特開 2023-177944 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】P2023177944

(43)【公開日】2023-12-14

(54)【発明の名称】屋根構造

(51)【国際特許分類】

   E04B 1/32 20060101AFI20231207BHJP

   E04B 7/08 20060101ALI20231207BHJP

【ＦＩ】

E04B1/32 102B

E04B7/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022090919

(22)【出願日】2022-06-03

(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】角部の座屈耐力をより向上させることができる屋根構造を提供する。
【解決手段】ケーブル材（引張材）６は、張弦リング材（リング材）３における八角形（多角形）の角部に対応する位置と、ドーム架構２の外周材２４における四角形（多角形）の辺の長さ方向の中間部に対応する位置と、を連結する。張弦リング束材４は、張弦リング材３における八角形の角部に対応する位置とドーム架構２とを連結する角部束材４１と、張弦リング材３における八角形の辺の中間部に対応する位置とドーム架構２を連結する中間束材４２と、を有する。
【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、平面視で多角形の形状をなすドーム架構と、
前記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との間において鉛直方向に延び前記リング材と前記ドーム架構とを連結する複数の束材と、
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、
前記引張材は、前記リング材における前記多角形の角部に対応する位置と、前記ドーム架構の外周端部における前記多角形の辺の長さ方向の中間部に対応する位置と、を連結し、
前記束材は、
前記リング材における前記多角形の角部に対応する位置と前記ドーム架構とを連結する角部束材と、
前記リング材における前記多角形の辺の中間部に対応する位置と前記ドーム架構とを連結する中間束材と、を有する屋根構造。

【請求項2】

前記リング材における前記多角形の外周に沿った方向に隣り合う前記束材を連結する斜材を更に有する請求項１に記載の屋根構造。

【請求項3】

前記リング材の平面視の形状は、４つの短辺と４つの長辺とが１つずつ交互に配列された八角形であり、
前記中間束材は、前記リング材における前記長辺に対応する長辺部の中間部と、前記ドーム架構とを連結する請求項１または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。

【背景技術】

【0002】

球面に沿って配置され鉛直方向から見た平面視で円以外の形状をなすドーム架構と、ドーム架構の下方に配置され、平面視で円形に形成されたリング材と、ドーム架構とリング材とを連結し鉛直方向に延びる束材と、リング材とドーム架構の外周材とを連結するケーブル材と、有し、ケーブル材に張力を導入する屋根構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような屋根構造では、ケーブル材に張力を導入することによって、ドーム架構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。
この屋根構造において、ドーム架構が平面視で四角形などの多角形であると、ドーム架構の外周材における上記多角形の角部となる部分は、ドーム架構の外周材の他の部分よりも低い位置に配置され、かつリング材よりも下方に配置される。このため、リング材とドーム架構の外周材の角部と連結するケーブル材は、リング材からドーム架構の外周材に向かって漸次下方に向かって延びている。

【0003】

また、出願人は、リング材の形状を八角形にして、リング材における八角形の角部に対応する位置とドーム架構の外周材における四角形の辺の長さ方向の中間部とを引張材で連結した屋根構造を提案している（特願２０２１－０８２９２４号）。
この屋根構造では、リング材とドーム架構の外周材の角部とを連結するケーブル材を設けていない。ケーブル材が連結されるドーム架構の外周材における四角形の辺の長さ方向の中間部は、リング部材よりも上方に配置される。このため、ケーブル材は、リング材からドーム架構の外周材に向かって漸次上方に向かって延びている。

【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】

特許文献１に開示された屋根構造では、リング材とドーム架構の外周材の角部とを連結するケーブル材に張力を導入すると、リング材を下向きに引っ張る力が発生するため、ドーム架構における角部となる部分に局部座屈が発生しやすくなる。

【0006】

特願２０２１－０８２９２４号で提案された屋根構造では、リング材とドーム架構の外周材における角部とを連結するケーブル材が設けられていないため、特許文献１に開示された屋根構造に比べ角部の座屈耐力が向上するが、角部の局部座屈が先行して発生する虞がある。

【0007】

本発明は、角部の座屈耐力をより向上させることができる屋根構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る屋根構造は、球面に沿って配置され、平面視で多角形の形状をなすドーム架構と、前記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との間において鉛直方向に延び前記リング材と前記ドーム架構とを連結する複数の束材と、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、前記引張材は、前記リング材における前記多角形の角部に対応する位置と、前記ドーム架構の外周端部における前記多角形の辺の長さ方向の中間部に対応する位置と、を連結し、前記束材は、前記リング材における前記多角形の角部に対応する位置と前記ドーム架構とを連結する角部束材と、前記リング材における前記多角形の辺の中間部に対応する位置と前記ドーム架構とを連結する中間束材と、を有する。

【0009】

本発明では、中間束材を設けることにより、屋根構造の鉛直剛性を高めることができ、ケーブル材に張力が導入した際に、屋根構造の角部に中間束材からの突き上げ力を発生させることができる。これにより、屋根構造の角部に変形が集中することを防止でき、角部の座屈耐力をより向上させることができる。

【0010】

また、本発明に係る屋根構造では、前記リング材における前記多角形の外周に沿った方向に隣り合う前記束材を連結する斜材を更に有していてもよい。

【0011】

このような構成とすることにより、斜材の補剛効果によって屋根構造の鉛直剛性を更に高めることができ、ケーブル材に張力が導入した際に、屋根構造の角部に中間束材からの突き上げ力を発生させることができる。これにより、屋根構造の角部に変形が集中することを防止でき、角部の座屈耐力をより向上させることができる。

【0012】

また、本発明に係る屋根構造では、前記リング材の平面視の形状は、４つの短辺と４つの長辺とが１つずつ交互に配列された八角形であり、前記中間束材は、前記リング材における前記長辺に対応する長辺部の中間部と、前記ドーム架構とを連結してもよい。

【0013】

このような構成とすることにより、ケーブル材に張力が導入した際に、屋根構造の角部に中間束材からの突き上げ力を発生させることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、屋根構造の角部の座屈耐力をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態による屋根構造を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施形態による屋根構造を示す立面図である。

【図3】ドーム架構、張弦トラス材、ケーブル材、束材、斜材の配置を示す平面図である。

【図4】張弦トラス材、ケーブル材、束材、斜材の配置を示す斜視図である。

【図5】張弦トラス材、ケーブル材、束材、斜材の配置を示す立面図である。

【図6】従来の屋根構造を示す斜視図である。

【図7】従来の屋根構造を示す立面図である。

【図8】屋根構造のモデル（中間束材無し、斜材の無し）の一次座屈モードを示す画像である。

【図9】屋根構造のモデル（中間束材有り、斜材の無し）の一次座屈モードを示す画像である。

【図10】屋根構造のモデル（中間束材有り、斜材の有り）の一次座屈モードを示す画像である。

【図11】本発明の実施形態の第１変形例による屋根構造を示す平面図である。

【図12】本発明の実施形態の第２変形例による屋根構造を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態による屋根構造について、図１－図５に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態による屋根構造１は、ドーム架構２と、張弦リング材（リング材）３と、複数の張弦リング束材（束材）４と、複数の張弦リング斜材（斜材）５と、複数のケーブル材（引張材）６と、を有する。屋根構造１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である。図２は、図１に示す矢印Ａ方向から見た立面図である。

【0017】

以下の説明においでは、鉛直方向から見た平面視における屋根構造１の中心を中心Ｐと表記する。ドーム架構２は、球面に沿って配置されている。図１に示すように、ドーム架構２は、頂部リング材２１と、複数の円周方向材２２と、複数の円弧材２３と、外周材（外周端部）２４と、複数の放射方向材２５と、複数の斜め方向材２６と、を有している。本実施形態では、ドーム架構２は、いわゆる単層ドーム架構である。

【0018】

図３に示すように、ドーム架構２の平面視形状は、四角形である。本実施形態では、ドーム架構２の平面視形状は、正方形である。
図１に示すように、頂部リング材２１および複数の円周方向材２２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２３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。

【0019】

円周方向材２２は、頂部リング材２１よりも外側（径方向外側）に配置されている。
円弧材２３は、円周方向材２２よりも外側（径方向の外側）に配置されている。頂部リング材２１、円周方向材２２および円弧材２３は、同一面上（同一球面上）に配置されている。例えば、頂部リング材２１はＨ型鋼からなる部材が接続されて構成され、円周方向材２２および円弧材２３は角管からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0020】

外周材２４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２４は、ドーム架構２の外形をなしている。例えば、外周材２４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。外周材２４の正方形の互いに直交する辺の一方の辺が延びる方向をＸ方向と表記し、他方の辺が延びる方向をＹ方向と表記する。外周材２４のうちの上記の一の辺に対応する部分を第１外周辺部２４１と表記し、上記の他方の辺に対向する部分を第２外周辺部２４２と表記する。第１外周辺部２４１と第２外周辺部２４２を併せて外周辺部２４４と表記することがある。

【0021】

外周材２４には、複数の外周柱材２７および複数の外周斜材２８が固定されている。外周柱材２７は、不図示の下部構造に設置されている。

【0022】

放射方向材２５は、複数の円周方向材２２と外周材２４とを連結している。放射方向材２５は、円周方向に間隔を有して複数配置されている。各放射方向材２５の延長線上には、中心Ｐが配置されている。換言すると、放射方向材２５は、放射線状に延びている。例えば、放射方向材２５は、角管からなる部材が複数接続されて構成されている。

【0023】

斜め方向材２６は、頂部リング材２１と外周材２４とを連結している。斜め方向材２６は、曲線に沿って形成されている。例えば、斜め方向材２６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】

図１、図２、図４、図５に示すように、張弦リング材３は、ドーム架構２の下方に配置されている。
図４、図５では、張弦リング材３、張弦リング束材４、張弦リング斜材５およびケーブル材６のみを示し、他の構成部材の図示を省略している。図１－図５に示すように、張弦リング材３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、張弦リング材３の平面視形状は、中心Ｐを中心とした八角形の環状をしている。

【0025】

張弦リング材３の八角形の辺は、短辺と、短辺よりも長い長辺とが中心Ｐを中心に交互に配列されている。すなわち、張弦リング材３の八角形は、４つの短辺と４つの長辺とから構成されている。張弦リング材３における上記の短辺に対応する部分を短辺部３１と表記し、長辺に対応する部分を長辺部３２と表記する。４つの短辺部３１は、それぞれ同じ長さである。４つの長辺部３２は、それぞれ同じ長さである。

【0026】

図１および図２に示すように、張弦リング材３は、平面視で、ドーム架構２の外周材２４の内側に配置されている。張弦リング材３は、４つの短辺部３１のうちの２つの短辺部３１（第１短辺部３１１）がＸ方向に延び、Ｙ方向に対向して配置され、他の２つの短辺部３１（第２短辺部３１２）がＹ方向に延び、Ｘ方向に対向して配置される。すなわち、張弦リング材３は、２つの第１短辺部３１１が外周材２４の第１外周辺部２４１と平行に配置され、２つの第２短辺部３１２が外周材２４の第２外周辺部２４２と平行に配置される。２つの第１短辺部３１１は、それぞれ第１外周辺部２４１のＸ方向の中央部とＹ方向に対向する位置に配置される。２つの第２短辺部３１２は、それぞれ第２外周辺部２４２のＹ方向の中央部とＸ方向に対向する位置に配置される。

【0027】

図１、図２、図４、図５に示すように、張弦リング材３の長辺部３２は、一方の端部が隣り合う第１短辺部３１１の端部と接続され、他方の端部が隣り合う第２短辺部３１２の端部と接続される。第１短辺部３１１と長辺部３２との接続点および第２短辺部３１２と長辺部３２との接続部を頂点部３３（図２、図４、図５参照）とする。頂点部３３は、張弦リング材（リング材）３の八角形の角に相当する。
例えば、短辺部３１および長辺部３２は、Ｈ型鋼などで構成されている。
張弦リング材３は、テンションリングとして機能し、ドーム架構２の外周材２４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】

図２に示すように、張弦リング束材４は、ドーム架構２と張弦リング材３とを連結している。張弦リング束材４は、鉛直方向に延びている。張弦リング束材４は、例えば、円形鋼管や角形鋼管などの鋼材である。
張弦リング束材４は、ドーム架構２と張弦リング材３の頂点部３３とを連結する角部束材４１と、ドーム架構２と張弦リング材３の長辺部３２の中央部とを連結する中間束材４２と、を有する。
本実施形態では、角部束材４１は、張弦リング材３の頂点部３３の数に対応して８本設けられている。中間束材４２は、張弦リング材３の長辺部３２の数に対応して４本設けられている。

【0029】

張弦リング斜材５は、平面視で張弦リング材３の外周に沿って隣り合う張弦リング束材４の間に設けられている。張弦リング斜材５は、斜め方向に延びている。張弦リング斜材５は、隣り合う一方の張弦リング束材４の上端部と他方の張弦リング束材４の下端部との間、および隣り合う一方の張弦リング束材４の下端部と他方の張弦リング束材４の上端部との間それぞれに設けられている。隣り合う一方の張弦リング束材４の上端部と他方の張弦リング束材４の下端部との間に設けられる張弦リング束材４は、一方の張弦リング束材４の上端部と他方の張弦リング束材４の下端部とを連結している。隣り合う一方の張弦リング束材４の下端部と他方の張弦リング束材４の上端部との間に設けられる張弦リング束材４は、隣り合う一方の張弦リング束材４の下端部と他方の張弦リング束材４の上端部とを連結している。
張弦リング斜材５は、例えば、丸鋼などの鋼材である。張弦リング斜材５は、制震ダンパーであってもよい。

【0030】

図１に示すように、ケーブル材６は、ドーム架構２の外周材２４と張弦リング材３とを連結している。図４に示すように、ケーブル材６の一端部は、張弦リング材３の頂点部３３に接続されている。ケーブル材６の他端部は、外周材２４の外周辺部２４４の中央部に接続されている。外周材２４の角部２４３には、ケーブル材６は接続されていない。外周材２４の角部２４３とは、第１外周辺部２４１と第２外周辺部２４２とがなす角部である。

【0031】

１つの外周辺部２４４には、それぞれ２本のケーブル材６が接続されている。１つの外周辺部２４４に接続された２本のケーブル材６は、張弦リング材３から１つの外周辺部２４４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６の数は、張弦リング材３の頂点部３３の数に対応して８本である。例えば、ケーブル材６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６は、外周側（外周材２４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６に張力を加えられると、張弦リング材３は引っ張り上げられ、外周材２４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６に張力を加えることによって、外周材２４が引き絞られる。

【0034】

次に、本実施形態による屋根構造の作用・効果について説明する。
本実施形態による屋根構造１では、ドーム架構２と張弦リング材３の長辺部３２の中央部とが中間束材４２で連結されているため、ケーブル材６に張力が導入した際に、屋根構造１の角部に中間束材４２からの突き上げ力を発生させることができる。これにより、屋根構造１の鉛直剛性を高めることができ、屋根構造１の角部に変形が集中することを防止でき、角部の座屈耐力をより向上させることができる。

【0035】

本実施形態による屋根構造１では、隣り合う張弦リング束材４を連結する張弦リング斜材５を有する。
このような構成とすることにより、張弦リング斜材５の補剛効果によって屋根構造の鉛直剛性を更に高めることができ、ケーブル材６に張力が導入した際に、屋根構造１の角部に中間束材４２からの突き上げ力を発生させることができる。これにより、屋根構造１の角部に変形が集中することを防止でき、角部の座屈耐力をより向上させることができる。

【0036】

本実施形態による屋根構造１では、張弦リング材３の平面視の形状は、４つの短辺と４つの長辺とが１つずつ交互に配列された八角形であり、中間束材４２は、張弦リング材３における長辺に対応する長辺部の中間部と、ドーム架構２とを連結している。
このような構成とすることにより、ケーブル材６に張力が導入した際に、屋根構造１の角部に中間束材４２からの突き上げ力を発生させることができる。

【0037】

ドーム架構が四角形である屋根構造のモデルを用いて、数値解析により補強による座屈耐力の向上効果を確認する。なお，解析は幾何非線形性を考慮する。荷重は固定荷重（鉄骨自重および屋根仕上荷重６００Ｎ/ｍ^２）を考慮する。柱脚はすべて並進・回転固定とする。
モデルは、中間束材４２および張弦リング斜材５の両方が設けられていない屋根構造１０１のモデル（中間束材無し斜材無しモデル、図６、図７参照）、中間束材４２が設けられているが張弦リング斜材５が設けられていない屋根構造のモデル（中間束材有り斜材無しモデル）、中間束材４２および張弦リング斜材５の両方が設けられている上記の実施形態と同様の屋根構造のモデル（中間束材有り斜材有りモデル）の３つである。
屋根構造の各部材断面リストを表１に示す。表１の外周リングは、上記の実施形態の外周材２４（外周端部）に相当する。

【0038】

【表1】

【0039】

座屈解析結果を図８－図１０に示す。図８は、中間束材無し斜材無しモデルの１次座屈モードであり、座屈荷重倍率λ＝５．５５である。図９は、中間束材有り斜材無しモデルの１次座屈モードであり、座屈荷重倍率λ＝５．７９である。図１０は、中間束材有り斜材有りモデルの１次座屈モードであり、座屈荷重倍率λ＝７．４７である。
各モデルの座屈荷重倍率（座屈耐力に相当）、中間束材無し斜材無しモデルとの座屈荷重倍率比および鉄骨重量比を表２に示す。

【0040】

【表2】

【0041】

中間束材４２が設置された中間束材有り斜材無しモデルでは、中間束材無し斜材無しモデルに対して、座屈荷重倍率が４％増加することがわかる。さらに、中間束材４２および張弦リング斜材５が設置された中間束材有り斜材有りモデルでは、中間束材無し斜材無しモデルに対して、座屈荷重倍率が３５％増加することがわかる。
また、中間束材４２および張弦リング斜材５が設置された中間束材有り斜材有りモデルでは、角部の局部座屈モードの発生を防止できることがわかる。
中間束材４２および張弦リング斜材５を設けることによる鉄骨重量の増加率に比べ、座屈荷重倍率の増加率が高いため、安価で効果的な補強ができることを確認した。

【0042】

以上、本発明による屋根構造の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態の屋根構造１では、ドーム架構２は平面視で四角形であるが、四角形以外の多角形であってもよい。
また、上記の実施形態の屋根構造１では、張弦リング材３の平面視の形状は、４つの短辺と４つの長辺とが１つずつ交互に配列された八角形であるが、八角形以外の多角形であってもよく、各辺の長さが等しい多角形であってもよい。

【0043】

例えば、図１１に示す屋根構造１Ｂのようにドーム架構２および張弦リング材３がいずれも平面視で六角形であってもよい。また、図１２に示す屋根構造１Ｃのようにドーム架構２および張弦リング材３がいずれも平面視で八角形であってもよい。
このような場合も、張弦リング材３の平面視形状の多角形の角部に対応する部分に角部束材４１が設けられ、張弦リング材３の平面視形状の多角形の辺の中間部に対応する部分に中間束材４２が設けられる。
なお、ドーム架構２の平面視の多角形の角部の数は、張弦リング材３の平面視の多角形の角部の数以下とする。

【0044】

上記の実施形態の屋根構造１には、隣り合う角部束材４１と中間束材４２とを連結する張弦リング斜材５が設けられているが、中間束材４２が設けられていれば、張弦リング斜材５が設けられていなくてもよい。
外周材２４に設けられる外周斜材２８は、図１、図２では隣り合う外周柱材２７の間全てに設けられているが、必要数が設けられていれば、隣り合う外周柱材２７の間全てに設けず、間引かれて設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0045】

１ 屋根構造
２ ドーム架構
５ 斜材
３２ 長辺部
４１ 角部束材
４２ 中間束材
２４３ 角部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】