JP6451383B2 - 横架構造体 - Google Patents

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本発明は、横架構造体に関する。
水平方向に離間した支持部の間に架設され、上方から鉛直荷重を受ける横架構造体として、上弦材、下弦材、及び、斜め材を用いたトラス構造のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、例えば、橋などにおいて上弦材と下弦材をレンズ状に湾曲させ、斜め材を省略した構造(サスペンアーチ構造)も知られている。この構造では、鉛直荷重を受けた際に、上弦材は荷重により外側に開こうとし、下弦材は逆に内側に近づこうとする。これにより、力が釣り合い支持部に水平力が生じないようにできる。
特開2004−156343号公報
しかしながら、前者の場合、斜め材を用いるため部材数が多くなり、また、上弦材、下弦材、斜め材にそれぞれ鋼材を用いるため鋼材の使用量が多くなる(換言するとコストが高くなる)という問題があった。
また、後者の場合、上弦材と下弦材を同じ曲率で湾曲させるため、水平面に対して上方に凸状に湾曲している部分の高さ(以下、「ライズ」ともいう)が大きくなっていた。このため、床や屋根(屋上広場)などに適用する場合、平坦性が損なわれるという問題があった。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、平坦性の悪化を抑制しつつコストの低減を図ることにある。
かかる目的を達成するため、本発明の横架構造体は、
第1の支持部と、前記第1の支持部から水平方向に離間した第2の支持部との間に架設され、上方から鉛直荷重を受ける横架構造体であって、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを、上方に凸となるように湾曲して連結するコンクリート部材と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを、下方に凸となるように湾曲して連結する鋼材と、
前記コンクリート部材と前記鋼材とを上下に連結する上下連結部材と、
備え、
前記コンクリート部材及び前記鋼材は、水平方向に平行な水平部を両端に有し、
前記水平部を補強する補強部材をさらに備え、
前記第1の支持部と前記第2の支持部は、一対の鉛直部材に対向するように設けられており、
前記補強部材は、前記水平部と前記鉛直部材とを斜めに連結する
ことを特徴とする。
このような管材の連結構造によれば、上弦材が鋼材でなくコンクリート部材であり、また、斜め材を省略しているので、部材数を少なくでき、鋼材の使用量を削減できる。よってコストの低減を図ることができる。さらに、後述するように、上弦材(コンクリート部材)の剛性を下弦材(鋼材)の剛性よりも大きくでき、これにより、上弦材のライズ量を小さくすることができる。すなわち平坦性の悪化を抑制することができる。
なお、前記コンクリート部材及び前記鋼材は、水平方向に平行な水平部を両端に有し、前記水平部を補強する補強部材をさらに備えているから、鋼材の使用量をさらに減らすことができ、軽量化を図ることができる。また、変形量を小さくすることができる。
なお、前記第1の支持部と前記第2の支持部は、一対の鉛直部材に対向するように設けられており、前記補強部材は、前記水平部と前記鉛直部材とを斜めに連結するから、水平部を確実に補強することができる。
かかる横架構造体であって、前記一対の鉛直部材の外側は地盤であることが望ましい。
このような横架構造体によれば、土圧に対して抵抗することができ、より有効である。
かかる横架構造体であって、前記コンクリート部材は、前記鉛直荷重により圧縮部材となる。
このような横架構造体によれば、鉛直荷重による圧縮力に耐えることができる。
また、前記鋼材は、自重により引張部材となる。
このような横架構造体によれば、鋼材の持つ引張強度を有効に使うことができる。
また、前記上下連結部材は、前記鉛直荷重の一部を前記鋼材に伝達することが望ましい。
また、前記上下連結部材は、前記コンクリート部材の全体座屈(面外へのはらみ出し等)を防止することが望ましい。
本発明によれば、平坦性の悪化を抑制しつつコストの低減を図ることができる。
比較例の横架構造体100の架構図である。 第1実施形態の横架構造体1の架構図である。 第1実施形態の横架構造体1の斜視図である。 図2のA−A断面図である。 第2実施形態の横架構造体1の架構図である。
===第1実施形態===
本実施形態について説明する前にまず比較例について説明する。
<<比較例の横架構造体について>>
図1は、比較例の横架構造体100の架構図である。
図に示すように、比較例の横架構造体100は、水平方向に離間して設けられた一対の支柱200の間(上端の対向部位)に架設されている。支柱200は、鉛直方向に立設された2本の鋼材(例えば、角形鋼管など)と、その2本の柱を水平方向に連結する複数の鋼材によって構成されている。一対の支柱200間の距離L1は、例えば50mであり、大スパン構造となっている。
比較例の横架構造体100は、上弦材120、下弦材140、垂直材160、及び斜め材180を有している。
上弦材120は、横架構造体100の上端部分において直線状(水平方向に平行)に設けられている。
下弦材140は、横架構造体100の下端部分において直線状(水平方向に平行)に設けられている。
垂直材160は、上弦材120と下弦材140を鉛直方向に連結するものであり、水平方向に所定間隔で複数配置されている。
斜め材180は、上弦材12、下弦材140、垂直材160により区画された領域内において、上弦材12と下弦材140を斜めに連結するように(対角線上に)設けられている。また、この比較例では、一対の支柱200の上端部分にも斜め材180が配置されている。
なお、上弦材120、下弦材140、垂直材160、斜め材180は、例えばH形鋼などの鋼材で構成されている。
そして、例えば床を構成する場合には、一対の支柱200及び横架構造体100との組み合わせを、架設方向に対して垂直な方向(紙面に垂直な方向)に複数設け、上弦材120の上に鉄筋コンクリート床版や鋼床版などを配置する。
このように比較例の横架構造体100は、直線状の上弦材120と下弦材140を、垂直材160と斜め材180とで連結した構造(トラス構造)となっている。これにより、上方からの鉛直荷重に対する強度を高めることができる。
しかし、この比較例の場合、斜め材180を用いているため部材数が多くなり、また、斜め材180や上弦材120にも鋼材を用いるため鋼材の使用量が増えコストが増大する(不経済である)。
そこで、本実施形態では、部材数を削減するとともに鋼材の使用量を減らし、コストの低減を図るようにしている。また、本実施形態では、部材数を削減する際に、後述するように、平坦性の悪化を抑制するようにしている。
<<第1実施形態の横架構造体について>>
図2は、第1実施形態の横架構造体1の架構図である。また、図3は、第1実施形態の横架構造体1の斜視図であり、図4は、図2のA−A断面図である。
図2に示すように、横架構造体1は、水平方向に離間して立設された一対の支柱20における対向する支持部20Aの間に架設されている。より具体的には、横架構造体1の一端は、一方の支柱20の上端の支持部20Aに連結され、横架構造体1の他端は、他方の支柱20の上端の支持部20Aに連結されている。このようにして、横架構造体1は、一対の支柱20に支持されている。なお、一対の支柱20の対向する支持部20Aは、それぞれ、第1の支持部及び第2の支持部に相当する。
本実施形態の横架構造体1は上弦材12と、下弦材14と、上下連結部材16とを有する。
上弦材12(コンクリート部材に相当)は、上方に凸状に湾曲したアーチ型の部材である。このため、鉛直荷重を受けると、上弦材12には全長にわたり常にほぼ一定の圧縮力がかかることになる。つまり、上弦材12は鉛直荷重により圧縮部材となる。そこで、本実施形態では上弦材12をコンクリートスラブ(コンクリート部材に相当)で形成している。また、本実施形態では、上弦材12をコンクリートスラブで形成することにより、上弦材12の剛性が下弦材14の剛性よりも大きくなっており、上方に凸状に湾曲している部分の水平面からの高さ(ライズ量D)を小さくすることができる。なお、剛性及びライズ量の詳細については後述する。
下弦材14(鋼材に相当)は、上弦材12と端部同士で連結し、下方に凸状に湾曲して引張力が作用するようにしたサスペンションン形の部材である。なお、下弦材14は自重により引張部材となるとともに、鉛直荷重の一部が上下連結部材16を介して伝達される。下弦材14には大きな引張力が作用するため、下弦材14は引張強度の高い鋼材で構成している。これにより、鋼材の持つ引張強度を有効に使うことができる。なお、本実施形態では、下弦材14としてH形鋼を用いているが、他の鋼材を用いてもよい。
上下連結部材16は、上弦材12と下弦材14とを鉛直方向に連結する部材(束材)であり、水平方向に複数設けられている。図2に示すように、上下連結部材16の上端は上弦材12と連結され、下端は下弦材14と連結されている。そして、前述したように、上下連結部材16は、上弦材12が受けた鉛直荷重の一部を下弦材14に伝達する。また、上下連結部材16は、上弦材12の全体座屈(面外へのはらみ出し等)を防止する。
なお、本実施形態では、上弦材12、下弦材14、及び、上下連結部材16の連結部分は全て溶接などによる剛接合であるが、これには限られずピン接合であってもよい。
支柱20(鉛直部材に相当)は、横架構造体1を支持する柱状の部材であり、横架構造体1を挟むようにして(すなわち水平方向に離間して)一対設けられている。本実施形態の支柱20は、比較例の支柱200と同様に、鉛直方向に立設された2本の鋼材(例えば角型鋼管)と、その2本の柱を水平方向に連結する複数の鋼材によって構成されている。ただし、これには限られず、横架構造体1の両端を支持する支持部(支持部20Aに相当する部分)があればよい。例えば、鉛直方向に沿って立設された1本の柱(鋼材)のみであってもよいし、あるいは、壁などであってもよい。
横架構造体1は、図3に示すように、架設方向に対して垂直な方向(図2において紙面に垂直な方向)に複数並んで設けられており、各横架構造体1の上弦材12は一体に形成さている。また、図示していないが、一対の支柱20は、横架構造体1ごとに(すなわち下弦材14と上弦材12の連結部分ごとに)それぞれ設けられている。
このように、本実施形態では、上弦材12として鋼材ではなくコンクリートスラブを用いており、さらに比較例のような斜め材180も用いていないので、比較例と比べて部材数を削減でき、また、鋼材の使用量を削減できる。よってコストの低減を図ることができる。
<<ライズ量について>>
仮に、上弦材12に下弦材14と同じ鋼材(H形鋼)を用いるようにした場合(つまり上弦材12と下弦材14の剛性が同じ場合)には、上弦材12の曲率(ライズ)を下弦材14の曲率(サグ)とほぼ同じにする必要がある。こうすることにより、上弦材12が外側に開こうとする力と、下弦材14が内側に近づこうとする力を釣り合わせることができ、支持部に水平力を発生させないようにできる。しかし、この場合、上弦材12のライズ量Dが大きくなり、平坦性が損なわれてしまう。
これに対し、本実施形態では、上弦材12をコンクリートスラブで形成しており、上弦材12の剛性を下弦材14の剛性よりも高くしている。これにより、ライズ量Dを小さくすることができる。
以下、上弦材12と下弦材14の剛性について説明する。
前述したように、本実施形態の横架構造体1では、上弦材12をコンクリートスラブで形成し、下弦材14をH形鋼で形成している(図4参照)。
ここで、上弦材12(コンクリートスラブ)の断面積Ac(mm2)は、コンクリートスラブ厚をt(mm)、コンクリート有効幅をB(mm)とすると、
Ac=t×B ・・・(1)
となる、なお、コンクリート有効幅Bは、桁行スパン(支点間距離:図3参照)と同じであるとする。
また、上弦材12(コンクリートスラブ)の剛性Kc(N/m)は、コンクリートヤング係数をEc(N/mm3)として、
Kc=Ac×Ec=t×B×Ec ・・・(2)
となる。
一方、下弦材14(H形鋼)の剛性Ks(N/m)は、鉄骨断面積をAs(mm2)、鉄骨ヤング係数をEs(N/mm3)として、
Ks=As×Es ・・・(3)
となる。
上弦材12と下弦材14との剛性比は、上弦材12の剛性Kcと下弦材14の剛性Ksとを用いて、Kc/Ksで求められる。
本実施形態において、上弦材12のt=300(mm)、B(桁行スパン)=6300(mm)、Ec=25481(N/mm3:コンクリート強度Fc30)であり、下弦材14のAs=500(mm2)、Es=205000(N/mm3)である。この場合、Kcは、式(2)より4.816×1010(N/m)となり、Ksは式(3)より1.025×1010(N/m)となる。よって、上弦材12と下弦材14との剛性比(Kc/Ks)は4.70となる。つまり、上弦材12の剛性は、下弦材14の剛性の4倍以上になる。
このように、上弦材12の剛性が下弦材14の剛性よりも大きいため、図2のように、ライズ量Dを小さくすることができる(水平力が生じないときのライズ量Dが小さくなる)。具体的には、距離L1(スパン)が50mのとき、トラス成を4m程度に設定した場合は、ライズ量Dが80cm程度で水平力が生じなくなる(ライズ量Dを2mから80cmに抑えることができる)。
以上、説明したように、本実施形態の横架構造体1は、水平方向に離間した一対の支柱20(対向する支持部20A)の間に設けられており、上方に凸となるように形成された上弦材12(コンクリート部材)と、下方に凸となるように形成された下弦材14(鋼材)と、上弦材12と下弦材14とを連結する上下連結部材16を備えている。このように、本実施形態では、上弦材12として鋼材ではなくコンクリートスラブを用いており、さらに比較例のような斜め材180も用いていないので、比較例の場合よりも部材数を削減でき、また、鋼材の使用量を削減できる。よってコストの低減を図ることができる。また、本実施形態では、上弦材12をコンクリートスラブで形成することにより、上弦材12の剛性が下弦材14の剛性よりも大きくなっている。これにより上弦材12のライズ量Dを小さくすることができ、平坦性の悪化を抑制することができる。
===第2実施形態===
図5は、第2実施形態の横架構造体1の架構図である。
図において第1実施形態(図2)と同一構成の部分には同一符号を付し、説明を省略する。第2実施形態では、上弦材12及び下弦材14の凸状に湾曲した部位の架設方向の長さは距離L1よりも小さくなっている。つまり、第2実施形態では、一対の支柱20の内側で上弦材12と下弦材14が接合している。
第2実施形態の横架構造体1は、水平部18と補強部材19を有している。
水平部18は、上弦材12と下弦材14の両端において水平方向に沿って(水平方向と平行に)設けられている。なお、これには限られず、別の部材を用いて上弦材12と下弦材14との接合部と、支持部20Aとを連結させてもよい。
補強部材19は、水平部18を補強するものであり、水平部18の端(上弦材12と下弦材14の接合部)と支柱20との間に斜めに設けられている。つまり、補強部材19は、水平部18と支柱20とを斜めに連結している。また、補強部材19は、鉛直荷重の一部を支柱20に伝達する。
第2実施形態では、横架構造体1の両端に水平部18及び補強部材19を設けてトラスを構成しているので、実質的なスパンは、図2の距離L2となり、一対の支柱20の間の距離L1よりも小さくなる。本実施形態では、距離L1は50mであり、距離L2は40mである。そして、実質的なスパンが小さくなることにより、鋼材の使用量をさらに減らすことができ、軽量化を図ることができる。また、水平部18と補強部材19との連結部は曲げモーメントの反曲点となるため、鉛直荷重を受けた際の曲げモーメントが第1実施形態の場合よりも全体的に上に持ち上がる。すなわち、トラス中央の変形量を小さくすることができる。
このように第2実施形態では、鋼材の使用量をさらに減らすことができ、また、鉛直荷重を受けることによる変形を小さくすることができる。
また、中央部のトラス成と、端部のトラス高さ(補強部材19と支柱20との連結部と、支持部20Aとの間の距離)は自由に計画できるため、設計の自由度が増す。
また、例えば、第2実施形態(図5)の構成を地下に設ける場合(一対の支柱20の外側が地盤の場合)、鉛直荷重の一部が補強部材19の軸力となって支柱20に伝わり、その水平成分により土圧に対して抵抗することができる(土圧に対してキャンセル力として作用する)。
このため、第2実施形態の構成は、地下に設けるとより有効である。
===その他の実施の形態===
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
(上弦材12、下弦材14の形状について)
上弦材12及び下弦材14の湾曲(凸状)の形態は、円弧状でもカテナリー状でもよい。また、曲線で構成しても多角形で構成してもよい。
1 横架構造体
12 上弦材(コンクリート部材)
14 下弦材(鋼材)
16 垂直材(上下連結部材)
18 水平部
19 補強部材
20 支柱
20A 支持部
100 横架構造体
120 上弦材
140 下弦材
160 垂直材
180 斜め材
200 支柱

Claims (6)

  1. 第1の支持部と、前記第1の支持部から水平方向に離間した第2の支持部との間に架設され、上方から鉛直荷重を受ける横架構造体であって、
    前記第1の支持部と前記第2の支持部とを、上方に凸となるように湾曲して連結するコンクリート部材と、
    前記第1の支持部と前記第2の支持部とを、下方に凸となるように湾曲して連結する鋼材と、
    前記コンクリート部材と前記鋼材とを上下に連結する上下連結部材と、
    備え、
    前記コンクリート部材及び前記鋼材は、水平方向に平行な水平部を両端に有し、
    前記水平部を補強する補強部材をさらに備え、
    前記第1の支持部と前記第2の支持部は、一対の鉛直部材に対向するように設けられており、
    前記補強部材は、前記水平部と前記鉛直部材とを斜めに連結する
    ことを特徴とする横架構造体。
  2. 請求項1に記載の横架構造体であって、
    前記一対の鉛直部材の外側は地盤である
    ことを特徴とする横架構造体。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の横架構造体であって、
    前記コンクリート部材は、前記鉛直荷重により圧縮部材となる
    ことを特徴とする横架構造体。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れかに記載の横架構造体であって、
    前記鋼材は、自重により引張部材となる
    ことを特徴とする横架構造体。
  5. 請求項1乃至請求項4の何れかに記載の横架構造体であって、
    前記上下連結部材は、前記鉛直荷重の一部を前記鋼材に伝達する
    ことを特徴とする横架構造体。
  6. 請求項1乃至請求項5の何れかに記載の横架構造体であって、
    前記上下連結部材は、前記コンクリート部材の全体座屈を防止する
    ことを特徴とする横架構造体。
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