JP6671444B1 - 建築用の構造材、及び、建築物 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮及び引張の両方の外力に対して破損し難い構成を有する建築用の構造材、及び、建築物、を提供する。【解決手段】本発明に係る建築用の構造材は、炭素繊維強化プラスチック製の筒状の第１長尺部材と、前記第１長尺部材の内部に挿通されている金属製の第２長尺部材と、を備え、前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材は、互いに重なる重複領域の軸方向の両端部において機械的に接合されており、かつ、前記重複領域の前記軸方向の中央部において接合されていない。【選択図】図２

Description

本発明は、建築用の構造材、及び、建築物、に関する。

従来から、建築用の構造材としては、木材、鋼材などからなる柱、梁などが知られている。特許文献１には、運輸機械、電気機器、医療機器、一般機械、その他の機器等に使用される管状複合体として、繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastic：略して以下、「ＦＲＰ」という。）製の管内に、金属管を収容した状態で一体化された管状構造物が開示されている。特許文献１には、この管状構造物が建築用の構造材として利用し得ることが記載されている。

特開２００８−３０７８４２号公報

特許文献１に記載の管状構造物では、ＦＲＰ製の管と、金属管と、が軸方向の全域に亘って接合されて一体化されている。そのため、特許文献１に記載の管状構造物では、軸方向の圧縮及び引張の両方の外力に対して、ＦＲＰ製の管と金属管とが共に耐力を発揮することから、ＦＲＰ製の管と金属管との接合箇所である界面が破損し易いという問題がある。

そこで本発明は、上記問題に鑑み、圧縮及び引張の両方の外力に対して破損し難い構成を有する建築用の構造材、及び、建築物、を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様としての建築用の構造材は、炭素繊維強化プラスチック製の筒状の第１長尺部材と、前記第１長尺部材の内部に挿通されている金属製の第２長尺部材と、を備え、前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材は、互いに重なる重複領域の軸方向の両端部において機械的に接合されており、かつ、前記重複領域の前記軸方向の中央部において接合されていない。

本発明の１つの実施形態として、前記第２長尺部材は筒状部材であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記第２長尺部材はアルミニウム製であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材は、前記第１長尺部材の周壁に形成されている第１孔と前記第２長尺部材の周壁に形成されている第２孔と、に挿通されている挿通部材により、機械的に接合されていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記挿通部材はリベットであり、前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材はリベット接合されていることが好ましい。

本発明の第２の態様としての建築物は、上記建築用の構造材を用いて軸組みされた架構を備える。

本発明の第３の態様としての建築物は、上記建築用の構造材を用いて格子状に形成された屋根構造体を備える。

本発明によれば、圧縮及び引張の両方の外力に対して破損し難い構成を有する建築用の構造材、及び、建築物、を提供することができる。

本発明の一実施形態としての建築用の構造材を示す図である。 図１に示す構造材の一部を拡大して示す拡大図である。 図１に示す構造材の軸方向と直交する断面を示す断面図である。 図１に示す構造材の、第１長尺部材の中心軸線を含む軸方向に平行な断面の一部を示す断面図である。 図１に示す構造材を用いて格子状に形成された屋根構造体を備える、本発明の一実施形態としての建築物を示す図である。 図５に示す屋根構造体の一部を鉛直方向上方から見た平面図である。

以下、本発明に係る、建築用の構造材、及び、建築物、の実施形態について図面を参照して説明する。各図において共通する部材・部位には同一の符号を付している。

図１は、本発明に係る建築用の構造材の一実施形態としての構造材１００を示す図である。図２は、図１の構造材１００の一部（図１の破線で囲まれる範囲）を拡大して示す拡大図である。図２に示すように、構造材１００は、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：略して以下、「ＣＦＲＰ」という。）製の筒状の第１長尺部材１と、この第１長尺部材１の内部に挿通されている金属製の第２長尺部材２と、を備えている。図２では、説明の便宜上、第１長尺部材１の一部を取り除き、第２長尺部材２の一部を示している。

以下、第１長尺部材１の軸方向を単に「軸方向Ａ」と記載する。また、第１長尺部材１の径方向を単に「径方向Ｂ」と記載する。更に、第１長尺部材１の周方向を単に「周方向Ｃ」と記載する。

図１、図２に示すように、構造材１００では、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が互いに重なる重複領域ＯＲが形成されている。具体的に、本実施形態の構造材１００では、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の軸方向Ａの長さが略等しい。更に、本実施形態の構造材１００では、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が、軸方向Ａ全域で径方向Ｂに重なっている。つまり、本実施形態の構造材１００では、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の軸方向Ａ全域により、重複領域ＯＲが形成されている。

但し、第１長尺部材１の軸方向Ａの端部が、第２長尺部材２の軸方向Ａの端部よりも突出していてもよい。また、第２長尺部材２の軸方向Ａの端部が、第１長尺部材１の軸方向Ａの端部よりも突出していてもよい。

図２に示すように、第１長尺部材１及び第２長尺部材２は、重複領域ＯＲの軸方向Ａの端部１１それぞれにおいて機械的に接合されている。更に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２は、重複領域ＯＲの軸方向Ａの中央部１２において接合されていない。

なお、重複領域ＯＲの軸方向Ａの端部１１とは、重複領域ＯＲの軸方向Ａの全長の１／４の領域を意味する。また、重複領域ＯＲの軸方向Ａの中央部１２とは、重複領域ＯＲの軸方向Ａの両方の端部１１に挟まれる領域を意味する。

このような構成とすることで、構造材１００に対して軸方向Ａに圧縮力が作用した場合に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が軸方向Ａの端部のみで接合されているため、金属製の第２長尺部材２が優先的に圧縮力に対して耐力を発揮することができ、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１に作用する圧縮力を抑制することができる。なお、金属製の第２長尺部材２の座屈は、第１長尺部材１に当接することで抑制される。具体的に、第２長尺部材２が、軸方向Ａの圧縮力により座屈しそうになっても、第２長尺部材２が第１長尺部材１の内壁に当接することで、第２長尺部材２の座屈変形が防がれる。更に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が機械的に接合されているため、両者が例えば接着剤や溶接等で接合されている場合と比較して、両者の接合箇所に作用するせん断力に対する耐力を向上させ易い。したがって、軸方向Ａの圧縮力に対して、金属製の第２長尺部材２が優先的に耐力を発揮すると共に、第１長尺部材１と第２長尺部材２との接合箇所が破損し難い構造材１００を実現することができる。

また、構造材１００に対して軸方向Ａに引張力が作用した場合に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が軸方向Ａの端部のみで接合されているため、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１が優先的に引張力に対して耐力を発揮することができ、金属製の第２長尺部材２に作用する引張力を抑制することができる。更に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が機械的に接合されているため、両者が例えば接着剤や溶接等で接合されている場合と比較して、両者の接合箇所に作用するせん断力に対する耐力を向上させ易い。したがって、軸方向Ａの引張力に対して、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１が優先的に耐力を発揮すると共に、第１長尺部材１と第２長尺部材２との接合箇所が破損し難い構造材１００を実現することができる。

以上のように、構造材１００は、上記構成を備えることで、圧縮及び引張の両方の外力に対して破損し難くなる。

更に、金属製の第２長尺部材２は、温度変化によって伸びる又は縮む性質がある。これに対して、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１は、熱膨張率が第２長尺部材２よりも小さいため、第２長尺部材２と比較して、温度変化によって伸び・縮みし難い。そのため、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が接合されていることで、第２長尺部材２の伸び・縮みを第１長尺部材１により抑制できる。

以下、本実施形態の構造材１００の更なる詳細について説明する。

図３は、構造材１００の軸方向Ａと直交する断面を示す断面図である。図４は、構造材１００の、第１長尺部材１の中心軸線Ｏを含む軸方向Ａに平行な断面の一部を示す断面図である。図３、図４は、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の接合箇所を含む位置での断面を示している。接合箇所の詳細は後述する。

図３、図４に示すように、本実施形態の第２長尺部材２は筒状部材である。図３に示すように、本実施形態の構造材１００では、第２長尺部材２の外径ｒ２が、第１長尺部材１の内径ｒ１よりも若干小さいが、略同心円状に配置されている。具体的に、本実施形態の第２長尺部材２の外径ｒ２は、第１長尺部材１の内径ｒ１の９６％〜９９％の範囲とされている。

したがって、本実施形態では、第１長尺部材１の軸方向Ａは、第２長尺部材２の軸方向と略一致しており、ひいては構造材１００の軸方向と略一致している。また、本実施形態では、第１長尺部材１の径方向Ｂは、第２長尺部材２の径方向と略一致しており、ひいては構造材１００の径方向と略一致している。更に、本実施形態では、第１長尺部材１の周方向Ｃは、第２長尺部材２の周方向と略一致しており、ひいては構造材１００の周方向と略一致している。

本実施形態の第２長尺部材２はアルミニウム製である。第２長尺部材２をアルミニウム製とすることで、棒状の構造材１００を軽量化できる。但し、第２長尺部材２を、鋼材等の別の材料により形成してもよい。

図３、図４に示すように、第１長尺部材１及び第２長尺部材２は、第１長尺部材１の周壁に形成されている第１孔１ａと第２長尺部材２の周壁に形成されている第２孔２ａと、に挿通されている挿通部材３により、機械的に接合されている。より具体的に、第１長尺部材１及び第２長尺部材２は、挿通部材３により、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の軸方向Ａ及び周方向Ｃの相対的な移動を防止されている。このような構成とすれば、簡易な構成で、第１長尺部材１及び第２長尺部材２を機械的に接合できる。

本実施形態の挿通部材３はリベットである。第１長尺部材１及び第２長尺部材２は、挿通部材３としてのリベットにより、リベット接合されている。第１長尺部材１及び第２長尺部材２をリベットによりリベット接合することで、第１長尺部材１及び第２長尺部材２を簡単に、機械的に接合できる。なお、本実施形態の挿通部材３はリベットであるが、例えば、ボルトにより挿通部材３を構成してもよい。かかる場合には、挿通部材３としてのボルトを第１長尺部材１及び第２長尺部材２に固定するボルトを利用することができる。なお、挿通部材３としてのリベットやボルトは、鋼材により形成可能である。

図１、図３に示すように、本実施形態の構造材１００では、重複領域ＯＲの軸方向Ａの両方の端部１１で、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が挿通部材３により機械的に接合されている。より具体的に、本実施形態の構造材１００では、重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１で、周方向Ｃに等間隔を空けて配置された４つの挿通部材３としてのリベットにより、第１長尺部材１及び第２長尺部材２が接合されている。挿通部材３の周方向Ｃにおける数や配置間隔は、本実施形態で示す構成に限られない。挿通部材３を周方向Ｃに３つ以下、５つ以上としてもよい。また、周方向Ｃにおける挿通部材３の配置間隔についても、等間隔でなくてもよい。

また、挿通部材３は、重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１で、軸方向Ａの異なる位置に複数配置されてもよい。このようにすれば、重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１における第１長尺部材１及び第２長尺部材２の接合強度を、より高めることができる。重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１で、軸方向Ａの異なる位置に複数の挿通部材３を配置する場合には、軸方向Ａで異なる位置に配置された挿通部材３の周方向Ｃの位置を、異ならせることが好ましい。このようにすることで、重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１において、第１孔１ａ及び第２孔２ａの周方向Ｃの位置を分散できる。そのため、重複領域ＯＲの軸方向Ａの各端部１１で、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の周方向Ｃの位置による強度のばらつきを抑制できる。

更に、重複領域ＯＲの軸方向Ａの一端部１１での挿通部材３の周方向Ｃにおける位置、及び、重複領域ＯＲの軸方向Ａの他端部１１での挿通部材３の周方向Ｃのおける位置、についても異ならせることが好ましい。このようにすることで、重複領域ＯＲの軸方向Ａの一端部１１における第１孔１ａ及び第２孔２ａの周方向Ｃでの位置と、重複領域ＯＲの軸方向Ａの他端部１１における第１孔１ａ及び第２孔２ａの周方向Ｃでの位置と、を異ならせることができる。そのため、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の部材強度が、第１孔１ａ及び第２孔２ａによって周方向Ｃに周期的に低下することを抑制し、第１長尺部材１及び第２長尺部材２の周方向Ｃの位置による部材強度の変動を抑制できる。

以上のように、本実施形態の構造材１００では、圧縮力に対してＣＦＲＰ製の第１長尺部材１が、アルミニウム製の第２長尺部材２を補剛し、耐力を向上させることができる。また、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１により、アルミニウム製の第２長尺部材２の座屈を拘束できる。引張力に対しては、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１により、他の特殊な技術等を用いることなく、十分な耐力を確保することができる。そして、ＦＣＲＰ製の第１長尺部材１と、アルミニウム製の第２長尺部材２と、を一部のみで機械的に接合することで、電食や部材間の剥離を抑制できる。なお、アルミニウム製の第２長尺部材２は、長期荷重を負担し、過大な荷重の負荷された際には、塑性変形することでエネルギーを吸収できる。また、アルミニウム製の第２長尺部材２によれば、ＣＦＲＰ製の第１長尺部材１の面座屈を防止できる。更に、ＣＦＲＰは、鉄の５倍の強度で、比重は１／５である。また、熱膨張係数についても１μ／℃である。このようなＣＦＲＰで第１長尺部材１が形成されているため、アルミニウム製の第２長尺部材２の軸方向Ａの熱伸びを規制できる。

以下、本実施形態の建築用の構造材１００を用いた建築物の一例について説明する。

図５は、構造材１００を用いて格子状に形成された屋根構造体５０を備える建築物２００を示す図である。図５に示す建築物２００はドームであるが、建築物２００はドームに限られない。図６は、図５に示す屋根構造体５０の一部を鉛直方向上方から見た平面図である。

図５、図６に示す建築物２００としてのドームでは、屋根２０１の屋根構造体５０が、構造材１００により形成されている。具体的に、屋根２０１は、複数の構造材１００を用いて形成された格子シェル状の屋根構造体５０を備える。本実施形態の屋根構造体５０は、２層構造であるが、１層構造であってもよい。

図６に示すように、屋根構造体５０は、複数の構造材１００同士が連結されることで形成されており、全体として格子シェル状の外形を有している。

本実施形態では、軸方向Ａの全長が２０ｍの複数の構造材１００を、平面視で格子状に配列し、平面視での構造材１００の交点で、構造材１００同士を連結する連結部材１０１により連結する。連結部材１０１としては、例えば、複数の構造材１００同士を連結するクランプを用いることができる。これにより、屋根構造体５０の各層における単位ユニットが構成されている。格子シェル状の屋根構造体５０の１つの層は、この２０ｍ四方の各層の単位ユニットを、面内方向で連結させていくことで形成される。単位ユニット同士は、構造材１００の端部同士を連結部材１０１で連結させていくことで連結される。なお、本実施形態では、全長２０ｍの構造材１００による形成された２０ｍ四方の層を各層の単位ユニットとしているが、寸法は２０ｍに限られず、建築物に応じて種々の寸法の単位ユニットとすることができる。但し、図５、図６に示すように、構造材１００を用いて格子シェル状の屋根構造体５０を形成する場合には、ここで例示する２０ｍのような、各構造材１００の軸方向Ａの長さを長尺にして、自重により撓み易い構成とすることが好ましい。このようにすれば、屋根構造体５０により形成される湾曲面を、各構造材１００を撓ませて単位ユニットを湾曲させることで実現できる。

本実施形態の屋根構造体５０は、格子状の単位ユニットを面内方向で連結していくことで形成された２つの層（内層５０ａ及び外層５０ｂ）と、２つの層を連結する連結部材５０ｃと、で構成されている。連結部材５０ｃとしては、上述した連結部材１０１と同様、例えば、複数の構造材１００同士を連結するクランプを用いることができる。本実施形態では、内層５０ａを構成する構造材１００が、外層５０ｂを構成する構造材１００と、屋根の内外方向である屋根厚み方向において完全に重なる位置には配置されていない。換言すれば、図６に示すように、屋根構造体５０を、屋根厚み方向で見た場合に、内層５０ａを構成する構造材１００は、外層５０ｂを構成する構造材１００と、交差するように延在している。このような構成とすれば、内層５０ａ及び外層５０ｂの一方の面剛性のばらつきを、他方により補完する構成を実現し易い。つまり、屋根構造体５０全体として面外剛性を高めることができる。なお、図６において、内層５０ａは、上下方向に延在し、左右方向に所定ピッチで配置された複数の構造材１００と、左右方向に延在し、上下方向に所定ピッチで配置された複数の構造材１００と、により矩形のグリッドが形成されている層である。また、図６において、外層５０ｂは、上下方向に対して左右方向の一方側に傾斜して延在し、この延在方向と直交する方向に所定ピッチで配置された複数の構造材１００と、上下方向に対して左右方向の他方側に傾斜して延在し、この延在方向と直交する方向に所定ピッチで配置された複数の構造材１００と、により矩形のグリッドが形成されている層である。換言すれば、内層５０ａを構成する構造材１００の延在方向は、外層５０ｂを構成する構造材１００の延在方向と異なっている。図６に示す例では、内層５０ａを構成する構造材１００の延在方向は、外層５０ｂを構成する構造材１００の延在方向に対して４５度傾斜しているが、この傾斜角度は４５度に限られるものではない。

本発明に係る建築用の構造材は、上述した実施形態に記載した具体的な構成に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更が可能である。例えば、図５、図６では、建築用の構造材１００を用いて格子状に形成された屋根構造体５０を備える建築物２００を示したが、建築用の構造材１００を用いて軸組みされた架構を備える建物などの建築物としてもよい。

本発明は、建築用の構造材、及び、建築物、に関する。

１：第１長尺部材
１ａ：第１孔
２： 第２長尺部材
２ａ：第２孔
３：挿通部材
１１：重複領域の軸方向の端部
１２：重複領域の軸方向の中央部
５０：屋根構造体
５０ａ：内層
５０ｂ：外層
５０ｃ：連結部材
１００：建築用の構造材
１０１：連結部材
２００：建築物
２０１：屋根
Ａ：第１長尺部材の軸方向
Ｂ：第１長尺部材の径方向
Ｃ：第１長尺部材の周方向
Ｏ：第１長尺部材の中心軸線
ｒ１：第１長尺部材の内径
ｒ２：第２長尺部材の外径
ＯＲ：重複領域

Claims (5)

1. 炭素繊維強化プラスチック製の筒状の第１長尺部材と、
   前記第１長尺部材の内部に挿通されている金属製の第２長尺部材と、を備え、
   前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材は、互いに重なる重複領域の軸方向の両端部において機械的に接合されており、かつ、前記重複領域の前記軸方向の中央部において接合されておらず、
   前記第２長尺部材は筒状部材であり、
   前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材は、前記第１長尺部材の周壁に形成されている第１孔と前記第２長尺部材の周壁に形成されている第２孔と、に挿通されている挿通部材により、機械的に接合されている、建築用の構造材。
2. 前記第２長尺部材はアルミニウム製である、請求項１に記載の建築用の構造材。
3. 前記挿通部材はリベットであり、
   前記第１長尺部材及び前記第２長尺部材はリベット接合されている、請求項１又は２に記載の建築用の構造材。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の建築用の構造材を用いて軸組みされた架構を備える建築物。
5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の建築用の構造材を用いて格子状に形成された屋根構造体を備える建築物。

Images