JP7824246B2

JP7824246B2 - トラス梁の支持柱構造

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Publication number: JP7824246B2
Application number: JP2023042971A
Authority: JP
Inventors: 洋一向山
Original assignee: 株式会社巴コーポレーション
Priority date: 2023-03-17
Filing date: 2023-03-17
Publication date: 2026-03-04
Anticipated expiration: 2043-03-17
Also published as: JP2024132259A

Description

本発明は、アリーナ建築のような大梁間建物の屋根架構に用いられる、トラス梁を支持する鉄骨柱の支持柱構造に関する。

従来、トラス梁が用いられることが多かったアリーナ等の屋内運動施設のような大梁間の屋根架構において、前記トラス梁から成る屋根架構の両妻面および両桁面を支持柱で支持する場合、前記屋根架構の軒梁と前記支持柱とを含む構面（壁面）内に鉛直ブレースを設置して、張間方向および桁行方向の地震力に抵抗させる構造形式とすることがあった（図１参照）。

図１に図示のように、トラス梁２、２、…と屋根ブレースＶ2、Ｖ2、…から成る屋根架構１であって、張間および桁行の両方向の壁面にトラス梁２、２、…の支持柱３、３、…と鉛直ブレースＶ1、Ｖ1、…が設置された架構（以下、両方向ブレース架構と称す。）の場合、例えば、屋根架構１の張間方向に作用した地震水平力は、屋根ブレースＶ2、Ｖ2、…を介して両妻面の前記鉛直ブレースＶ1、Ｖ1、…に伝達させることが可能なので、張間方向の架構は必ずしもラーメン構造である必要性はない。

一方、張間方向の架構がラーメン構造の場合、トラス梁２、２、…を支える支持柱３、３、…の柱脚には、図２に図示の矢印のように、鉛直荷重時にスラスト（柱脚が外側に広がろうとする力）が発生するので、支持柱３、３の柱脚を支持する下部躯体柱４、４の張間方向については、当該スラストによる曲げモーメントおよびせん断力も加算した部材設計が必要である。

また、前記ラーメン構造の張間方向のトラス梁２が鉛直荷重によりたわみ（図２に図示の破線の状態）を生じると、トラス梁２の下弦材と取合う支持柱３、３の柱頭部Ｐ1、Ｐ1は外側に変位し、支持柱３、３の柱頭部直上のトラス梁２上弦節点Ｐ2、Ｐ2は内側に変位するので、特に、トラス梁２を支える支持柱３、３の高さが低い場合は、図２に図示の矢印方向のスラストがより大きくなる。即ち、下部躯体柱４、４、…に付加される水平力（スラスト）がより大きくなることに繋がる。

以上のことから、支持柱３、３付きトラス梁から成る両方向ブレース架構の場合は、張間方向の架構をラーメン構造にしない方が、下部躯体柱４、４、…の負担が少ないので望ましいと言える。また、桁行方向に支持柱３、３付きトラス梁２を掛け渡す場合についても、同様の理由によりラーメン構造にしない方が望ましいと言える。

上記のような支持柱３、３脚部のスラストを低減する方法としては、例えば、図３に図示のように、支持柱３、３に接合するトラス梁２端部の下弦材を省いて、支持柱３、３の柱頭部をトラス梁２の上弦節点Ｐ2、Ｐ2のみに接合することが考えられる。

即ち、支持柱３、３柱頭部とトラス梁２上弦部（上弦節点Ｐ2、Ｐ2）とが剛接合であったとしても柱長さが確保できるので、支持柱３、３の曲げ剛性が低減されるため、前記スラストはより小さくなる。

しかし、図３に図示のように、支持柱３、３に接合するトラス梁２の下弦材を省いた場合でも、図４(a)に図示のように、支持柱３、３の長さが短く、例えばトラス梁２せいとほぼ同じ長さになった場合、支持柱３、３柱頭部とトラス梁２上弦部（上弦節点Ｐ2、Ｐ2）とが剛接合であれば曲げ剛性は高くなる。

更に、支持柱３、３の柱脚部を固定するアンカーボルト５、５、…（図５参照）は一定の曲げ抵抗力を有するため、支持柱３、３の曲げ剛性を高めるので、支持柱３、３の長さが短い場合には前記スラストの十分な低減効果は得られ難い。

前記のように支持柱３、３の長さが短い場合、前記スラストを低減するために、支持柱３、３の上端または下端の回転剛性を低減する次のような方法が考えられる。図４(b)、(c)は、図４(a)のＡ部の拡大図であり、図４(b)は柱頭のみがピン接合（●表示）の場合、図４(c)は柱頭および柱脚がピン接合（●表示）の場合の模式図である。特に図４(c)の場合の柱は、上下端部共にピン接合であるため支持柱３、３には曲げモーメントは作用せず、軸力（鉛直力）のみを下部躯体柱４、４、…に伝達するので前記スラストは生じない。

前記のようなピン接合の構造は、クレビスジョイントのような１本ピンの接合納まりが理想的だが、柱頭部あるいは柱脚部に鉛直ブレースが接合される場合などには納まりが複雑化すること、また、一般的な鉄骨柱の接合部納まりに比べてコストがかかることから、トラス梁の支持柱において、ピン接合と見做せるような簡易な構造が必要とされていた。

トラス梁と当該トラス梁を支持する柱の柱頭部または柱脚部の接合部構造に関する先行技術としては、例えば、特許文献１記載の発明がある。

特許文献１記載の発明には、門型ラーメン架構のスライド工法において、門型部分架構の柱部頂部と屋根部との接合は、屋根部大梁（トラス梁）両端の上弦部もしくは下弦部の何れかのみを接続し、屋根部両端部における鉛直面内の回転がある程度許容される接合状態（ピン接合状態）にしておき、前記屋根部大梁両端部をピン接合状態のまま、前記門型部分架構の屋根部を支えているジャッキ付き支保工のジャッキを緩めて、当該屋根部の支保工による仮受けを解除した後、前記屋根部大梁両端部の未接続になっていた部分（下弦部もしくは上弦部）を前記柱部に接続することにより、前記門型部分架構の柱部頂部と屋根部とを剛接合にし、ラーメン架構として完結させるという工法が開示されている。

従って、前記屋根部大梁両端部がピン接合状態のまま、前記門型部分架構の屋根部を支えている支保工による仮受けを解除した後に、前記屋根部大梁両端部の未接続になっていた部分（下弦部もしくは上弦部）を前記柱部に接続して柱部頂部と屋根部とを剛接合にするので、前記門型部分架構の柱部には屋根部分の鉛直荷重による曲げモーメントが発生しない、即ち、前記門型部分架構の柱脚部にはスラストは発生しないことになる。

しかし、特許文献１記載の発明において、前記屋根部大梁両端部のピン接合部分の具体的な納まり（構造）についての明示はなく、示唆する記述もない。

特許第６６３６０９１号公報

本発明は、トラス梁から成る屋根架構において、前記トラス梁の支持柱長さが短い場合であっても、屋根部分の鉛直荷重によって前記支持柱の柱脚部に発生するスラストを可能な限り少なくできる、簡易で安価なトラス梁の支持柱構造を提供するものである。

前記課題を解決するための本発明の手段は、トラス梁から成る屋根架構において、前記トラス梁を支持する支持柱の柱頭部または柱脚部に、板厚方向が前記トラス梁の張間方向と一致する可撓板から成る可撓部が、前記支持柱の材軸方向に所定長さで形成されていることを特徴とする、トラス梁の支持柱構造である。

また本発明は、前記トラス梁を支持する支持柱の柱頭部または柱脚部に、板厚方向が前記トラス梁の張間方向と一致する可撓板から成る可撓部が、前記支持柱の材軸方向に所定長さで形成され、前記トラス梁を支持する支持柱の柱頭部または柱脚部に形成された前記可撓部を、１枚もしくは２枚以上の可撓板で構成し、かつ、当該可撓板の変形を抑制する変形抑制部を前記可撓板の片側または両側に設け、前記可撓板と前記変形抑制部との間の隙間寸法を、前記屋根架構にかかる鉛直荷重または水平荷重によって前記支持柱に想定される傾斜量または前記トラス梁端部の回転量に応じて設定することを特徴とする、トラス梁の支持柱構造の設計方法である。

また本発明は、前記トラス梁の支持柱が、例えば前記トラス梁せい程度に短く、かつ前記支持柱と前記トラス梁との接合が前記トラス梁の上弦部のみである場合において、前記支持柱の柱頭部または柱脚部に前記可撓部を有することを特徴とする、トラス梁の支持柱構造である。

なお、以上に記載の前記可撓板は、少なくとも前記支持柱の軸力を支えるのに十分な板厚と板幅および座屈しない長さが必要であるが、当該可撓部の等価な断面二次モーメントは前記支持柱軸部の断面二次モーメントに比べてかなり小さいので、前記可撓部が曲げを受けた時の回転剛性は小さく、実用上ピン接合と見做して設計することが可能となる。また、前記可撓部の回転剛性は、前記可撓板の断面寸法と長さ（高さ）から計算することができる。

従って、前記トラス梁の支持柱長さが短い場合であっても、前記トラス梁が自重等の鉛直荷重により撓んだ時、前記支持柱の柱頭部または柱脚部に形成された前記可撓部の可撓板が、前記トラス梁から伝達される前記支持柱の軸力を支持すると同時に、前記支持柱の傾斜または前記トラス梁端部の回転に応じて湾曲し、前記可撓部があたかもピン接合部のように回転して前記支持柱の傾斜を可能とするので、前記支持柱の曲げモーメントの発生は大幅に低減される。よって、前記支持柱の柱脚部に発生するスラストは極めて少なくなる。

本発明は、以上のような手段によるので、以下のような効果がある。
（１）トラス梁が鉛直荷重によりたわみを生じた場合、前記トラス梁を支持する支持柱と前記トラス梁との接合が剛であれば前記支持柱の脚部に生じる大きなスラストが、本発明によれば、前記支持柱に形成された可撓部の回転により大幅に低減される。
（２）また本発明によれば、前記支持柱が、例えば前記トラス梁せい程度に短くても、前記支持柱と前記トラス梁との接合を前記トラス梁上弦部のみとすることにより、前記可撓部の回転の発生によって、前記支持柱脚部のスラストは殆ど問題ない程度に低減できる。
（３）屋根架構を支持する下部躯体柱へのスラストが大幅に減るので、前記下部躯体柱の張間方向の荷重負担が軽減される。
（４）以上のことから、実用上ピン接合と見做せる前記可撓部は、簡易で安価なトラス梁の支持柱構造を提供すると共に、下部躯体柱のコストアップ抑制にも寄与できる。

トラス梁から成る屋根架構であって、張間および桁行の両方向壁面に支持柱と鉛直ブレースを設置した一例であり、(a)は伏図、(b)は(a)のイ－イ断面視、(c)は(a)のロ－ロ断面視、(d)は(a)のハ－ハ断面視である。ラーメン構造の支持柱付きトラス梁の一例であり、破線は鉛直荷重によりたわみが生じた状態を示す。図２の支持柱付きトラス梁において、前記支持柱と接合するトラス梁端部下弦材を省いた場合の例であり、破線は鉛直荷重によりトラス梁にたわみが生じた状態を示す。図３の支持柱付きトラス梁において、前記支持柱が前記トラス梁せい程度に短い場合の一例であり、（a）は鉛直荷重によりトラス梁にたわみが生じた状態を破線で示した図であり、（b）は（a）のＡ部拡大図であって、前記支持柱の柱頭部のみがピン接合の場合、（c）は同じく前記支持柱の柱頭部および柱脚部がピン接合の場合の状態を示す模式図である。本発明の第１実施例であり、トラス梁の支持柱柱頭部のみに可撓部を設けた場合を示す。本発明の第２実施例であり、トラス梁の支持柱の柱頭部および柱脚部に可撓部を設けた場合を示す。トラス梁の支持柱の可撓部を説明する詳細図であり、（a）は図５および図６のＢ部の拡大図を、（b）は図６のＣ部の拡大図を、（c）は前記Ｂ部の可撓部が回転した状態を示す図である。第２実施例において、トラス梁の支持柱柱脚部に鉛直ブレースが接合された場合の一例であり、図７（b）のニ－ニ断面視である。本発明の第３実施例であって、（a）はトラス梁の支持柱の柱頭部および柱脚部に可撓部を設けた場合であり、（b）は前記柱頭部の可撓部３aが傾斜した状態を示し、（c）はトラス梁の支持柱柱脚部に鉛直ブレースが接合された場合の一例である。本発明に係るトラス梁の支持柱柱頭部の可撓部位置が上弦部以外の場合であって、（a）はトラス梁下弦部に設けられた場合、（b）はトラス梁せいの中間（ラチス材取付き部）に設けられた場合の支持柱付きトラス梁（図１（d）に対応）を示す。単純支持されたトラス梁の端部回転角θを計算した一例である。

本発明の第１実施例を図５に示す。図５は、トラス梁２の支持柱３とトラス梁２とがトラス梁２の上弦部にのみで接続され、可撓部３aが支持柱３の柱頭部のみに設けられた場合である。本実施例では、トラス梁２が鉛直荷重により撓んでトラス梁２端部が回転し支持柱３が内側に傾斜すると（図４(b)参照）、図７（c）に図示のように支持柱３柱頭部の可撓部３aも傾斜して回転を起こすので（図７(c)参照）、支持柱３柱頭部に発生する曲げモーメントはかなり小さいものとなる。

但し、支持柱３柱脚部は、ベースプレートが複数のアンカーボルト５、５、…で下部躯体柱４に定着されている場合や、鉄骨の下部躯体柱に剛接合されている場合（図示せず。）には、ある程度の曲げ抵抗が可能なので、鉛直荷重時だけでなく地震等の水平荷重が屋根に作用した場合には、支持柱３の傾斜により、下部躯体柱４には軸力以外に、曲げモーメントとせん断力が作用する。

図６は本発明の第２実施例であって、可撓部３aが支持柱３の柱頭部および柱脚部に設けられた場合である。可撓部３aを柱脚部にも設けた場合、トラス梁２が撓んでトラス梁２端部が回転し支持柱３が傾斜すると、前記柱頭部および柱脚部の可撓部３aは共に回転することができる。よって、アンカーボルト５、５、…による曲げ抵抗が低減されるので、下部躯体柱４に作用する曲げモーメントは、第１実施例の場合よりも小さくなる。

図７は可撓部３aの詳細図であり、図７(a)は可撓部３aが支持柱３の柱頭部に設けられた場合、図７(b)は同じく支持柱３の柱脚部に設けられた場合を表す。支持柱３はＨ形断面部材を用い、同部材端部の一定範囲（可撓部３a）にはウェブを設けず、Ｈ形断面部材の軸芯に合わせて１枚の可撓板３bが取り付けられている。また、ウェブを設けない可撓部３aの範囲のフランジ部も可撓板３b、３bとして利用される。

ウェブを設けない可撓部３aの範囲の場所には変形抑制部３c、３cが設けられており、可撓板３b、３b、…と変形抑制部３c、３cとの間には、想定される支持柱３の傾斜量およびトラス梁２端部の回転量θに応じた隙間寸法の縦スリットが設定されている。また、変形抑制部３c、３cの先端（上端もしくは下端）と前記支持柱３のウェブ止端補剛板３f、３fとの間にも、変形抑制部３c、３cの先端とウェブ止端補剛板３f、３fとが接触しない程度の横スリットが設けられている。

第２実施例において、支持柱３柱脚部に鉛直ブレースＶ1が取付く場合、図８に図示のように、鉛直ブレースＶ1のガセットプレート３dは、可撓板３bの曲げ変形を拘束しないために、可撓部３aを避けて支持柱３軸芯位置の可撓板３bの延長部分に取付けることが望ましい。

本発明の第１および第２実施例に係る可撓部３aは以上のような構成なので、支持柱３柱頭部について説明すると、図７(c)に図示のように、支持柱３の傾斜およびトラス梁２端部の回転が生じると可撓板３ｂ、３b、…も傾斜（厳密には緩やかに湾曲）し、可撓部３aは回転θを起こす。可撓板３ｂ、３b、…と変形抑制部３c、３cとの間の隙間寸法は、支持柱３の想定される傾斜量およびトラス梁２端部の回転量に応じて設定されるので、可撓板３ｂ、３b、…の傾斜量が設定値に達すると変形抑制部３c、３cに接触し、可撓板３ｂ、３b、…の更なる傾斜が抑制される。可撓板３ｂ、３b、…の傾斜量が大きくなり過ぎると、可撓板３ｂ、３b、…が偏芯圧縮によって座屈を生じる可能性が高まるため、変形抑制部３c、３cとの隙間は必要最小限寸法に留めておく必要がある。

図９は本発明の第３実施例である。図９（a）はトラス梁２の支持柱３の柱頭部および柱脚部に可撓部３aを設けた場合であり、図９（b）は前記柱頭部の可撓部３aが傾斜した状態を示し、図９（c）は支持柱３の柱脚部に鉛直ブレースＶ1が接合された状態を示す。なお、第３実施例において、可撓部３aは、図５に図示の第１実施例のように、支持柱３の柱頭部のみに設けてもよい。

第３実施例における可撓板３bは、支持柱３の軸芯に合わせて設けた１枚のみであり、可撓板３bの両側に変形抑制部３c、３cが設けられている。可撓板３bと変形抑制部３c、３cとの間の縦スリットは、可撓部３aの範囲において、可撓板３bに許容される傾斜に応じて広がる寸法を有している。

また、変形抑制部３c、３cの先端（上端もしくは下端）の先端板３e、３eと支持柱３のウェブ止端補剛板３f、３fとの間に設けられた横スリットも、可撓板３bの傾斜が拘束されないように、外側（支持柱３のフランジ側）に向かって、前記縦スリットと同様の形状と寸法を有している。

第３実施例において、支持柱３柱脚部に鉛直ブレースＶ1が取付く場合、図９（c）に図示のように、鉛直ブレースＶ1のガセットプレート３dは、可撓板３bの曲げ変形を拘束しないために、可撓部３aを避けて可撓板３bの延長部分に取付けることが望ましい。

本発明の第３実施例に係る可撓部３aは以上のような構成なので、図９（b）に図示のように、支持柱３の傾斜およびトラス梁２端部の回転が生じると可撓板３bも傾斜（厳密には緩やかに湾曲）し、可撓部３aは回転θを起こす。

可撓板３bと変形抑制部３c、３cとの間の縦スリット幅、および変形抑制部３c、３cの先端（上端もしくは下端）の先端板３e、３eと支持柱３のウェブ止端補剛板３f、３fとの間に設けられた横スリットは、支持柱３の想定される傾斜量およびトラス梁２端部の回転量に応じて設定されるので、可撓板３bの傾斜量が設定値に達すると変形抑制部３c、３cに抵触し、可撓板３bの更なる傾斜が抑制される。可撓板３bの傾斜量が大きくなり過ぎると、可撓板３bが偏芯圧縮によって座屈を生じる可能性が高まるため、変形抑制部３c、３cとの間の縦スリット幅は必要最小限寸法に留めておく必要がある。

第３実施例の場合、可撓部３aにおいて曲げ抵抗要素は１枚の可撓板３bのみなので、第１および第２実施例と比べて、可撓部３aの回転（曲げ）剛性がかなり小さいため、支持柱３柱脚部のスラスト低減の効果がより大きいと言える。

なお、第１～第３実施例は、支持柱３がトラス梁２上弦部に接合された場合であったが、支持柱３柱頭部の可撓部３a位置が、図１０（a）に図示のように、トラス梁２下弦部に、あるいは図１０（b）に図示のように、トラス梁２せいの中間（ラチス材取付き部）に設けられた場合でも適用可能であることは言うまでもない。

図１１に、トラス梁２端部において、等分布鉛直荷重ｗによってトラス梁２が撓んだ時に生じる回転角θの計算例を示す。スパンＬ＝30ｍ、トラス梁２の有効せい（上下弦材軸芯間寸法）＝2ｍ、上下弦材サイズがＨ-200×200×8×12、等分布鉛直荷重ｗ＝1.0ｔ/ｍと仮定した場合、回転角θは約1/239ラジアンとなる。

この時、支持柱３柱頭部の変形抑制部３c、３cの回転角も概ねθとなるので、可撓部３aの長さが20ｃｍであれば、変形抑制部３cの回転による先端（図７(c)では下端の角部）の水平変位はおよそ20ｃｍ/239＝0.084ｃｍとなる。鉛直荷重以外にも地震等により発生する前記変形抑制部３c、３cの回転も加算する必要があるので、本計算例の場合、変形抑制部３cと可撓板３bとの隙間寸法は、余裕をみて0.2～0.3ｃｍ程度で良いと考えられる。

本発明は、トラス梁から成る屋根架構において、前記トラス梁の支持柱長さが前記トラス梁のせい程度に短い場合であっても、前記支持柱の柱脚部に発生するスラストを可能な限り少なくできる簡易で安価なトラス梁の支持柱構造を提供すると共に、屋根架構を支える下部躯体柱の荷重負担が低減されるので、下部躯体柱のコストアップ抑制にも貢献できる。

１：屋根架構
２：トラス梁
３：支持柱
３a：可撓部
３b：可撓板
３c：変形抑制部
３d：ガセットプレート
３e：先端板
３f：ウェブ止端補剛板
４：下部躯体柱
５：アンカーボルト
Ｖ1：鉛直ブレース
Ｖ2：屋根ブレース
θ：回転角

Claims

トラス梁から成る屋根架構において、前記トラス梁を支持する支持柱の柱頭部または柱脚部に、板厚方向が前記トラス梁の張間方向と一致する可撓板から成る可撓部が、前記支持柱の材軸方向に所定長さで形成されていることを特徴とする、トラス梁の支持柱構造。
請求項１記載のトラス梁の支持柱構造において、前記支持柱と前記トラス梁との接合位置が前記トラス梁の上弦部のみである場合に、前記支持柱の柱頭部または柱脚部に前記可撓部を有することを特徴とする、トラス梁の支持柱構造。
請求項１記載のトラス梁の支持柱構造において、前記支持柱と前記トラス梁との接合位置が、前記トラス梁の下弦部のみである場合もしくは前記トラス梁せい中間のラチス材取付き部のみである場合に、前記支持柱の柱頭部または柱脚部に前記可撓部を有することを特徴とする、トラス梁の支持柱構造。
請求項１記載のトラス梁の支持柱構造の設計方法であって、前記トラス梁を支持する支持柱の柱頭部または柱脚部に形成された前記可撓部を、１枚もしくは２枚以上の可撓板で構成し、かつ、当該可撓板の変形を抑制する変形抑制部を前記可撓板の片側または両側に設け、前記可撓板と前記変形抑制部との間の隙間寸法を、前記屋根架構にかかる鉛直荷重または水平荷重によって前記支持柱に想定される傾斜量または前記トラス梁端部の回転量に応じて設定することを特徴とする、トラス梁の支持柱構造の設計方法。