特開 2022-176469 屋根構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022176469

(43)【公開日】2022-11-30

(54)【発明の名称】屋根構造

(51)【国際特許分類】

   E04B 7/16 20060101AFI20221122BHJP

   E04B 1/32 20060101ALI20221122BHJP

【ＦＩ】

E04B7/16 A

E04B1/32 102B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021082924

(22)【出願日】2021-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 充

(72)【発明者】

【氏名】谷口 尚範

(57)【要約】

【課題】座屈耐力を向上しつつ、ドーム架構の自重による変形抑制効果を高めることができる屋根構造を提供する。
【解決手段】屋根構造１０は、球面に沿って配置され、平面視で円以外の形状をなすドーム架構１と、ドーム架構１の下方に配置され、平面視で多角形の環状に形成されたリング材２と、リング材２とドーム架構１の外周端部とを連結する複数の引張材４と、を備え、引張材４は、外周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。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

球面に沿って配置され、平面視で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、平面視で多角形の環状に形成されたリング材と、
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、
前記引張材は、外周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屋根構造。

【請求項2】

前記ドーム架構は、平面視で矩形をなしている請求項１に記載の屋根構造。

【請求項3】

前記引張材は、前記ドーム架構の平面視で矩形をなす辺の中央部に連結されている請求項２に記載の屋根構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、屋根構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記の特許文献１には、ドーム状の屋根構造が提案されている。図１１及び図１２に示すように、屋根構造１００は、球面に沿って配置され、平面視で円以外の形状をなすドーム架構１０１と、ドーム架構の下方に配置され、平面視円環状に形成されたリング材１０２と、を備えている。リング材１０２とドーム架構１０１の外周材１０１ｃを連結するケーブル材１０３に張力を導入することで、ドーム架構１０１の曲げ応力の抑制や自重による変形の低減が可能である構造である。

【0003】

ドーム架構１０１の形状が矩形の場合、ドーム架構１０１の角部及び角部近傍（以下「角部」と称する）ａ１の外周材１０１ｃが側部ａ２の外周材１０１ｃに比べ低い位置に配置される。角部ａ１のケーブル材１０３ａは、外周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。このため、ケーブル材１０３ａに張力を導入すると、リング材１０２の角部ａ１に位置する部分（以下、「角部リング材」と称する）１０２ａに下向きに引っ張る力（図１２の矢印参照）が発生する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－２１２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

また、ドーム架構１０１を同心円部材１０１ａと放射方向部材１０１ｂとで構成した場合、外周側になるにしたがって部材密度が低下し、ドーム架構１０１の局部座屈が起こりやすくなる。固定荷重を増分させると、角部リング材１０２ａの直上に位置のドーム架構１０１で局部座屈が発生する。

【0006】

従来のリング形状では、局部座屈が発生する位置のリング材１０２をケーブル材１０３で下向きに引っ張る形状となっている。リング材１０２を配置しない場合の座屈荷重倍率λは、λ＝４．３７（固定荷重の４．３７倍の荷重で座屈する）となる。図１３に、リング材１０２を配置しない場合の１次座屈固有ベクトルを示す。リング材１０２を配置する場合の座屈荷重倍率λは、λ＝４．０７となる。図１４に、リング材１０２を配置する場合の１次座屈固有ベクトルを示す。矢印で示すように、角部リング材１０２ａの直上位置で、局部座屈が発生しやすくなっていることが分かる。つまり、リング材１０２を配置することで、座屈耐力が低下する（局部座屈が発生しやすくなっている）という問題点がある。

【0007】

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、座屈耐力を向上しつつ、ドーム架構の自重による変形抑制効果を高めることができる屋根構造を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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、平面視で多角形の環状に形成されたリング材と、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、前記引張材は、外周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。

【0009】

このように構成された屋根構造では、引張材は、外周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。よって、引張材に張力を加えることによって、リング材は引張材によって引っ張り上げられ、ドーム架構の外周部分は引き絞られる。引張材は、ドーム架構の外周部分の角部には接続されていない。仮に、ドーム架構の角部とリング材とを引張材（以下、「角部引張材」と称する）で連結すると、角部引張材は外周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することになる。角部引張材に張力を加えると、角部引張材によってリング材が引き下げられ、ドーム架構における角部リング材の直上部分（以下、「直上ドーム架構」と称する）では局部座屈が発生しやすくなる。しかしながら、上記の構成では、角部リング材には引張材が連結されていないため、ドーム架構の座屈耐力を向上することができる。

【0010】

また、本発明に係る屋根構造では、前記ドーム架構は、平面視で矩形状をなしていてもよい。

【0011】

このように構成された屋根構造では、平面視で矩形状をなしているドーム架構において、座屈耐力を向上しつつ、ドーム架構の自重による変形抑制効果を高めることができる。

【0012】

また、本発明に係る屋根構造では、前記引張材は、前記ドーム架構の平面視で矩形をなす辺の中央部に連結されていてもよい。

【0013】

このように構成された屋根構造では、引張材は、ドーム架構の平面視で矩形の辺の中央部に連結されている。リング材における引張材との連結位置がドーム架構の角部から離れた位置となり、引張材は外周側に向かうにしたがって次第に上方に大きく傾斜する。よって、ドーム架構の座屈耐力をより一層向上することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る屋根構造によれば、座屈耐力を向上しつつ、ドーム架構の自重による変形抑制効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】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2】本発明の一実施形態に係る屋根構造を示す立面図であり、図１のＡ方向から見た図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る屋根構造のリング材の構成を説明する平面図である。

【図4】本発明の効果検証のための解析モデル（リング材の形状変更前）を示す。

【図5】本発明の一実施形態に係る屋根構造の１次座屈固有ベクトルを示す。

【図6】リング材の無い屋根構造の場合の固定荷重時鉛直方向変位を示す。

【図7】従来の円形の環状をなすリング材の場合の固定荷重時鉛直方向変位を示す。

【図8】本発明の一実施形態に係る屋根構造の固定荷重時鉛直方向変位を示す。

【図9】本発明の一実施形態の変形例１に係る屋根構造のリング材の構成を説明する平面図である。

【図10】本発明の一実施形態の変形例２に係る屋根構造のリング材の構成を説明する平面図である。

【図11】従来の屋根構造を示す斜視図である。

【図12】従来の屋根構造を示す立面図である。

【図13】リング材の無い屋根構造の場合の１次座屈固有ベクトルを示す。

【図14】従来の屋根構造（リング材有り）の場合の１次座屈固有ベクトルを示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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３と、複数のケーブル材（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。

【0017】

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。ドーム架構１は、球面に沿って配置されている。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、複数の円弧材１２ａと、外周材（外周端部）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。

【0018】

ドーム架構１は、平面視で円以外の形状をしている。本実施形態では、ドーム架構１は、平面視で正方形である。

【0019】

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の環状をしている。円弧材１２ａは、平面視で中心Ｐを中心として円形状の環状の一部、つまり円弧状をなしている。

【0020】

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。円弧材１２ａは、円周方向部材１２よりも外側（径方向の外側）に配置されている。内周リング材１１、円周方向部材１２及び円弧材１２ａは、同一面上（同一球面上）に配置されている。例えば、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及び円弧材１２ａは角管からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0021】

外周材１３は、平面視で中心Ｐを中心とした正方形の環状をしている。外周材１３は、ドーム架構１の外形をなしている。例えば、外周材１３はＨ型鋼からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0022】

外周材１３には、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。

【0023】

放射方向部材１４は、複数の円周方向部材１２と外周材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。例えば、放射方向部材１４は、角管からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0024】

斜め方向部材１５は、内周リング材１１と外周材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。例えば、斜め方向部材１５は、角管からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0025】

図２は、屋根構造１０を示す立面図であり、図１のＡ方向から見た図である。図２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。

【0026】

図３は、張弦リング材２の構成を説明する平面図である。図３では、張弦リング材２、ケーブル材４及び外周材１３のみを示し、他の構成部材の図示を省略している。図３に示すように、張弦リング材２は、平面視で、多角形の環状に形成されている。本実施形態では、中心Ｐを中心とした八角形の環状をしている。平面視で、張弦リング材２は、ドーム架構１の外周材１３の内側に配置されている。

【0027】

例えば、張弦リング材２はＨ型鋼からなる部材が複数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の外周材１３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。

【0028】

平面視で、正方形をなす外周材１３の辺を、外周材辺１３ａとする。平面視で、八角形をなす張弦リング材２の短辺２ａは、それぞれ対応する外周材辺１３ａと平行に配置されている。張弦リング材２の長辺２ｂは、隣り合う短辺２ａどうしの接続するように配置されている。短辺２ａと長辺２ｂとの接続点を頂点部２ｃとする。

【0029】

図２に示すように、張弦リング束材３は、ドーム架構１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の下端部は、平面視で八角形をなす張弦リング材２の頂点部２ｃ（図３参照）または頂点部２ｃの近傍に接続されている。本実施形態では、張弦リング束材３の数は、張弦リング材２の頂点部２ｃの数に対応して８本である。例えば、張弦リング束材３は円形鋼管で構成されている。

【0030】

図１に示すように、ケーブル材４は、ドーム架構１の外周材１３と張弦リング材２とを連結している。図３に示すように、ケーブル材４の一端部は、張弦リング材２の頂点部２ｃに接続されている。ケーブル材４の他端部は、外周材１３の外周材辺１３ａの中央部に接続されている。外周材１３の角部１３ｃには、ケーブル材４は接続されていない。

【0031】

一の外周材辺１３ａには、２本のケーブル材４が接続されている。一の外周材辺１３ａに接続された２本のケーブル材４は、頂点部２ｃから外周材辺１３ａに向かうにしたがって次第に互いにわずかに離間するように配置されている。

【0032】

本実施形態では、ケーブル材４の数は、張弦リング材２の頂点部２ｃの数に対応して８本である。例えば、ケーブル材４は、亜鉛めっき鋼より線で構成されている。

【0033】

図２に示すように、ケーブル材４は、外周側（外周材１３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。ケーブル材４に張力を加えられると、張弦リング材２は引っ張り上げられ、外周材１３は内側（中心Ｐ側）に引っ張られている。換言すると、ケーブル材４に張力を加えることによって、外周材１３が引き絞られる。

【0034】

従来の特開２０２１－２１２３２号公報の屋根構造では、リング材が円形の環状をしていたのに対して、本実施形態では、リング材（張弦リング材２）は八角形の環状に変更している。そこで、図４に示す四角形ドームモデルを用いて、解析によりリング材の形状変更による座屈耐力の向上及び自重による変形の低減効果を確認する。

【0035】

図４の四角形ドームモデルの構成部材の断面リストを下記の表（１）に示す。

【0036】

【表1】

【0037】

図５に示すように、リング材の形状変更後（本実施形態の八角形の環状の張弦リング材２の場合）の座屈荷重係数はλ＝４．５０となっている。本実施形態の八角形の環状の張弦リング材２を採用することで、図１３に示すリング材が無い場合の座屈荷重倍率λ＝４．３７に比べ座屈耐力が向上していることが分かる。

【0038】

図６に示すように、リング材が無い場合のドーム架構頂部の固定荷重時の鉛直方向変位δ＝９４．７ｍｍとなる。図７に示すようにリング材の形状変更前（円形の環状のリング材の場合）のドーム架構頂部の固定荷重時の鉛直方向変位δ＝８２．１ｍｍとリング材が無い場合（図６）に比べ減少しているが、角部のケーブルの引き下げにより角部のリング直上位置において最大変形δ＝１０３ｍｍが生じている。

【0039】

一方、図８に示すように、リング材の形状変更後（本実施形態の八角形の環状の張弦リング材２の場合）のドーム架構頂部の固定荷重時の鉛直方向変位δ＝８９．０ｍｍとなり、ケーブル本数が減少したためリング材の形状変更前（図７）に比べると鉛直方向変位は増加しているが、リング材がない場合（図６）に比べると変位が減少しており、角部の引き下げも発生していない。

【0040】

このように構成された屋根構造１０では、ケーブル材４は、外周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。よって、ケーブル材４に張力を加えることによって、張弦リング材２はケーブル材４によって引っ張り上げられ、ドーム架構１の外周材１３は引き絞られる。ケーブル材４は、ドーム架構１の外周材１３の角部１３ｃには接続されていない。仮に、ドーム架構１の角部１３ｃと張弦リング材２とをケーブル材４（「角部引張材」と称する）で連結すると、角部引張材は外周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することになる。角部引張材に張力を加えると、角部引張材によってリング材が引き下げられ、ドーム架構における角部リング材１０２ａ（図１１参照）の直上部分（以下、「直上ドーム架構」と称する）では局部座屈が発生しやすくなる。しかしながら、本実施形態では、角部リング材にはケーブル材４が連結されていないため、ドーム架構１の座屈耐力を向上することができる。

【0041】

また、平面視で正方形状をなしているドーム架構１において、座屈耐力を向上しつつ、ドーム架構１の自重による変形抑制効果を高めることができる。

【0042】

また、ケーブル材４は、ドーム架構１の外周材１３の外周材辺１３ａの中央部に連結されている。張弦リング材２におけるケーブル材４との連結位置がドーム架構１の角部１３ｃから離れた位置となり、ケーブル材４は外周側に向かうにしたがって次第に上方に大きく傾斜する。よって、ドーム架構１の座屈耐力をより一層向上することができる。

【0043】

（変形例１）
次に、上記に示す実施形態の変形例１に係る屋根構造について、主に図９を用いて説明する。
以下の変形例において、前述した実施形態で用いた部材と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

【0044】

図９に示すように、本変形例に係る屋根構造１０Ａは、ドーム架構１Ａと、張弦リング材（リング材）２Ａと、複数の張弦リング束材（不図示）と、複数のケーブル材（引張材）４Ａと、を備えている。

【0045】

ドーム架構１Ａは、平面視で中心Ｐを中心とした正八角形である。外周材１３Ａは、平面視で中心Ｐを中心とした正八角形の環状をしている。

【0046】

張弦リング材２Ａは、平面視で、中心Ｐを中心とした正八角形の環状をしている。

【0047】

ケーブル材４Ａは、ドーム架構１Ａの外周材１３Ａと張弦リング材２Ａとを連結している。ケーブル材４Ａの一端部は、張弦リング材２Ａの頂点部２ｄに接続されている。ケーブル材４Ａの他端部は、外周材１３Ａの外周材辺１３ｄの中央に接続されている。外周材１３Ａの角部１３ｅには、ケーブル材４Ａは接続されていない。ケーブル材４Ａは、中心Ｐ及び頂点部２ｄを通る直線上に配置されている。

【0048】

一の外周材辺１３ｄには、１本のケーブル材４Ａが接続されている。ケーブル材４Ａは、外周側（外周材１３Ａ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。ケーブル材４Ａに張力を加えられると、張弦リング材２Ａは引っ張り上げられ、外周材１３Ａは内側（中心Ｐ側）に引っ張られている。換言すると、ケーブル材４Ａに張力を加えることによって、外周材１３Ａが引き絞られる。

【0049】

このように構成された屋根構造１０Ａでは、ケーブル材４Ａは、外周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。よって、ケーブル材４Ａに張力を加えることによって、張弦リング材２Ａはケーブル材４Ａによって引っ張り上げられ、ドーム架構１Ａの外周材１３Ａは引き絞られる。ケーブル材４Ａは、ドーム架構１Ａの外周材１３Ａの角部１３ｅには接続されていない。仮に、ドーム架構１Ａの角部１３ｅと張弦リング材２Ａとをケーブル材４Ａ（「角部引張材」と称する）で連結すると、角部引張材は外周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することになる。角部引張材に張力を加えると、角部引張材によってリング材が引き下げられ、ドーム架構における角部リング材の直上部分（以下、「直上ドーム架構」と称する）では局部座屈が発生しやすくなる。しかしながら、本実施形態では、角部リング材にはケーブル材４Ａが連結されていないため、ドーム架構１Ａの座屈耐力を向上することができる。

【0050】

（変形例２）
次に、上記に示す実施形態の変形例２に係る屋根構造について、主に図１０を用いて説明する。

【0051】

図１０に示すように、本変形例に係る屋根構造１０Ｂは、ドーム架構１Ｂと、張弦リング材（リング材）２Ｂと、複数の張弦リング束材（不図示）と、複数のケーブル材（引張材）４Ｂと、を備えている。

【0052】

ドーム架構１Ｂは、平面視で中心Ｐを中心とした正三角形である。外周材１３Ｂは、平面視で中心Ｐを中心とした正三角形の環状をしている。

【0053】

張弦リング材２Ｂは、平面視で、中心Ｐを中心とした正六角形の環状をしている。

【0054】

ケーブル材４Ｂは、ドーム架構１Ｂの外周材１３Ｂと張弦リング材２Ｂとを連結している。ケーブル材４の一端部は、張弦リング材２Ｂの頂点部２ｅに接続されている。ケーブル材４Ｂの他端部は、外周材１３Ｂの外周材辺１３ｆの中央部に接続されている。外周材１３Ｂの角部１３ｇには、ケーブル材４Ｂは接続されていない。ケーブル材４Ｂは、中心Ｐ及び頂点部２ｅを通る直線上に配置されている。

【0055】

一の外周材辺１３ｆには、２本のケーブル材４Ｂが接続されている。一の外周材辺１３ｆに接続された２本のケーブル材４Ｂは、頂点部２ｅから外周材辺１３ｆに向かうにしたがって次第に互いにわずかに離間するように配置されている。ケーブル材４Ｂは、外周側（外周材１３Ｂ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。ケーブル材４Ｂに張力を加えられると、張弦リング材２Ｂは引っ張り上げられ、外周材１３Ｂは内側（中心Ｐ側）に引っ張られている。換言すると、ケーブル材４Ｂに張力を加えることによって、外周材１３Ｂが引き絞られる。

【0056】

このように構成された屋根構造１０Ｂでは、ケーブル材４Ｂは、外周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。よって、ケーブル材４Ｂに張力を加えることによって、張弦リング材２Ｂはケーブル材４Ｂによって引っ張り上げられ、ドーム架構１Ｂの外周材１３Ｂは引き絞られる。ケーブル材４Ｂは、ドーム架構１Ｂの外周材１３Ｂの角部１３ｇには接続されていない。仮に、ドーム架構１Ｂの角部１３ｇと張弦リング材２Ｂとをケーブル材４Ｂ（「角部引張材」と称する）で連結すると、角部引張材は外周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することになる。角部引張材に張力を加えると、角部引張材によってリング材が引き下げられ、ドーム架構における角部リング材の直上部分（以下、「直上ドーム架構」と称する）では局部座屈が発生しやすくなる。しかしながら、本実施形態では、角部リング材にはケーブル材４Ｂが連結されていないため、ドーム架構１Ｂの座屈耐力を向上することができる。

【0057】

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。

【0058】

例えば、上記に示す実施形態では、ドーム架構１は平面視で正方形をなしているが、本発明はこれに限られない。ドーム架構１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、楕円形等であってもよい。

【0059】

また、上記に示す実施形態では、張弦リング材２は平面視で八角形の環状をしているが、本発明はこれに限られない。張弦リング材２は平面視で多角の環状をしていればよく、三角形、四角形、五角形等であってもよい。

【符号の説明】

【0060】

１…ドーム架構
２…張弦リング材（リング材）
４…ケーブル材（引張材）
１０…屋根構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】