(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記事実に鑑み、構造物の外壁面をシングルスキンで構成した場合における風圧力に対抗するために必要なシングルスキンの厚みよりも、インナースキンの厚みを薄くすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1の発明は、構造物の外壁面を構成するアウタースキンと、前記アウタースキンの内側に間隔をあけて配置され
たインナースキンと、前記アウタースキンと前記インナースキンとの間の空間を構成し、前記構造物の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けられたキャビティ部と、前記アウタースキンに横方向に間隔をあけて設けられ、前記キャビティ部と外気とを連通し
、前記キャビティ部の風圧力を均一化又は略均一化させる複数の開口部と、
を有し、前記キャビティ部の均一化又は略均一化された風圧力に基づいて、前記インナースキンの厚みが設定されている。
【0008】
請求項1の発明では、キャビティ部を構造物の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けると共に、キャビティ部と外気とを連通
し、キャビティ部の風圧力を均一化又は略均一化する複数の開口部がアウタースキンに横方向に間隔をあけて設けられてい
る。そして、
キャビティ部の均一化又は略均一化された風圧力に基づいて、インナースキンの厚みが設定されている。したがって、構造物の外壁面をシングルスキンで構成した場合における風圧力に対抗するために必要なシングルスキンの厚みよりも、インナースキンの厚みを薄くしても、インナースキンが風圧力に対抗することができる。
【0012】
請求項2の発明は、構造物の外壁面を構成するアウタースキンと、前記アウタースキンの内側に間隔をあけて配置さ
れたインナースキンと、前記アウタースキンと前記インナースキンとの間の空間を構成し、前記構造物の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けられたキャビティ部と、前記アウタースキンに横方向に間隔をあけて設けられ、前記キャビティ部と外気とを連通し
、前記キャビティ部の風圧力を均一化又は略均一化させる複数の開口部と、を有し、
前記キャビティ部の均一化又は略均一化された風圧力に基づいて、前記インナースキンの厚みを設定する。
【0013】
請求項2の発明では、一区画のキャビティ部を構造物の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けると共に、キャビティ部と外気とを連通
し、キャビティ部の風圧力を均一化又は略均一化する複数の開口部がアウタースキンに横方向に間隔をあけて設けられている。そして、
キャビティ部の均一化又は略均一化された風圧力に基づいて、インナースキンの厚みが設定されている。したがって、構造物の外壁面をシングルスキンで構成した場合における風圧力に対抗するために必要なシングルスキンの厚みよりも、インナースキンの厚みを薄くしても、インナースキンが風圧力に対抗することができる。
【発明の効果】
【0017】
以上説明したように本発明によれば、構造物の外壁面をシングルスキンで構成した場合における風圧力に対抗するために必要なシングルスキンの厚みよりも、インナースキンの厚みを薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【
図1】本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用されたダブルスキンを有する構造物を斜め上方から見た斜視図である。
【
図2】
図1に示す構造物の水平断面を模式的に示す水平断面図である。
【
図3】本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用されたダブルスキンの垂直断面を模式的に示す垂直断面図である。
【
図4】本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用されたダブルスキンを示す斜視図である。
【
図5】本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用されたダブルスキンを模式的に示すと共に実測位置を示す正面図である。
【
図6】本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用されたダブルスキンの水平断面を模式的に示す水平断面図である。
【
図7】実測位置と風荷重等高線とを示す説明図であり、(A)はCase1における風荷重等高線が示された説明図であり、(B)はCase2における風荷重等高線が示された説明図である。
【
図8】Case1におけるダブルスキンのキャビティ部の内部における風圧力の実測値とアウタースキンの下換気口及び上換気口の風圧の平均値とを示すグラフである。
【
図9】Case2におけるダブルスキンのキャビティ部の内部における風圧力の実測値とアウタースキンの下換気口及び上換気口の風圧の平均値とを示すグラフである。
【
図10】(A)は風洞実験におけるシングルスキンにかかる外圧係数と、キャビティ部の内部の圧力と、の測定位置を示す説明図であり、(B)は実験結果を示す表である。
【
図12】等圧理論を本実施形態のダブルスキンのキャビティ部に適用した場合の算定式である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
図1〜
図12を用いて、本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造について説明する。なお、鉛直方向上側方向を矢印Zで示す。構造物の内側方向(室内側)を矢印INで示し、構造物の外側方向(外部側)を矢印OUTで示す。また、「幅方向又は横方向」は、Z方向と直交する矢印W方向を指す。また、
図2は水平断面図であるが、見づらくなるのを避けるため断面を示すハッチングの図示を省略している。また、
図2においては、室内空間の詳細も省略されている。
【0020】
<構造物>
まず、本発明の一実施形態に係るダブルスキン構造が適用された構造物の全体構造について説明する。
【0021】
図1と
図2とに示すように、構造物10は、角部が凹んだ略四角柱形状の高層ビルとされている。構造物10は、図示が省略された地盤に設けられた基礎上に構築されている。構造物10の外壁面11は、構造物10の横方向(幅方向)の全幅又は略全幅に亘って設けられたダブルスキン100によって構成されている。
【0022】
図3と
図4とに示すように、ダブルスキン100は、構造物10の躯体を構成するスラブ20に固定されている。なお、上下のスラブ20間が一つの階層とされている。また、ダブルスキン100の内側のスラブ20間が各階層の室内空間22である(
図2も参照)。
【0023】
図2〜
図4、
図6に示すように、ダブルスキン100は、構造物10の外面を構成するアウタースキン(外側面材)110と、アウタースキン110の内側に間隔をあけて配置されたインナースキン(内側面材)120と、を有している。そして、アウタースキン110とインナースキン120との間の空間がキャビティ部(中間層部)150とされている。
【0024】
図2及び
図6に示すように、キャビティ部150は、横方向に連通し、構造物10の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けられている(
図1も参照)。
【0025】
なお、詳細は後述するが、本実施形態のダブルスキン100を構成するアウタースキン110の板厚(厚み)及びインナースキン120の板厚(厚み)は、仮に構造物10の外壁面11を一枚のシングルスキン(壁面材)で構成されている場合におけるシングルスキンが風圧力に耐えるために必要とされる板厚(厚み)よりも薄い。
【0026】
図5に示すように、キャビティ部150は、複数の層階毎に仕切部材152で仕切られている。これにより、仕切部材152で仕切られた複数の層階に亘って、空気が上下方向に連続して流れるように構成されている。なお、本実施形態では、三層階毎に仕切部材152で仕切られている。つまり、本実施形態では、全幅又は略全幅且つ三層階分が一つのキャビティ部150を構成する(
図1と
図2も参照)。
【0027】
また、
図5は、構造物10における22階層〜24階層を構成するキャビティ部150が示されている。なお、正確には、仕切部材152は、下側の階層(
図5では、21階層)及び上側の階層(
図5では25階層)にかかる段違いに配置されている。よって、キャビティ部150には凹部153が形成されている。つまり、キャビティ部150は、上端部と下端部とは直線状でなく、上下方向に凹凸がある構造となる。
【0028】
アウタースキン110には、キャビティ部150と外気との間を連通する複数の上換気口160と下換気口170とが設けられている。上換気口160及び下換気口170は、キャビティ部150の上部と下部とにそれぞれ、幅方向に沿って間隔をあけて設けられている。また、下換気口170は凹部153に設けられ、上換気口160は凹部153の間に設けられている。
【0029】
また、階層毎に開閉可能な内部換気口154が設けられている。内部換気口154は、キャビティ部150と室内空間22(
図2、
図4を参照)とを連通する。更に、
図4に示すように、階層毎に室内空間22と外気と連通する外部換気口156が設けられている。
【0030】
<換気構造>
つぎに、換気構造について説明する。
【0031】
図3〜
図5に示すように、太陽光によってキャビティ部150の中の空気の温度が上昇し、キャビティ部150の中に上昇気流が発生する。この上昇気流によって、矢印J1で示すように、煙突効果によって下換気口170から外気がキャビティ部150に流入し、上換気口160から排出される。
【0032】
なお、本実施形態では、キャビティ部150は複数の階層(本実施形態では3階層)に亘って連通した構造となっている。よって、下換気口170と上換気口160と間の鉛直方向の距離が大きく確保されており、これにより一つの階層でキャビティ部が構成されている場合と比較し、大きな煙突効果が得られる。したがって、大きな煙突効果によってキャビティ部150に大きな上昇気流が発生し、多量の空気が下換気口170から外気がキャビティ部150に流入し、上換気口160から排出される。よって、キャビティ部150の空気温度、特に上部の空気温度が高温になることが抑制又は防止される。
【0033】
したがって、ダブルスキン100のキャビティ部150を流れる空気によって、構造物10の日射取得熱を効果的に低減させることができ、その結果、構造物10の室内空間22の熱負荷を低減させることができる。
【0034】
また、
図5に示すように、ダブルスキン100には、キャビティ部150と各室内空間22とを連通する内部換気口154が設けられており、内部換気口154を開放することで、内部換気口154を介して各室内空間22(
図2等参照)とキャビティ部150との間で空気が出入りする。よって、室内空間22(
図2等参照)と外気との間が、内部換気口154、キャビティ部150、及び上換気口160を介して、自然換気される構造となっている。
【0035】
また、
図4に示すように、ダブルスキン100には、階層毎に室内空間22と外気との間を連通する外部換気口156が設けられている。よって、外部換気口156を介して室内空間22と外気とが直接換気される。なお、キャビティ部150の煙突効果に影響を与えないように外部換気口156は、キャビティ部150とは区画されている。
【0036】
<等圧理論に基づくインナースキンの設計理論>
つぎに、キャビティ部150の風圧力が均一になろうとする現象、つまり、等圧理論に基づく、インナースキン120の設計理論について説明する。なお、「均一」をより具体的に説明すると、キャビティ部内の圧力が、空間的にバラツキが小さい状態又はバラツキが殆どない状態を指す。
【0037】
本実施系形態ではキャビティ部150は、構造物10の横方向の全幅又は略全幅に亘って設けられている。また、アウタースキン110に横方向(幅方向)に間隔をあけて、キャビティ部150と外気とを連通する複数の下換気口170と上換気口160が設けられている。
【0038】
そして、一例として
図5及び
図6に示す矢印J3のように、下換気口170間及び上換気口160間でも、空気が出入りする。つまり、煙突効果による下から上方向への空気の流れ以外に加え、幅方向にも空気が流れる。
【0039】
したがって、内部換気口154が閉止された状態において、ダブルスキン100のキャビティ部150の内部の風圧力が均一又は略均一になる。別の観点から説明すると、内部換気口154が閉止された状態において、各換気口(開口部)において、キャビティ150部への空気の流入及び流出が発生するが、流出入の総和は0(ゼロ)になり、その結果、キャビティ部150内の圧力が空間的に均一化される。
【0040】
そして、これによりインナースキン120にかかる風圧力(風荷重)が均一又は略均一になり、この均一又は略均一になったインナースキン120にかかる風圧力(風荷重)に耐え得るように、インナースキン120の板厚を設計する。
【0041】
なお、等圧理論の算定式が
図11の数式である。また、
図12の数式は、本実施形態のキャビティ部150に当てはめた場合の計算式(
図11の数式の区画J)である。
【0042】
<設計方法>
構造物10の外面にかかる風圧は不均一と考えられる。そして、
図2に示す構造物10のコーナー部10C(外面の幅方向端部)には、他の部位よりも風圧(負圧)が高くなることが知られている。
【0043】
ここで、一般的には、ダブルスキンにおけるアウタースキンは開口によってキャビティ部(中空層)との圧力差が小さくなるので、アウタースキンにかかる風圧(風荷重)はシングルスキン構造の場合におけるシングルスキンの70%程度と考えて設計されている。つまり、アウタースキンの板厚は。シングルスキンの板厚よりも薄い。
【0044】
しかし、ダブルスキンにおけるインナースキンは、室内空間22(建物内部空間)との圧力差が発生するので、シングルスキンと同じ風圧力(風荷重)がかかると考えて設計していた。つまり、内側のインナースキンの板厚はシングルスキンの板厚と同じ板厚に設計されることが一般的である。
【0045】
そして、ダブルスキンを構成するインナースキンの板厚は、建物のコーナー部10C等の風圧の最も高くなる部位を基準に行ってきた。つまり、従来インナースキンの板厚は、コーナー部10C等の最も高い風圧(風荷重)に耐え得る板厚とする設計を行ってきた。
【0046】
しかし、本実施形態では、上述したように、等圧理論に基づいて設計を行っている。つまり、ダブルスキン100を構成するキャビティ部150を、構造物10の横方向の全幅又は略全幅に亘って連通させて大容量化する共に、複数の下換気口170及び上換気口16を幅方向に間隔をあけて設けることで、キャビティ部150の風圧力を均一化又は略均一化させている。
【0047】
よって、本実施形態では、コーナー部10C等の最も高い風圧(風荷重)に耐え得るように設計するのではなく、均一化又は略均一化された風圧力(風荷重)に耐え得るようにインナースキン120の板厚が設計されている。よって、本実施形態のダブルスキン100を構成するインナースキン120の板厚は、従来の設計方法で設計した板厚よりも薄い。つまり、インナースキン120の板厚はシングルスキンの板厚よりも薄くなっている。
【0048】
なお、上述したように、ダブルスキン100を構成するアウタースキン110は、従来の設計方法でもシングルスキンの板厚よりも薄くなる。よって、本実施形態でも同様に設計することで、アウタースキン110の板厚はシングルスキンの板厚よりも薄くなっている。
【0049】
<測定(実測)>
つぎに、等圧理論が正しいことを実証するために行った本実施形態のダブルスキン100を構成するアウタースキン110にかかる外圧及びキャビティ部150の風圧力(インナースキン120にかかる風圧力(風荷重))の測定及びその結果について説明する。なお、内部換気口154を閉止した状態で測定されている。
【0050】
[測定方法]
図5に示すように、構造物10の22階層〜24階層の西壁面11W(
図2参照)における合計7箇所(
図5に示す(1)〜(7))で測定を行った。また、22階層の室内空間22の内圧も測定した。
【0051】
図5と
図7に示すように、計測位置は、(1)〜(5)はアウタースキン110にかかる外圧の測定位置であり、(6)及び(7)はキャビティ部150の風圧力の測定位置である。また、基準圧として22階層の室内空間22の内圧(共通)を測定した。各計測時間の間隔は0.1秒とした。また、二日間に亘って測定した。なお、測定した二日は連続した二日間でなく、一日目と二日目との間には数日あいだが、あいている
【0052】
また、
図1及び
図2に示すように、一日目は矢印Case1で示す北北西(310°)の強風の午前中に測定した。また、二日目は矢印Case2で示す南南西(175°)の強風の夕方に測定した。
【0053】
図7には、測定箇所と風荷重等高線とを示している。こらからCase1(
図7(A))及びCase2(
図7(B))ともに、アウタースキン110にかかる外圧測定点(1)〜(5))は、外圧が低い部位、つまり負圧が大きい部位に位置していることが判る。よって、測定箇所はキャビティ部150にかかる風圧力(風荷重)が高い部位であり、測定点としては問題がないことが判る。
【0054】
[測定結果]
図8及び
図9は、キャビティ部150の風圧力の実測値とアウタースキン110の下換気口170及び上換気口160の外圧の平均値とを示すグラフである。これらのグラフからキャビティ部150の風圧力の値とアウタースキン110の下換気口170及び上換気口160の外圧の平均値とが略一致している。つまり、キャビティ部150の内部の圧力が略均一であることが示されている。また、キャビティ部150の風圧力の実測値とアウタースキン110の下換気口170及び上換気口160の外圧の平均値とは、ほぼ同じ波形となっており、同一のキャビティ部150の内であれば、場所によらず略同じ圧力変動となっていることがわかる。
【0055】
[風圧力(風荷重)の比較]
つぎに、キャビティ部150の風圧力、つまりインナースキン120にかかる風圧力(風荷重)が、シングルスキンにおける風圧力(風荷重)を上回らないことを確認する。
【0056】
図10(B)は、風洞実験におけるシングルスキンにかかる外圧係数と、キャビティ部の風圧力と、を示す表である。なお、
図10(A)は、測定点を示している。
【0057】
この表を見ると判るように、いずれもキャビティ部150の風圧力のほうが小さくなっている。なお、21F−Sの箇所は、正圧が1.65であり、キャビティ部150の正圧1.99よりも下回っている。しかし、負圧は−3.55であり絶対値は3.55である。よって、絶対値としてはキャビティ部150の絶対値1.99よりも高くなっている。つまり、キャビティ部150の風圧力のほうが小さいので、インナースキン120にかかる風圧力(風荷重)が、シングルスキンにおける風圧力(風荷重)を上回っていない。
【0058】
<作用効果及びまとめ>
上述したように、本発明を適用されたダブルスキン100では、キャビティ部150を構造物10の横方向の全幅又は略全幅に亘って連通させて大容量化する共に、複数の下換気口170及び上換気口160を幅方向に間隔をあけて設けることで、キャビティ部150の内部風圧を均一化させている。また、これによりインナースキン120に作用する例えばコーナー部10C等の風圧力(風荷重)の局所的な増加を抑制している。
【0059】
つまり、本発明を適用することで、インナースキン120にかかる風圧力(風荷重)は、局部的に大きな風圧力(コーナー部10Cの場合は負圧)が作用する場合でも、キャビティ部150の中で均され、インナースキン120全体に亘って同じ又は略同じ風圧力(風荷重)として設計することができる。
【0060】
よって、コーナー部10C等の局所的に風圧力(風荷重)が高い部位に対応するためにインナースキン120の板厚を増す必要がなく、インナースキン120の板厚を薄くすることが可能となる。また、このことが実測によって確認された。
【0061】
なお、本実施形態では、キャビティ部150を構造物10の横方向の全幅又は略全幅に亘って連通させて大容量化したが、これに限定されない。
【0062】
例えば、本実施形態では、平面視における外形が略四角形状であるので、コーナー部10Cの風圧力(風荷重)が局所的な増加した。しかし、他の形状の場合は、他の部位に風圧力(風荷重)が局所的な増加することが考えられる。この場合は、この風圧力(風圧力)が局所的に増加する部位と、他の部位と、が連通するように「キャビティ部の横方向の幅」と、「複数の開口部の大きさと間隔」とを、適宜、計算して設定すればよい。
【0063】
要は、本設計理論を用いて、シングルスキンで構成した場合におけるシングルスキンが受ける風圧力よりも、インナースキンが受ける風圧力が小さくなるように、「キャビティ部の横方向の幅」と、「複数の開口部の大きさと間隔」とを、適宜計算して設定すればよい。
【0064】
なお、本実施形態の構成の場合においては、キャビティ部の横方向の連通幅を構造物の1/3程度に区分けすると、インナースキンが受ける風圧力をシングルスキンが受ける風圧力よりも小さくすることは困難であることが確認されている。
【0065】
<その他>
尚、本発明は上記実施形態に限定されない。
【0066】
例えば、上記実施形態では、
図5の示すようにキャビティ部150は3階層に亘って構成されているが、これに限定されない。1階層又は2階層で構成されていてもよいし、4階層以上で構成されていてもあってもよい。なお、キャビティ部150は、上下が仕切られていることが、望ましい。つまり、上面部分が外気に開放されていない方が望ましい。
【0067】
本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない