、銅などの金属板、ガラス、合成樹脂板などの板体、膜などの屋根葺き材であってもよい。また、屋根骨組３は、アルミニウム合金製の球形状の立体トラス構造を構成している。この立体トラス構造は、球形状の屋根面において、線状の構造部材（ラチス構造材７と言う。）を交点（節点）で小さな三角形状の面を多数形成するように構成されている。

そして、ラチス構造材７（弦材）の断面形状は、図１０に示すように、Ｈ形状の組立断面としている。

かかるアルミニウム合金製の屋根面材、アルミニウム合金製の屋根骨組によってトラス構造を構成したドーム状屋根では、立地条件、外気の条件、貯蔵空間Ｓ内の内容物などの設計条件に対し、屋根骨組、屋根面材の耐腐食性を適切に構成することができる。特に、内容物が水道水Ａの場合、水道水Ａに含まれる塩素が気化した空気（塩素雰囲気）に曝されても、金属製（特に、アルミニウム合金）の特徴を最大限に活かし、屋根本体部１の軽量化を図りつつ耐久性をも向上させる。したがって、屋根本体部１の耐用年数を、躯体５の耐用年数と同一にすることにより、経済性に優れた構造物を提供できる。

一方、アルミニウム合金による部材の溶接として、下記特許文献２のような摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接が知られている。
特開２００１−１０５９号公報

この特許文献２はアルミニウム板を接合及び加工してパラボラアンテナ鏡面板を製作するパラボラアンテナ鏡面板加工方法に関するもので、摩擦撹拌接合方法を用いてアルミニウム板を接合して広幅の平板材を製作する。

摩擦撹拌接合方法は、従来の溶接接合の場合と異なり、アルミニウム板はそれ程高温にならず、回転工具の接している周囲の狭い範囲のみ、わずかな熱を帯びるだけであるので、溶接する場合のように頑丈にアルミニウム板全体と溶接部を確実に固定する必要はなく、アルミニウム板の周囲の適当な個所例えばを四隅を固定するだけでよく、接合部の固定は不要である。また、回転工具が、接合面を押しながら接合していき、また、熱もそれ程高くならないので、接合部が熱膨張で歪んだり、伸びることがなく、接合面を固定することなく接合することが可能である。

前記のようなトラス構造を構成したドーム状の屋根構造、いわゆる「ドームトラス」は、ラチス構造材７にＨ型押出形材を用いる。

図１１、図１２のごとき、三角形の多面体にて構成された単層ラチスドーム（単層ラチスシェル構造）に使用される「ドームトラス」では、ドーム径（Ｄ）と高さ（Ｈ）によってトラスのラチス割が決まり、必要強度に応じたＨ型押出形材（ストラット）の形状が選定される。

「ドームトラス」の単位面積（ｍ^２）当たりの部材原価は、三角形のラチス割（グリッド）を大きくして部材数を減らせば低減される。例えば、ドーム径３５ｍ（１０００ｍ^２）以上の「大型ドームトラス」に対しては、グリッド長を３ｍ以上にするのが適当であるが、現在はその大きさをカバーするＨ型押出形材がなく、三角形のラチス割（グリッド）を大きく形成することは困難であった。

前記特許文献２のようなアルミニウム板を接合して広幅の平板材を製作することは、「ドームトラス」としては屋根面材をアルミニウム合金製とする場合に適用できるだけである。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、ドームを構成するラチス構造材にＨ型材を用い、これに屋根面材としてアルミニウム合金製のパネルを貼り付ける構造である場合に、三角形のラチス割（グリッド）を大きくすることが可能で、その結果として部材数を減らして、単位面積（ｍ^２）当たりの部材原価を低減することができるアルミニウム合金製ドームトラスを提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１記載の本発明は、屋根本体部が、アルミニウム合金製の屋根面材、アルミニウム合金製のラチス構造体材によってトラス構造を構成したドーム状屋根を形成しているアルミニウム合金製ドームトラスにおいて、ラチス構造体材にＴ形押出形材をウエブ部分で摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接して断面形状の大きなものとしたＨ形材を用い、これに屋根面材としてトラス形状のアルミニウム合金製のパネルを貼り付けることを要旨とするものである。

現在工場で作製可能な押出し型材は断面形状の大きさが限定され、Ｈ型押出形材では三角形のラチス割（グリッド）を大きく形成することは困難である。

請求項１記載の本発明によれば、ドームを構成するラチス構造材にＨ形材を用いる場合に、工場で作製可能な押出し型材を２つ結合させて断面形状の大きなＨ形材とすることができ、その結果、三角形のラチス割（グリッド）を大きく形成することができる。

また、摩擦攪拌溶接法は、溶接部材を固定した状態でツールを回転させながら移動することにより接合することができるので、Ｔ形押出形材のような溶接方向に対して実質的に無限に長い部材でもその長手方向に連続的に固相接合することが可能である。そして、回転ツールと溶接部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できるという特徴があり、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ないということや、接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの利点があり、押出形材の接合に適している。

しかもこのような摩擦攪拌溶接法を用いるのに、押出形材をＴ形としてこのＴ形押出形材をウエブ部分で溶接して断面形状の大きなものとしたＨ形材とするのでウエブやフランジをそれぞれ板材としてこれらを溶接してＨ形材とする場合に比べて一度の溶接ですむ。

請求項２記載の本発明は、トラス形状のアルミニウム合金製のパネルは、複数部材を摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接して形成することを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、グリッド長を３ｍ以上にする場合に、現在はその大きさをカバーする面材の入手が困難であるが、複数部材を摩擦攪拌溶接してトラック輸送の限界である幅３．２ｍまでの大型の薄板三角形パネルを製作することができる。

以上述べたように本発明のアルミニウム合金製ドームトラスは、ドームを構成するラチス構造材にＨ型材を用い、これに屋根面材としてアルミニウム合金製のパネルを貼り付ける構造である場合に、三角形のラチス割（グリッド）を大きくすることが可能で、その結果として部材数を減らして、単位面積（ｍ^２）当たりの部材原価を低減することができるものである。

さらに、アルミニウム合金製ドームトラス特有の効果として、下記の効果を発揮できる。
（１）耐久性に優れる
アルミニウム合金製のドーム屋根は、ＲＣドームの屋根（ＲＣ屋根）に比べて約１．５〜２倍の耐久性があり、メンテナンスが容易である。このため、トータルのライフサイクルコストが低減される。
（２）軽量である
ボルトやビス類を除けば、構成する部材はすべてアルミニウム合金であるため、非常に軽量である。円筒形タンクの場合、ＲＣ屋根に比べておよそ１／２５の質量となる（約１５ｋｇ／ｍ^２）。このため、基礎コンクリートヘの負荷が軽減できる。また、軽量であるため、全ての組立を地上で行い、クレーンやウインチを用いて容易に上空架設工事ができる。さらに、ユニット構造であるため取り外しや部分補修も可能である。
（３）組み立てやすい
工場にて部材を製作し、工事現場ではボルトやビス接合で組み立てる構造なので、熟練工の必要がなく、一般の作業者でもスパナやドライバーを用いて容易に組み立てることができる。
（４）工期が短い
ＲＣ屋根は、コンクリート打設のためにタンク外部に仮設足場、内部に支保工が必要となるが、「ドームトラス」ではそれらは一切必要なく、短期間に組立ができるので、トータル工期が短縮される。
（５）オールアルミニウム製である
使用するアルミニウム合金は、上水道に含まれる塩素に対してステンレス鋼よりも耐食性が優れている。このため、基本的にはドーム屋根内側への防食塗装が不要である。また、アルミニウム合金は生物への毒性が無く安全で、かつ、リサイクル容易で環境にやさしい金属である。「ドームトラス」の塔槽類屋根分野への適用は、アルミニウム合金の持つ利点がすべて生かされる。

以下、図面について本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明のアルミニウム合金製ドームトラスの要部の縦断側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

ドームトラスは、図４、図５に示すように、「ドームトラス」は、三角形の多面体にて構成された単層ラチスドーム（単層ラチスシェル構造）である。

「ドームトラス」を構成する主要部材は、ラチス構造材であるストラット８と、添接円板（ハブ）９と、屋根の面材としてトラス形状のアルミニウム合金製のパネル１０である。

先に述べたように、ドーム径（Ｄ）と高さ（Ｈ）によってトラスのラチス割が決まり、必要強度に応じたストラット８の形状が選定される。ストラット８はＨ形材を用いる。

トラス接合部では、ラチス構造材のストラット８を浅い円錐台状に絞り加工した添接円板（ハブ）９で両側からはさみ、高力ボルト１７またはステンレスボルトで接合する。

屋根の面材としてトラス形状のアルミニウム合金製のパネル１０は、板厚１．５ｍｍのＡ３００４合金板である。

アルミニウム合金製のパネル１０は、ストラット８に取り付けられた溝付き形材（ガッター）１１にはめ込まれ、押縁形材（ジョイナー）１２によって固定される。

Ｈ形材であるストラット８は、図６にも示すように、Ｔ形押出形材１３をウエブ１３ａの先端部分を突合せ、ここに摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接を施して形成した。図中１４は溶接部を示す。

摩擦攪拌溶接法は、例えば、図６に示すように加工物（本実施形態ではＴ形押出形材１３）よりも実質的に硬い材質からなるツール１５を加工物の溶接部１４に挿入し、挿入したツール１５を回転させながら移動させることにより溶接線方向の溶接を行うようにした溶接方法、すなわち、回転ツール１５と加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動を利用して摩擦溶接するものである。

トラス形状のアルミニウム合金製のパネル１０もラチス構造に合わせて三角形パネルに加工されるが、複数部材を摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接して形成した。

図７、図８はこのアルミニウム合金製のパネル１０の作成方法を示すもので、図７は、2枚の帯板を上下で摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接で繋ぎ合わせて幅広（３．２ｍ程度）な帯板を得て、これからトラス形状のアルミニウム合金製のパネル１０を切り出す方法である。

前記切り出した結果、左の例では、アルミニウム合金製のパネル１０は上部三角形部分と下部台形部分が溶接部１４で接合して形成され、右の例では左右に直角三角形の部分を合わせて溶接部１４で接合して形成される。

図８の例では、トラス形状のアルミニウム合金製のパネル１０は、タブ板１６を設け、上部三角形部分と下部台形部分が溶接部１４で接合して形成した。

このように、ドームを構成するラチス構造材にＨ形材を用いる場合に、工場で作製可能なＴ形押出形材１３を２つ結合させて断面形状の大きなＨ形材とすることができ、その結果、三角形のラチス割（グリッド）を大きく形成することができる。

また、そのような三角形のラチス割（グリッド）に見合う大型の薄板三角形パネルも複数部材を摩擦攪拌溶接することで容易に得ることができる。

その結果、従来図１１、１２で示すように５段であったドームトラスを図４、図５に示すように３段のものにすることが可能となる。

本発明のアルミニウム合金製ドームトラスの要部の縦断側面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。本発明によるドームトラスの平面図である。本発明によるドームトラスの側面図である。ラチス構造材であるＨ形材の作製を示す説明図である。トラス形状のアルミニウム合金製のパネルの作製例の第１例、第２例を示す説明図である。トラス形状のアルミニウム合金製のパネルの作製例の第３例を示す説明図である。アルミニウム合金製のドーム状屋根を有する構造物の斜視図である。アルミニウム合金製のドーム状屋根の要部の斜視図である。従来のドームトラスの平面図である。従来のドームトラスの側面図である。

符号の説明

１…屋根本体部２…屋根面材
３…屋根骨組４…連結部
５…躯体６…立ち上がり部
７…ラチス構造材８…ストラット
９…添接円板（ハブ）１０…アルミニウム合金製のパネル
１１…溝付き形材（ガッター）１２…押縁形材（ジョイナー）
１３…Ｔ形押出形材１３ａ…ウエブ
１４…溶接部１５…ツール
１６…タブ板１７…高力ボルト

Claims

屋根本体部が、アルミニウム合金製の屋根面材、アルミニウム合金製のラチス構造体材によってトラス構造を構成したドーム状屋根を形成しているアルミニウム合金製ドームトラスにおいて、ラチス構造体材にＴ形押出形材をウエブ部分で摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接して断面形状の大きなものとしたＨ形材を用い、これに屋根面材としてトラス形状のアルミニウム合金製のパネルを貼り付けることを特徴としたアルミニウム合金製ドームトラス。
トラス形状のアルミニウム合金製のパネルは、複数部材を摩擦攪拌溶接法で摩擦攪拌溶接して形成する請求項１記載のアルミニウム合金製ドームトラス。