JP6718713B2 - 屋根構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の屋根の下に大空間を形成するための屋根構造に関する。

従来より、音楽ホールや室内競技場などは、種々の催しにも対応できるように、大空間屋根架構が要請されてきた。この屋根架構としては、柱間隔を長スパン化するために、トラス梁構造、アーチ構造、シェル構造、膜構造が開発されてきた。このうち、アーチ構造、シェル構造、膜構造は、施工手順が複雑であるうえに、工期が長期化する場合が多く、屋根架構として採用されることは少なかった。これに対して、トラス梁構造は、構造形式が明快で、施工が容易であることから、屋根架構として数多く採用されてきた（特許文献１、２参照）。

例えば、特許文献１には、鉄骨トラス梁からなるドーム状構造物が開示されている。このドーム状構造物では、アーチ状をなす複数のトラス梁が略平行に配置されるとともに、これらトラス梁と交差するように、複数のトラス梁が略平行に配置され、ドーム状の屋根架構が形成されている。
また、特許文献２には、トラス張弦梁で構成した屋根架構が開示されている。トラス張弦梁は、並列配置された２本の上弦材と、これら上弦材に沿って配置された１本の下弦材と、上弦材と下弦材を連結する複数本の斜め束材とで構成されている。

しかしながら、大規模な屋根架構をトラス梁のみで構成するには、屋根面を覆うために、長スパンでかつ梁せい（梁の高さ）が大きいトラス梁が必要であった。そこで、梁せいを低く抑えようとすると、交差するように架設したトラス梁で屋根面を支持するか、または、隣接するトラス梁同士の間隔を狭める必要があった。
また、トラス梁は多数の部材で構成されるため、特許文献１、２のようなトラス梁を多数配置すると、部材同士の接合箇所が多くなって工期が長期化する傾向があった。
また、屋根架構をトラス梁のみで構築すると、屋根面を支えるトラス梁の両端付近の柱や壁の近傍では、室内空間の天井高さが低くなり、使い勝手が低下する、という問題があった。

特許第４１５３８８５号公報 特開２０１１−１０２５００号公報

しかしながら、トラス梁は多数の部材で構成されるため、特許文献１、２のようにトラス梁を多数配置すると、部材同士の接合箇所が多くなって工期が長期化する、という問題があった。また、特許文献１、２のように屋根の大部分にトラス梁を設けた場合、室内の天井高さが低くなり、使い勝手が低下する、という問題があった。

上記を踏まえて、本発明は、屋根を支える柱や壁付近であっても室内の天井高さを高くでき、かつ、短工期で構築することが可能な屋根架構を提供することを課題とする。

第１の発明の屋根構造（例えば、後述の屋根構造１）は、複数の外周柱（例えば、後述の外周柱２０、２０Ａ〜２０Ｃ）と、隣接する前記外周柱同士を連結する外周梁（例えば、後述の外周梁３３）と、平面視で四角形枠状に配設されたトラス梁（例えば、後述のトラス梁３１）と、を備え、前記外周柱には、前記トラス梁を吊り下げ支持する連結部材（例えば、後述の連結部材３４）が接合されていることを特徴とする。

この発明によれば、屋根の中央部分に、平面視で矩形枠状に配設されたトラス梁を設け、連結部材を介して、このトラス梁を外周柱から吊り下げ支持した。以下、平面視で、矩形枠状のトラス梁と、このトラス梁で囲まれた構造体と、を中央屋根架構（例えば、後述の中央屋根架構３７）と定義する。

中央屋根架構により、屋根の大部分の鉛直荷重と地震荷重とを負担するとともに、この中央屋根架構を外周柱から吊り下げ支持することで、中央屋根架構に作用する地震荷重が、直接外周柱に作用しないようにした。
また、中央屋根架構のトラス梁は、外周柱から吊り下げ支持されるので、屋根の端部周辺でも、天井高さを高くすることができる。
また、本願発明の屋根構造では、鉛直たわみ量が最も増大する屋根中央部分に、剛性に優れた中央屋根架構体を設けることで、屋根全体に亘ってトラス梁を架設する場合に比べて、少ない部材点数で構成しつつ、屋根面の鉛直たわみ量を低減し、かつ、屋根面の直下に大空間を構築することができる。

このように、本願発明の特徴は、屋根の中央部分に、四角形枠状のトラス梁を含む中央屋根架構を設け、連結部材を介して、この中央屋根架構を外周柱から吊り下げ支持した点である。

本願発明の屋根構造では、連結部材の一端は、中央屋根架構を構成するトラス梁の角部に接合され、他端は、外周柱に接合されることが好ましい。これにより、中央屋根架構のトラス梁に曲げ応力を作用させることなく、この中央屋根架構を外周柱から吊り下げ方式で支持できる。なお、屋根構造が平面視で円形や長方形形状である場合には、連結部材を、中央屋根架構を構成するトラス梁の角部以外の箇所に接合してもよい。

第２の発明の屋根構造は、前記連結部材は、前記外周柱の柱頭部と前記トラス梁を構成する下弦材（例えば、後述の下弦材３１１）とにヒンジ接合されていることを特徴とする。

この発明によれば、連結部材とトラス梁とをヒンジ接合するとともに、連結部材と外周柱とをヒンジ接合した。よって、屋根の自重または地震荷重によって屋根中央部分のトラス梁に生じた曲げモーメントは、トラス梁と連結部材とのヒンジ接合部において引張軸力に変換され、この引張軸力が連結部材を介して、外周柱に伝達される。
また、ヒンジ接合部に接合される連結部材、トラス部材の下弦材、および外周柱の柱頭部には、曲げモーメントが生じないので、連結部材、トラス梁、および外周柱に、大きな曲げモーメントが生じるのを防止できる。
さらに、屋根構造を構成する外周柱には、屋根中央部分のトラス梁に生じた曲げモーメントが直接作用することはなく、屋根を内側に傾斜させようとする軸力が作用する。このように、曲げモーメント量が低減されることから、屋根構造を構成する梁や柱を細径化することが可能となる。

第３の発明の屋根構造は、前記連結部材が接合される外周柱の両側面には、一対の外周ブレース材が配設され、当該外周ブレース材の下端部は、前記外周梁より外側に設けられた基礎部に定着されていることを特徴とする。

この発明によれば、トラス梁を吊り下げ支持する外周柱に、外周ブレース材を配設して鉛直剛性を高めることで、屋根が内側に傾斜するのを抑制できる。また、外周ブレース材を外周梁よりも外側に配置したので、外周ブレース材を外周梁に沿って設けた場合に比べて、外周柱の変形を抑制する効果が高く、屋根の耐震性能を高めることができる。

本発明の屋根構造では、さらに、前記外周梁と前記トラス梁とは、複数の小梁（例えば、後述の外側小梁３５）で連結されることが好ましい。

この発明によれば、鉛直荷重や地震荷重は、トラス梁およびこのトラス梁に接合された小梁を介して、外周梁から外周柱に伝達されるので、屋根を確実に支持できる。

本発明の屋根構造によれば、屋根端部の柱や壁の付近においても、室内の天井高さを高くでき、かつ、短工期で構築できる。

本発明の一実施形態に係る屋根構造の平面図である。 図１のＡ−Ａ縦断面図である。 実施形態の屋根構造の斜視図である。 実施形態の屋根構造の主な骨組みを示す模式的な斜視図である。 実施形態の屋根構造に作用する力を説明するための説明図（その１）である。 実施形態の屋根構造に作用する力を説明するための説明図（その２）である。

本発明者らは、骨組の部材点数が少なく、かつ、部材寸法が小さい大屋根架構として、屋根中央部分に、優れた曲げ剛性を有する比較的に細径の部材同士を接合して、菱形状のトラス梁を形成し、この菱形状のトラス梁の角部と外周梁とを連結部材で連結した吊り構造とすることで、太径の部材を使用することなく、部材のせい（部材高さ）を低減させた大屋根架構を実現できることに着目し、屋根中央部にトラス梁を備えた屋根構造の発明に至った。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る屋根構造１の平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ縦断面図である。図３は、屋根構造１の斜視図である。
屋根構造１は、地中に構築された基礎部１０と、この基礎部１０に沿って設けられた複数の鉄骨造の外周柱２０と、これら外周柱２０に支持された鉄骨造の屋根架構３０と、を備える。

基礎部１０は、図１中破線で示すように、平面視で略正方形の枠状に構築されている。この基礎部１０の４つの角部のうち、図１中左下側を角部１０Ａ、この角部１０Ａに隣り合う角部を角部１０Ｂ、角部１０Ａの対角線上に位置する角部を角部１０Ｃとする。

また、屋根架構３０は、平面視で菱形状であり、この屋根架構３０の４つの角部のうち、図１中左下側の角部を角部３０Ａ、この角部３０Ａに隣り合う角部を角部３０Ｂ、角部３０Ａの対角線上に位置する角部を角部３０Ｃとする。

屋根架構３０の角部３０Ａは、基礎部１０の角部１０Ａの直上に位置している。屋根架構３０の角部３０Ａを支持する外周柱を外周柱２０Ａとすると、この外周柱２０Ａは、基礎部１０の角部１０Ａから略鉛直に延びている。
また、この角部３０Ａつまり外周柱２０Ａの両側面には、外周柱２０に沿って延びる一対の外周ブレース材２１Ａが配設され、外周ブレース材２１Ａの下端部は、外周梁３３より外側に設けられた基礎部１０に定着されている。

屋根架構３０の角部３０Ｂは、基礎部１０よりも内側に位置している。屋根架構３０の角部３０Ｂを支持する３本の外周柱を外周柱２０Ｂとすると、これら外周柱２０Ｂは、基礎部１０の角部１０Ｂ付近から内側に傾斜して延びている。
また、基礎部１０の角部１０Ａから角部１０Ｂまで並んだ外周柱２０については、角部１０Ａから角部１０Ｂに向かうに従って、内側への倒れ（水平面に対する傾斜角度）が大きくなってゆく。
また、この角部３０Ｂつまり外周柱２０Ｂの両側面には、外周柱２０、２０Ｂに沿って延びる一対の外周ブレース材２１Ｂが配設され、外周ブレース材２１Ｂの下端部は、外周梁３３より外側に設けられた基礎部１０に定着されている。

屋根架構３０の角部３０Ｃは、基礎部１０よりも内側に位置している。屋根架構３０の角部３０Ｃを支持する３本の外周柱を外周柱２０Ｃとすると、これら外周柱２０Ｃは、基礎部１０の角部１０Ｃ付近から内側に傾斜して延びている。
また、屋根架構３０の角部３０Ｂから角部３０Ｃまでの部分は、基礎部１０の角部１０Ｂから角部１０Ｃまでの部分に略並行であり、基礎部１０の角部１０Ｂから角部１０Ｃまで並んだ外周柱２０については、内側への倒れが一定となっている。
また、この角部３０Ｃつまり外周柱２０Ｃの両側面には、外周柱２０、２０Ｃに沿って延びる一対の外周ブレース材２１Ｃが配設され、外周ブレース材２１Ｂの下端部は、外周梁３３より外側に設けられた基礎部１０に定着されている。

図４は、屋根構造１の主な骨組みを示す模式的な斜視図である。図４では、外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ以外の外周柱２０、後述の内側小梁３２、および外側小梁３５の表示を省略している。
屋根架構３０は、平面視で枠状のトラス梁３１と、このトラス梁３１の上端部同士の間に格子状に架設された内側小梁３２と、トラス梁３１を囲んで設けられて隣接する外周柱２０同士を連結する枠状の外周梁３３と、トラス梁３１の下端と外周柱２０とを連結する４本の連結部材３４と、トラス梁３１の角部の上端と外周梁３３との間に格子状に架設された外側小梁３５と、を備える。
ここで、トラス梁３１と、このトラス梁３１で囲まれた構造体である内側小梁３２と、を中央屋根架構３７とする。

トラス梁３１は、側面視でトラス形状であり、平面視で菱形（四角形）の枠状である。すなわち、トラス梁３１は、直線状に延びる４本のトラス部材３６を接合して構成される。このトラス梁３１の４つの角部つまりトラス部材３６同士の接合部分を、角部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃとする。

各トラス梁３１は、図２に示すように、略水平に直線状に延びる下弦材３１１と、下弦材３１１の上方に配置されて下弦材３１１と略平行に直線状に延びる上弦材３１２と、下弦材３１１と上弦材３１２とを連結する斜め材３１３と、を備える。

外周梁３３は、平面視で菱形の枠状である。この外周梁３３は、所定間隔おきに、外周柱２０で支持されている。この外周梁３３の４つの角部は、屋根架構の角部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃとなっている。

連結部材３４は、菱形状のトラス梁３１の４つの角部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃの下弦材３１１と、外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃと、を連結する。これにより、外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、連結部材３４を介して、トラス梁３１を吊り下げ支持している。
これら連結部材３４は、トラス梁３１の下弦材３１１および外周梁３３にヒンジ接合部３４１でヒンジ接合されている。ヒンジ接合部３４１は、略水平でかつ連結部材３４の長さ方向に直交する方向に延びるピンを含んで構成され、連結部材３４は、このピンを回転軸として、トラス梁３１の下弦材３１１および外周梁３３に対して回転可能となっている。

図１に戻って、内側小梁３２は、トラス梁３１の上端部同士を連結して互いに略平行に延びる１次小梁３２１と、１次小梁３２１同士を連結する２次小梁３２２と、を備える。
外側小梁３５は、外周梁３３の上端部とトラス梁３１の上端部とを連結して互いに略平行に延びる１次小梁３５１と、１次小梁３５１同士を連結する２次小梁３５２と、を備える。

以上の屋根架構３０では、図５および図６に示すように、屋根の自重Ｐがかかると、トラス梁３１の上弦材３１２には圧縮力が生じ、下弦材３１１には、引張力が生じる。また、連結部材３４には、引張力Ｑが生じて、外周梁３３には、圧縮力Ｒが生じる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）屋根架構３０の中央部に中央屋根架構３７を設け、この中央屋根架構３７を外周梁３３から連結部材３４を介して吊り下げ支持して、吊り屋根構造とした。よって、中央屋根架構３７のトラス梁３１に生じる曲げモーメントは、連結部材３４の引張力Ｑに変換されて外周梁３３に伝達されるので、屋根架構３０の構成部材に作用する曲げモーメントを低減でき、部材を細径化できる。
また、屋根架構３０の中央部のみに枠状のトラス梁３１を含む中央屋根架構３７を設けて大架構屋根を構築したので、少ない部材数で、大空間を実現できる。
また、屋根架構３０の中央部のみにトラス梁３１を設置するため、トラス梁３１を容易に架設できるから、工期を短縮できる。また、屋根架構３０の一部にのみトラス梁３１を設けるので、屋根の端部周辺でも、屋根構造１の室内の天井高さを高くできる。

（２）トラス梁３１の角部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、外周梁３３の角部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと、を連結部材３４で連結したので、トラス梁３１および外周梁３３の構成部材に生じる曲げモーメントを低減できる。

（３）連結部材３４とトラス梁３１、および連結部材３４と外周梁３３を、それぞれヒンジ接合した。ヒンジ接合した箇所には曲げモーメントが生じないので、連結部材３４、トラス梁３１、および外周梁３３に大きな曲げモーメントが生じるのを防止できる。

（４）トラス梁３１を吊り下げ支持する外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに、外周ブレース材２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを配設することで、屋根が内側に傾斜するのを抑制できる。

（５）外周梁３３とトラス梁３１とを連結する複数の外側小梁３５を設けたので、屋根架構３０の剛性を向上できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、平面視で、菱形状の中央屋根架構３７の４つの角部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃとを連結部材３４で連結したが、これに限らない。例えば、屋根形状によっては、外周柱２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ同士を連結する外周梁３３と、中央屋根架構３７の角部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ以外の中間部と、を連結部材で連結してもよい。
また、上記実施形態では、連結部材３４の両端にはヒンジ接合部３４１を設けたが、これに限らず、連結部材の一端のみにヒンジ接合部を設けてもよい。
また、上記実施形態では、トラス梁３１を菱形の枠状としたが、これに限らず、トラス梁３１の互いに対向する角部同士の間で対角線方向に、さらにトラス梁を設けてもよい。

１…屋根構造
１０…基礎部 １０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…基礎部の角部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…外周柱 ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…外周ブレース材
３０…屋根架構 ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…屋根架構の角部
３１…トラス梁 ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…トラス梁の角部
３２…内側小梁 ３３…外周梁 ３４…連結部材 ３５…外側小梁 ３６…トラス部材
３７…中央屋根架構
３１１…下弦材 ３１２…上弦材 ３１３…斜め材
３２１…１次小梁 ３２２…２次小梁 ３４１…ヒンジ接合部
３５１…１次小梁 ３５２…２次小梁

Claims (3)

1. 複数の外周柱と、
   隣接する前記外周柱同士を連結する平面視で四角形枠状の外周梁と、
   平面視で四角形枠状に配設されたトラス梁と、
   前記外周梁の角部と前記トラス梁の角部とを連結する連結部材と、を備えることを特徴とする屋根構造。
2. 複数の外周柱と、
   隣接する前記外周柱同士を連結する外周梁と、
   平面視で四角形枠状に配設されたトラス梁と、を備え、
   前記外周柱には、前記トラス梁を吊り下げ支持する連結部材が接合され、
   前記連結部材は、前記外周柱の柱頭部と前記トラス梁を構成する下弦材とにヒンジ接合されていることを特徴とする屋根構造。
3. 前記連結部材が接合される外周柱の両側面には、一対の外周ブレース材が配設され、
   当該外周ブレース材の下端部は、前記外周梁より外側に設けられた基礎部に定着されていることを特徴とする請求項２に記載の屋根構造。

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