JP7374644B2 - 屋根構造 - Google Patents

Description

本発明は、屋根構造に関するものである。

従来から、ドーム状の屋根として、張弦トラス架構に上部ドーム屋根が支持されたものが知られている。例えば、下記の特許文献１では、張弦トラス架構は、リングトラスと、リングトラスの内側に配置されたリング状の緊張材と、リングトラスと緊張材とを連結する斜め梁と、を有したものが提案されている。

特開平９－１１１９４３号公報

しかしながら、上記の屋根構造の形状は、平面視円形状をなす上部ドーム屋根の鉛直荷重及び水平荷重に対する曲げ応力及び変形を制御するものであるが、円形状以外の形状については考慮されていない。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、曲げ応力を抑制して円形状以外の様々な形状にも適用可能な屋根構造を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る屋根構造は、球面に沿って配置され、平面視で正円以外の形状をなすドーム架構と、該ドーム架構の下方に配置され、平面視環状に形成されたリング材と、前記ドーム架構と前記リング材とを連結し、鉛直方向に延びる複数の束材と、前記リング材と前記ドーム架構の外周端部とを連結する複数の引張材と、を備え、前記引張材の張力の水平方向の分力が、前記複数の引張材において同じになるように構成され、前記ドーム架構は、平面視で円形状をなす内周リング材と、前記内周リング材の外側に配置され、円形状をなす複数の円周方向部材と、平面視で前記ドーム架構の外形をなす外周リング材と、前記複数の円周方向部材のうち最も内周側に配置された最内周円周方向部材と、前記外周リング材と、を連結する放射方向部材と、前記内周リング材と前記外周リング材とを連結する斜め方向部材と、を備えた単層ドーム架構であり、前記ドーム架構は、平面視で楕円形状をなしていることを特徴とする。

このように構成された屋根構造では、束材でドーム架構を支持しつつ、リング材から延びる引張材でドーム架構の外周端部を引き絞っている。ドーム架構は、平面視で円以外の形状をなしているため、ドーム架構では、大きな曲げ応力が生じやすいが、上記構成をとるとともに、引張材の張力の水平方向の分力を複数の引張材で同じにすることで、ドーム架構の曲げ応力が抑制される。
また、平面視で楕円形状をなしているドーム架構において、ドーム架構を小さくすることができる。

また、本発明に係る屋根構造は、前記外周リング材は、長軸の中央部側から端部側に向かうにしたがって下方に向かって傾斜し、短軸の中央部側から端部側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜しており、前記引張材は、前記長軸の端部側に配置される引張材では外周側に向かうにしたがって下方に向かって傾斜し、前記短軸の端部側に配置される引張材では外周側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜していることが好ましい。

このように構成された屋根構造では、引張材の外周端部がドーム架構の外周端部を径方向の内側に引き絞ることで、ドーム架構が内側に変位し、上向きの曲げモーメントを生じさせることができる。

本発明に係る屋根構造によれば、曲げ応力を抑制して円形状以外の様々な形状にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る屋根構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造を示す平面図である。 図２のＡ－Ａ線断面図である。 図２のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造のリング材及び引張材の構成を示す平面図である。 図３のＣ部拡大図である。 図４のＤ部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、引張材に張力が導入されず自重を考慮した場合の変形のシミュレーション図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、自重を考慮せず引張材に張力が導入された場合の変形のシミュレーション図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、自重を考慮し、且つ引張材に張力が導入された場合の変形のシミュレーション図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、引張材に張力が導入されず自重を考慮した場合の曲げ応力のシミュレーション図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、自重を考慮せず引張材に張力が導入された場合の曲げ応力のシミュレーション図である。 本発明の一実施形態に係る屋根構造において、自重を考慮し、且つ引張材に張力が導入された場合の曲げ応力のシミュレーション図である。

本発明の一実施形態に係る屋根構造について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る屋根構造を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る屋根構造１０は、ドーム架構１と、張弦リング材（リング材）２と、複数の張弦リング束材（束材）３と、複数の放射ケーブル（引張材）４と、を備えている。屋根構造１０は、例えば運動競技施設等の大空間を有する建築物の屋根構造１０である。

図２は、屋根構造１０を示す平面図である。
以下の説明において、平面視で、屋根構造１０の中心をＰとする。平面視で、ドーム架構１の長軸方向をＸ方向として、短軸方向をＹ方向とする。
ドーム架構１は、球面に沿って配置されている。図２に示すように、ドーム架構１は、平面視で、中心Ｐを中心として、Ｘ方向を長辺（長軸）とした楕円形状をなしている。

ドーム架構１は、内周リング材１１と、複数の円周方向部材１２と、外周リング材１３と、複数の放射方向部材１４と、複数の斜め方向部材１５と、を有している。本実施形態では、ドーム架構１は、いわゆる単層ドーム架構である。

内周リング材１１及び複数の円周方向部材１２は、平面視で、中心Ｐを中心とした円形状をなしている。複数の円周方向部材１２は、内周リング材１１よりも外側（径方向外側）に配置されている。内周リング材１１は、同一面上に配置されている。円周方向部材１２は、同一面上に配置されている。本実施形態では、内周リング材１１はＨ型鋼からなる部材が接続されて構成され、円周方向部材１２は角管からなる部材が接続されて構成されている。

外周リング材１３は、平面視で、中心Ｐを中心とした楕円形状をなしている。外周リング材１３が、平面視における、ドーム架構１の外形をなしている。本実施形態では、外周リング材１３はＨ型鋼からなる部材が接続されて構成されている。

図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。
図３に示すように、外周リング材１３のＸ方向の端部１３ａは、Ｘ方向の中央部１３ｂよりも、下方の高さ位置に配置されている。換言すると、外周リング材１３はＸ方向の中央部１３ｂ側から端部１３ａ側に向かうにしたがって次第に下方に向かって傾斜している。

図４は、図２のＢ－Ｂ線断面図である。
図４に示すように、外周リング材１３のＹ方向の端部１３ｃは、Ｙ方向の中央部１３ｄよりも、上方の高さ位置に配置されている。換言すると、外周リング材１３はＹ方向の中央部１３ｄ側から端部１３ｃ側に向かうにしたがって次第に上方に向かって傾斜している。

図１に示すように、外周リング材１３には、正面視Ｖ字状をなす複数の斜柱１６が固定されている。斜柱１６は、不図示の下部構造に設置されている。

図２に示すように、放射方向部材１４は、複数の円周方向部材１２のうち最も内周側に配置された最内周円周方向部材１２ｐと外周リング材１３とを連結している。放射方向部材１４は、円周方向に間隔を有して複数配置されている。各放射方向部材１４の延長線上には、中心Ｐが配置されている。換言すると、放射方向部材１４は、放射線状に延びている。本実施形態では、放射方向部材１４は、角管からなる部材が接続されて構成されている。

斜め方向部材１５は、内周リング材１１と外周リング材１３とを連結している。斜め方向部材１５は、曲線に沿って形成されている。本実施形態では、斜め方向部材１５は、角管からなる部材が接続されて構成されている。

図１に示すように、張弦リング材２は、ドーム架構１の下方に配置されている。本実施形態では、複数の円周方向部材１２のうち最も外周側に配置された最外周円周方向部材１２ｑの直下に配置されている。

図５は、屋根構造１０の張弦リング材２及び放射ケーブル４の構成を示す平面図である。
図５に示すように、張弦リング材２は、平面視で、中心Ｐを中心とした円形状（環状）をなしている。本実施形態では、張弦リング材２はＨ型鋼からなる部材が接続されて構成されている。張弦リング材２は、テンションリングとして機能し、ドーム架構１の外周リング材１３（外周端部）が外側に広がろうとする力（スラスト力）を抗することができる。

平面視で、外周リング材１３における張弦リング材２から外側に張り出している長さ（径方向の長さ）は、Ｘ方向の端部１３ａ側で大きく、Ｘ方向の中央部１３ｂ側では小さい。

図１に示すように、張弦リング束材３は、最外周円周方向部材１２ｑと張弦リング材２とを連結している。張弦リング束材３は、鉛直方向に延びている。張弦リング束材３は、周方向の間隔を有して複数配置されている。本実施形態では、張弦リング束材３は円形鋼管で構成されている。

図３に示すように、複数の張弦リング束材３では、Ｘ方向の中央部側から端部側にむかうにしたがって、張弦リング束材３の長さが長くなっている。

図５に示すように、放射ケーブル４は、外周リング材１３と張弦リング材２とを連結している。放射ケーブル４は、周方向の間隔を有して複数配置されている。各放射ケーブル４の延長線上には、中心Ｐが配置されている。換言すると、放射ケーブル４は、放射線状に配置されている。本実施形態では、放射ケーブル４は、亜鉛めっき鋼より線で構成されている。

放射ケーブル４の張力を鉛直方向の分力と水平方向の分力とに分けると、水平方向の分力が複数の放射ケーブル４において同じ大きさになるように構成されている。放射ケーブル４の張力により、外周リング材１３の曲げ応力が低減されている。

図６は、図３のＣ部拡大図である。
図６に示すように、複数の放射ケーブル４のうちＸ方向の端部側に配置される放射ケーブル４では、外周側（径方向の外側）に向かうにしたがって次第に下方に向かうように傾斜している。

図７は、図４のＤ部拡大図である。
図７に示すように、複数の放射ケーブル４のうちＹ方向の端部側に配置される放射ケーブル４では、外周側（径方向の外側）に向かうにしたがって次第に上方に向かうように傾斜している。放射ケーブル４の外周端部４ｅは引っ張り下げられ、張弦リング材２は引っ張り上げられ、外周リング材１３は径方向の内側に引っ張られている。

図８は、屋根構造１０において、放射ケーブル４に張力が導入されず自重を考慮した場合の変形のシミュレーション図である。図９は、屋根構造１０において、自重を考慮せず放射ケーブル４に張力が導入された場合の変形のシミュレーション図である。図１０は、屋根構造１０において、自重を考慮し、且つ放射ケーブル４に張力が導入された場合の変形のシミュレーション図である。図１１は、屋根構造１０において、放射ケーブル４に張力が導入されず自重を考慮した場合の曲げ応力のシミュレーション図である。図１２は、屋根構造１０において、自重を考慮せず放射ケーブル４に張力が導入された場合の曲げ応力のシミュレーション図である。図１３は、屋根構造１０において、自重を考慮し、且つ放射ケーブル４に張力が導入された場合の曲げ応力のシミュレーション図である。なお、図８から図１１において、ドーム架構１の上面を二点鎖線で示している。
図８及び図１１に示すように、屋根構造１０は自重だけでは下方に変位し、Ｘ方向の端部では曲げ応力が大きくなり、下方に大きく変位してしまう。図９及び図１２に示すように、放射ケーブル４に張力を導入すると、図１０及び図１３に示すように、屋根構造１０は上方に持ち上げられていることが分かる。図６のようなＹ方向の端部では、放射ケーブル４の外周側の端部４ｆが径方向の内側に引っ張られることで、ドーム架構１が内側に変位し、上向きの曲げモーメントを生じさせ、ドーム架構１が上方に変位するように持ち上げている。

このように構成された屋根構造１０では、張弦リング束材３でドーム架構１を支持しつつ、張弦リング材２から延びる放射ケーブル４でドーム架構１の外周リング材１３を引き絞っている。ドーム架構１は、平面視で円以外の形状をなしているため、ドーム架構１では、大きな曲げ応力が生じやすいが、上記構成をとるとともに、放射ケーブル４の張力の水平方向の分力を複数の放射ケーブル４で同じにすることで、ドーム架構１の曲げ応力が抑制される。

また、Ｙ方向の端部では、放射ケーブル４の外周端部４ｆが外周リング材１３を径方向の内側に引き絞ることで、ドーム架構１が内側に変位し、上向きの曲げモーメントを生じさせることができる。

また、平面視で楕円形状をなしているドーム架構１において、ドーム架構１の曲げ応力を小さくすることができる。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、ドーム架構１は平面視で楕円形状をなしているが、本発明はこれに限られない。ドーム架構は平面視で円形状以外の形状をなしていればよく、三角形、四角形、多角形等であってもよい。

１…ドーム架構
２…張弦リング材（リング材）
３…張弦リング束材（束材）
４…放射ケーブル（引張材）
１１…内周リング材
１２…円周方向部材
１３…外周リング材
１４…放射方向部材
１５…斜め方向部材
１０…屋根構造

Claims (2)

1. 球面に沿って配置され、平面視で正円以外の形状をなすドーム架構と、
   該ドーム架構の下方に配置され、平面視環状に形成されたリング材と、
   前記ドーム架構と前記リング材とを連結し、鉛直方向に延びる複数の束材と、
   前記リング材と前記ドーム架構の外周端部とを連結する複数の引張材と、を備え、
   前記引張材の張力の水平方向の分力が、前記複数の引張材において同じになるように構成され、
   前記ドーム架構は、
   平面視で円形状をなす内周リング材と、
   前記内周リング材の外側に配置され、円形状をなす複数の円周方向部材と、
   平面視で前記ドーム架構の外形をなす外周リング材と、
   前記複数の円周方向部材のうち最も内周側に配置された最内周円周方向部材と、前記外周リング材と、を連結する放射方向部材と、
   前記内周リング材と前記外周リング材とを連結する斜め方向部材と、を備えた単層ドーム架構であり、
   前記ドーム架構は、平面視で楕円形状をなしていることを特徴とする屋根構造。
2. 前記外周リング材は、
   長軸の中央部側から端部側に向かうにしたがって下方に向かって傾斜し、
   短軸の中央部側から端部側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜しており、
   前記引張材は、
   前記長軸の端部側に配置される引張材では外周側に向かうにしたがって下方に向かって傾斜し、
   前記短軸の端部側に配置される引張材では外周側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の屋根構造。

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