JP5626556B2 - 立体張弦梁構造 - Google Patents

Description

本発明は、張弦梁構造を備えた構造物の立体張弦梁構造に関する。

従来、多目的ドームやアリーナ等の構造物の屋根架構として、サスペンション・ケーブルや２ヒンジ・アーチなどの形態抵抗性を利用して、圧縮力を受ける梁と束材と引張を受けるストリングとにより構成される張弦梁構造が知られている。このような張弦梁構造では、とくに水平状、円弧状の梁に対してストリング引張材（ストリング）が下方に配置されている方が力学的に有利である。

ところで、ライズが高く内部空間を有効に活用できるドーム形状として、ドームの力学特性を利用した張弦アーチ構造がある。このようなドーム型の張弦アーチ構造にあっては、ストリングがドーム形状に沿って配置されているので、梁材を引き下げる効果があり、上述した張弦梁構造ほど梁の応力制御が効果的ではない。さらに、ドームのライズが低い場合には、張弦梁構造を多段に配置して、上記並列型同様に張弦梁構造の両端部の支持点を高くして、中央部の天井高さを確保している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１３７０３５号公報

しかしながら、従来の張弦梁構造においては、ストリングが水平より下方に配置されており、天井高さを確保することが難しく、中央付近で天井高さが決まってしまい、天井高さを十分に確保することが困難であり、内部空間を有効に活用することができなかった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、構造物の中央空間を確保することができ、内部空間の有効利用を図ることができる立体張弦梁構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る立体張弦梁構造では、構造物の柱材に設けられた屋根架構を構成し、平面視で放射状に梁材を配した立体張弦梁構造であって、構造物の中心を通る放射方向に延在するとともに、該中心を通る複数の梁材と、これら梁材の下方の位置で長さ方向を放射方向に向けて梁材と同方向に配置され、一端が梁材と柱材との第１交点とに連結されるとともに、他端が平面視で構造物の中心と第１交点の間に位置する第１ストリングと、複数の第１ストリングの他端どうしを連結する第２ストリングと、梁材の構造物の中心と梁端との間の任意の位置および第１ストリングの他端と第２ストリングとの第２交点を連結する束材とを備え、第１ストリングと第２ストリングとが緊張されていることを特徴としている。

本発明では、第１ストリングおよび第２ストリングがそれぞれ引張材として機能するため、それら第１ストリングおよび第２ストリングに適当な張力を付与することで、束材を介して上方への反力を付与することができ、構造全体として自己釣り合い型の架構となり、屋根架構を支持する下部構造に水平反力が生じることがない構造となっている。
すなわち、第２ストリングは、第１ストリングの他端（内周側端部）を挟んだ両側がそれぞれ第１ストリングの延在方向に対して鈍角に交わって配置されているので、半径方向に配される各第１ストリングに張力を導入することで、第１ストリングに作用する張力が第２ストリングに分散されることになる。このとき、第１ストリングと第２ストリングにより構成されるストリング構造体には、中心を通って直径方向に延びる従来のストリング構造の曲げモーメントと同様に上向きの曲げモーメントが作用する。つまり、ストリング構造全体に作用する緊張力によって束材を介して梁材に上向きの力を与えることができる。

そのため、ストリング構造体の上部に位置する梁材の自重による下向きの曲げモーメントと、前記ストリング構造体全体に作用する上向きの曲げモーメントとがバランスされることになり、第２ストリングを周方向に配置した場合であっても、従来のストリング構造と同様に梁材の応力と変位の制御を行うことができる。
そして、第１ストリングが梁材によって構成される屋根面の下方において平面視で外周側のみに配置され、中央部分に配置されない構成となるので、従来の中央部分にストリングが配置される構造に比べて構造物の中央部空間の高さを大きく確保することができ、とくにスタンドを建物外に配置する体育館やスタジアムなどの建物に最適である。

本発明の立体張弦梁構造によれば、梁材によって構成される屋根面の下方において平面視で外周側のみにストリングが配置され、中央部分に配置されない構成であるので、従来の中央部分にストリングが配置される構造に比べて構造物の中央部空間の高さを大きく確保することができる。構造物の内部空間の有効利用を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による立体張弦梁構造を備えた構造物を示す側面図である。 図１に示す立体張弦梁構造の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は立体張弦梁構造の作用を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は立体張弦梁構造の作用を説明するための図である。 立体張弦梁構造の作用を説明するための図である。 第２の実施の形態による立体張弦梁構造の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の第１の実施の形態による立体張弦梁構造について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１の符号１は、多目的ドームやアリーナ等に採用され、図２に示す平面視で放射型に張弦梁（後述する梁材１１）を配した立体張弦梁構造１０の屋根架構を備えた本第１の実施の形態の構造物を示している。

すなわち、図１および図２に示すように、立体張弦梁構造１０は、平面視形状で円形をなすドーム構造であり、その円形の外殻に位置する構造物１の柱材２によって下方から支持されるとともに、引張材（後述する第１ストリング１２、第２ストリング１３）を緊張することにより、梁材１１に上方向の反力を付与し、これにより断面剛性の高い前記屋根架構を構成するアーチ状の構造体をなしている。
ここで、構造物１の中心軸線Ｏ（本発明の構造物の中心に相当する）から半径方向に延びる方向を放射方向として以下説明する。

柱材２は、基礎３上に所定の高さ寸法をもって立設されており、構造物１の平面視での外殻に位置して配置されており、その上端２ａに後述する梁材１１の外周側の梁端１１ａがボルト等の固定手段によって固定されている。

立体張弦梁構造１０は、構造物１の中心軸線Ｏを通る放射方向に延在する複数の梁材１１、１１、…と、梁材１１の下方の位置で長さ方向を放射方向に向けて梁材１１と同方向に配置され、一端（外周側端部１２ａ）が梁材１１と柱材２との第１交点Ｐ１とに連結されるとともに、他端（内周側端部１２ｂ）が平面視で構造物１の中心軸線Ｏと第１交点Ｐ１の間に位置する第１ストリング１２と、複数の第１ストリング１２の内周側端部１２ｂどうしを連結する第２ストリング１３と、梁材１１の構造物１の中心軸線Ｏと梁端１１ａとの間の任意の位置（第３交点Ｐ３）および第１ストリング１２の内周側端部１２ｂと第２ストリング１３との第２交点Ｐ２を連結する束材１４とを備え、第１ストリング１２と第２ストリング１３とが緊張された構成となっている。

梁材１１は、凸曲部を上方に向けた状態で梁端１１ａ、１１ａを図１に示す柱材２の上端２ａに固定させ、それぞれの梁材１１の中心部どうしを構造物１の中心軸線Ｏの位置で交差させた状態で配設されている。これら複数の梁材１１、１１、…は、周方向に一定の間隔をもって配置されている。

第１ストリング１２は、構造物１の中心軸線Ｏと第１交点Ｐ１との間の任意の位置に内周側端部１２ｂを配置させた長さ寸法をなし、外周側端部１２ａが梁材１１の外周側の梁端１１ａに固定され、内周側端部１２ｂが第２ストリング１３と束材１４の下端１４ａとに連結される第２交点Ｐ２を形成している。

第２ストリング１３は、複数の第１ストリング１２、１２、…のそれぞれの内周側端部１２ｂどうしをリング状に連結し、構造物１の中心軸線Ｏを中心とする周方向に延在している。

束材１４は、第１ストリング１２の内周側端部１２ｂと、梁材１１の前記第３交点Ｐ３（ここでは、梁材１１の構造物１の中心軸線Ｏから梁端１１ａまでの間の略１／２の長さ寸法）とを連結し、鉛直方向に作用する圧縮材として機能する。

次に、立体張弦梁構造１の作用について図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本立体張弦梁構造１０では、第１ストリング１２および第２ストリング１３がそれぞれ引張材として機能するため、それら第１ストリング１２および第２ストリング１３に適当な張力を付与することで、束材１４を介して上方への反力を付与することができ、構造全体として自己釣り合い型の架構となり、屋根架構を支持する下部構造に水平反力が生じることがない構造となっている。

図３（ａ）は梁材１１を示し、図３（ｂ）は梁材１１の自重による曲げモーメントＭ１を示している。
そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２ストリング１３は、第１ストリング１２の内周側端部１２ｂ（第２交点Ｐ２）を挟んだ両側がそれぞれ第１ストリング１２の延在方向に対して鈍角に交わって配置されているので、半径方向に配される各第１ストリング１２に張力を導入することで、第１ストリング１２に作用する張力（図４（ｂ）に示す矢印Ｅ１）が矢印Ｅ２、Ｅ３に示す第２ストリング１３に分散されその合力Ｅ４が生じることになる。このとき、第１ストリング１２と第２ストリング１３により構成されるストリング構造体には、中心軸線Ｏを通って直径方向に延びる従来のストリング構造の曲げモーメントと同様に上向きの曲げモーメントＭ２（図４（ｃ）参照）が作用する。つまり、ストリング構造全体に作用する緊張力によって束材１４を介して梁材１１に上向きの力を与えることができる。

そのため、図５に示すように、ストリング構造体の上部に位置する梁材１１の自重による下向きの曲げモーメントＭ１（図３（ｂ））と、前記ストリング構造体全体に作用する上向きの曲げモーメントＭ２（図４（ｃ））とがバランスされることになり、第２ストリング１３を周方向に配置した場合であっても、従来のストリング構造と同様に梁材１１の応力と変位の制御を行うことができる。図５の符号Ｍ０が、前記曲げモーメントＭ１とＭ２を合わせた曲げモーメントを示している。

そして、第１ストリング１２が梁材によって構成される屋根面の下方において平面視で外周側のみに配置され、中央部分に配置されない構成となるので、従来の中央部分にストリングが配置される構造に比べて構造物の中央部空間Ｓ（図１に示す二点鎖線の領域）の高さを大きく確保することができ、とくにスタンドを建物外に配置する体育館やスタジアムなどの建物に最適である。
さらに、屋根外周のみにストリングが配置される構造であり、第１ストリング１２のみに張力を導入すれば良いので、作業工程が簡略化され、張力導入管理も容易、且つ確実なものとなる。

上述のように本第１の実施の形態による立体張弦梁構造では、梁材１１によって構成される屋根面の下方において平面視で外周側のみに第２ストリング１３が配置され、中央部分に配置されない構成であるので、従来の中央部分にストリングが配置される構造に比べて構造物の中央部空間Ｓの高さを大きく確保することができる。構造物１の内部空間の有効利用を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、異なる構成について説明する。

図６に示すように、第２の実施の形態による立体張弦梁構造２０は、平面視形状が矩形状をなすものである。すなわち、立体張弦梁構造２０は、構造物１の中心軸線Ｏを通る放射方向に延在するとともに前記矩形の対角線方向に配設される一対の梁材２１、２１と、これら梁材２１の下方の位置で長さ方向を放射方向に向けて梁材１１と同方向に配置され、一端（外周側端部２２ａ）が梁材１１と柱材２（図１参照）との第１交点Ｐ１とに連結されるとともに、他端（内周側端部２２ｂ）が平面視で構造物１の中心軸線Ｏと第１交点Ｐ１の間に位置する第１ストリング２２と、一対の第１ストリング２２の内周側端部２２ｂどうしを連結する前記矩形と相似形状の第２ストリング２３と、梁材２１の構造物１の中心軸線Ｏと梁端２１ａとの間の任意の位置（第３交点Ｐ３）および第１ストリング２２の内周側端部２２ｂと第２ストリング２３との第２交点Ｐ２を連結する束材２４とを備え、第１ストリング２２と第２ストリング２３とが緊張された構成となっている。
この第２の実施の形態の立体張弦梁構造２０も上述した第１の実施の形態と同様に、平面視で第２ストリング２３の内側に第１ストリング２２が配置されない構造となるので、構造物の中央空間の高さを大きく確保することができる利点がある。

以上、本発明による立体張弦梁構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、梁材１１、２１、第１ストリング１２、２２、第２ストリング１３、２３、束材１４、２４の長さ寸法、配置本数、固定位置などの構成は変更可能であり、省略することも可能である。
また、梁材１１も凸曲部を上に向けた状態の他、山形（への字）の形状も可能である。

１ 構造物
２ 柱材
１０、２０ 立体張弦梁構造
１１、２１ 梁材
１１ａ ２１ａ梁端
１２、２２ 第１ストリング
１２ａ、２２ａ 外周側端部（一端）
１２ｂ、２２ｂ 内周側端部（他端）
１３、２３ 第２ストリング
１４、２４ 束材
Ｏ 構造物１の中心軸線（構造物の中心）
Ｐ１ 第１交点
Ｐ２ 第２交点
Ｐ３ 第３交点
Ｓ 中央部空間

Claims (1)

1. 構造物の柱材に設けられた屋根架構を構成し、平面視で放射状に梁材を配した立体張弦梁構造であって、
   前記構造物の中心を通る放射方向に延在するとともに、該中心を通る複数の梁材と、
   これら梁材の下方の位置で長さ方向を前記放射方向に向けて前記梁材と同方向に配置され、一端が前記梁材と前記柱材との第１交点とに連結されるとともに、他端が平面視で前記構造物の中心と前記第１交点の間に位置する第１ストリングと、
   複数の前記第１ストリングの他端どうしを連結する第２ストリングと、
   前記梁材の前記構造物の中心と梁端との間の任意の位置および前記第１ストリングの他端と前記第２ストリングとの第２交点を連結する束材と、
   を備え、
   前記第１ストリングと前記第２ストリングとが緊張されていることを特徴とする立体張弦梁構造。

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