(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、アーチ状またはドーム状建築物において、主要構造部材に圧縮力が主として作用する形状を有し、柱状またはパネル状である構造部材から構成される建築物と、この建築物を合理的に建設するために形状が規格化された連結材を提供することにある。【解決手段】アーチ状またはドーム状建築物において、垂直方向の断面形状は連結された矩形から構成され、この矩形の連結面は逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含んでおり、隣り合う矩形の接する面の傾きが、対応する位置にある逆カテナリー曲線の接面に垂直な面の傾きと同じであることを特徴とする建築構造物。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーチ状またはドーム状建築物において、垂直方向の断面形状は連結された矩形から構成され、この矩形の連結面は逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含んでおり、隣り合う矩形の接する面の傾きが、対応する位置にある逆カテナリー曲線の接面に垂直な面の傾きと同じであることを特徴とする建築構造物。
【請求項２】
請求項１において、その垂直方向の断面形状が三角形状または多角形状の連結部を介して長方形が連なった形状であり、この断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むことを特徴とする建築構造物。
【請求項３】
請求項２において、長方形状断面は建築物を構成するパネル状構造材の断面であり、三角形状または多角形状断面はこのパネルを連結する連結部の断面であることを特徴とする建築構造物。
【請求項４】
請求項２または３において、断面形状を形成する全ての長方形が実質的に合同であることを特徴とする建築構造物。
【請求項５】
請求項２または３または４項の断面形状が三角形状または多角形状の連結材において、長方形と接する面の傾きが、建築構造物の垂直方向の断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むように、加工されたことを特徴とする断面形状が三角形または多角形の連結部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、アーチ状またはドーム状建築構造物に関するものであり、特にその垂直方向の断面形状が逆カテナリー曲線に外接または内接または逆カテナリー曲線を含む建築構造物に関するものである。さらにこの建築構造物を構成する連結材に関するものである。
【先行技術文献】
【０００２】  アーチ状またはドーム状建築は大空間を造るのに適した構造であり、大競技場の屋根や広い空間を囲うのに有利な構造となっている（特開２００３−３０１５１７号公報）。中でも、鎖の両端を固定して吊り下げた時にできる形はカテナリー曲線（以下で、懸垂曲線と呼ぶことがある）を示し、それを逆さまにした逆カテナリー曲線からなる建築物では、構造体を形成する構造材に圧縮力が主として作用する結果、少量の使用材料で構成でき構造物重量が軽くなるので、工業的に有利である。（文献１）
【０００３】  文献１には、逆カテナリー曲線からなるドームを平板の組み合わせで造形した実験的作品が示され、自然のなかにある美しさや合理性を再発見させる造形表現として紹介されている。また、逆カテナリー曲線からなる建築物として、エーロ・サーリネンが設計したエントランスアーチは最軽量で材料の無駄がなく大スパンの空間が得られる有効な構造体であると同時に、形状を最適化した建築物の持つ美しさを兼ね備えていると説明されている。
【０００４】  文献２にはアーチ状またはドーム状建築構造物において円形アーチまたは円形ドーム構造の場合には、構造体を形成する各部分にはアーチまたはドームを外側に押し広げる力（以下、フープ力と呼ぶ）が作用することが述べられている。従って、構造体の各部分に圧縮力のみが作用することは、逆カテナリー曲線に特有の性質ということができる。
【０００５】  一方、アーチ状またはドーム状建築構造物では曲面を連結するために色々な方法が考案されている。特開２００３−３０１５１７号公報には、丸パイプ材で構成した周辺枠フレームの枠面内に面内補強部材を配置することにより、壁体を構成する方法が提示されている。また、特開２００６−３２２２４１号公報には、木質軸部材を接合ブロックと両者の隙間を埋める隙間充填部材とを使用して連結する方法が開示されている。
【０００６】  連結部材を使用せずに、四角形の底板と対向する一対の台形状の直立板からなる構造ユニットを作成し、つぎにこの構造ユニットを四角形の底板が曲面を構成するように積み重ねてゆくことにより造られたドーム状建築構造物と、その建築方法については特開２００２−２２７３０４号公報に開示されている。
【０００７】  安全性を確保した上で効率的に建築物を構築することが可能であり、大幅に建築コストを低減できる工法が、特開２０００−３１９９９６号公報に開示されている。この公報によれば、支柱の上にユニット屋根構造体を組み付け、他のユニットを水平方向に伸びるように組み付け、他方の仮設支柱で支持しながら順次ユニットを増しつつ仮設支柱を広げてゆく工法により、円弧状ドームが構築される。また、特開平１１−２８０１５３には、断面形状が台形をなす複数のユニット部材を、その台形の長辺部がアーチの外周部であり短辺部がアーチの内周部となるように平行に並べて、隣り合うユニットは長辺側で接続され、その接続部は自由回転できるようにした構造物が開示されている。さらに、このユニットを連ねた連結構造物を組み上げ、端部を固定し他端に力を加えて連続構造物の中央部が高くなるように立ち上げることにより、アーチ状構造物を造る施工方法も開示されている。
【０００８】  特開２０００−１７７６８号公報には、集成材梁からなるアーチ状または懸垂曲線状の屋根構造が開示され、ストランド材を集成材梁の内部に取り込むことにより、アーチ状屋根では屋根下空間を有効に利用でき、懸垂曲線状屋根では押さえケーブルが不要となるので、施工方法が簡便となり建設費を押さえることができるとされている。懸垂曲線状からなる構造物の場合には、構造材には主として引張り力のみが作用する。
【０００９】  このように、従来の技術はその多くがアーチ状建築構造物に関する技術開示であった。文献１では逆カテナリー曲線からなるドーム状模型を平板の組み合わせでデサインしているが、アイディアのみであり実際の建築物を設計するために必要な設計に関する記述はない。特許文献１と３では具体的にアーチ構造を建築するための連結材または構造ユニットを開示しているが、逆カテナリー曲線の優位性については言及されていない。特許文献２では木質軸部材の軸方向に圧縮力が支配的に作用する構造において、接合ブロックを使用して木質軸部材を接合する際に、隙間充填部材を使用して隙間を無くし圧縮力を伝達する構造を開示しているが、施工時に隙間を充填する工法が述べられているのみで、どのような構造の場合に、木質構造材の軸方向に圧縮力が支配的に作用するかについては記載されていない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−３０１５１７号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２２４１号公報
【特許文献３】特開２００２−２２７３０４号公報
【特許文献４】特開２０００−３１９９９６号公報
【特許文献５】特開平１１−２８０１５３号公報
【特許文献６】特開２０００−１７７６８号公報
【文献１】
ｗｗｗ．ｗａｋａｙａｍａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／｀ｍｏｔｏｎａｒｉ／ｓｔｕｄｙ０２．ｈｔｍｌ
【文献２】
天才建築家ブルネレスキ  フィレンチェ・花のドームはいかにして建築されたか、ロス・キング／田辺希久子／東京書籍
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  本発明の課題は、アーチ状またはドーム状建築物において、主要構造部材に圧縮力が主として作用する形状を有し、柱状またはパネル状である構造部材から構成される建築物と、この建築物を合理的に建設するために形状が規格化された連結材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明者らは鋭意検討した結果、本発明を見出した。即ち、本発明は以下の通りである．
（１）アーチ状またはドーム状建築物において、垂直方向の断面形状は連結された矩形から構成され、この矩形の連結面は逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含んでおり、隣り合う矩形の接する面の傾きが、対応する位置にある逆カテナリー曲線の接面に垂直な面の傾きと同じであることを特徴とする建築構造物。
（２）項（１）において、その垂直方向の断面形状が三角形状または多角形状の連結部を介して長方形が連なった形状であり、この断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むことを特徴とする建築構造物。
（３）項（２）において、長方形状断面は建築物を構成するパネル状構造材の断面であり、三角形状または多角形状状断面はこのパネルを連結する連結部の断面であることを特徴とする建築構造物。
（４）項（２）または（３）において、断面形状を形成する全ての長方形が実質的に合同であることを特徴とする建築構造物。
（５）項（２）、（３）または（４）の断面形状が三角形状または多角形状の連結材において、長方形と接する面の傾きが、建築構造物の垂直方向の断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むように、加工されたことを特徴とする断面形状が三角形または多角形の連結部。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、逆カテナリー曲線からなる構造であれば主要構造部材に圧縮力が主として作用するという特徴を維持しつつ、断面形状が単純な矩形で構成された建築構造物を造ることが出来る。加えて、この矩形を規格化された構造部材と連結部材との組み合わせとすることにより、工業的に安価に建築構造物を造ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】直線状ロッドの組み合わせにより、逆カテナリー曲線を近似した場合の応力相関図。
【図２】５つの矩形の組み合わせからなる構造物（右側のみ）が逆カテナリー曲線に内接した状態。隣り合う矩形が接する面の傾きを構造物１９では一点鎖線、構造物２０では二点鎖線で示す。
【図３】５つの矩形を組み合わせた構造物１９を例にとり、断面形状が長方形の構造材と断面形状が三角形または四角形の連結材とからなる建築構造物の断面図。（縦軸の目盛で最大値＝１０ｍ、横軸の目盛（右側＝０〜５ｍ）
【図４】木質パネル２５と２９を連結材２８で連結するために、夫々をボルトで固定した場合の仮想断面図。
【図５】木質製パネルと木質製連結材からなる建築物の例。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明を詳細に説明する。初めに、直線またはパネル状の構造部材の組み合わせよりなる建築構造物において、構造部材に圧縮力が主として作用するための関係式を示す。
【００１６】  直線状ロッドの組み合わせにより、逆カテナリー曲線を近似した場合の応力相関を図１に示す。この図でロッドの軸方向に圧縮力が主として作用する場合に、ロッドが満足すべき条件を求めた。まず、この直線状ロットを組み合わせた構造物について、以下の▲１▼〜▲３▼の条件を設定した。
▲１▼ロッドは剛直な線分で表現され、接合点でロッドは自由に回転できる。
▲２▼応力は隣り合うロッドの仮想の接触面に垂直に作用する。
▲３▼接触面の傾きは、隣り合うロッドが接合する位置での逆ｃａｔｅｎａｒｙ曲線との接線に垂直な線分の傾きとする。
【００１７】  この条件下で各ロッドに作用する両側のロッドからの応力の和と、隣接するロッド接点周りのモーメントの和が夫々零となる条件を求めた。図１の頂部のロッド１０（計算の便宜上２つのロッドを一体と考える）に作用する応力は左右のロッドからの圧縮力１（σ１）と圧縮力３（σ１）とロッドの自重２（２ｗ）である。ｙ軸方向の応力バランスは式（１）で表せるので、σ１は式（２）で示される。
２σ１・ｓｉｎｈ（ｘ１／Ｈ）／（１＋ｓｉｎｈ２（ｘ１／Ｈ））１／２−２ｗ＝０            （１）
（ここで、逆カテナリー曲線はｙ＝−Ｈ＊ｃｏｓｈ（ｘ／Ｈ）＋Ｖ＋Ｈで示され、Ｖは逆カテナリー曲線の高さ、Ｈはパラメータ、σ１はロッド１０に作用するロッド１１または対称位置にあるロッドからの応力であり、ｗはロッドの単位重量、ｘ１はロッド１０とロッド１１が接する位置に相当する逆カレナリー曲線のｘ座標である。）
σ１＝ｗ・（ｓｉｎｈ−２（ｘ１／Ｈ）＋１）１／２                      （２）
【００１８】  図１でのロッド１１を１番目のロッドと表記して、このロッドに作用するロッド１０からの反力をσ１、ロッド１２からの応力をσ２と記す。ロッド１２は２番目となり、ｎ番目のロッドに作用する反力と応力は夫々σｎとσｎ＋１と表記される。σｎのｙ軸方向の応力（σｎ）ｙとｘ軸方向の応力（σｎ）ｘは夫々式（３）と式（４）で示される。
（σｎ）ｙ＝ｎｗ                                                      （３）
（σｎ）ｘ＝ｎｗｓｉｎｈ（ｘｎ／Ｈ）−１                              （４）
（ここで、σｎはロッド点（ｘｎ，ｙｎ）での応力（添え字は夫々ｙ成分、ｘ成分）、ｎは自然数、ｗはロッドの単位重量、ｘｎは点（ｘｎ，ｙｎ）でのｘ座標、Ｈはパラメータである。）
ｎ番目のロッドについての応力のバランス、即ち（σｎ）ｘ−（σｎ＋１）ｘ＝０と（σｎ）ｙ−（σｎ＋１）ｙ−ｗ＝０の式を満足する条件は式（５）となる。式（５）を満足する場合に、構造力学モデルを構成する各ロッド長は等しくなる。
ｓｉｎｈ（ｘｎ／Ｈ）／ｓｉｎｈ（ｘｎ−１／Ｈ）＝ｎ／（ｎ−１）        （５）
【００１９】  上述の解析結果をまとめると、ｎ番目のロッドについて応力がバランスするためには、次の▲１▼と▲２▼の条件を満足することが必要であり、ロッドの接点での式（６）
ｗｘ［−（（２ｎ−１）／２）（ｘｎ−ｘｎ−１）
＋ｎ（ｓｉｎｈ（ｘｎ／Ｈ））−１Ｈ（−ｃｏｓｈ（ｘｎ−１／Ｈ）＋ｃｏｓｈ（ｘｎ／Ｈ））］    （６）
で示されるモーメントが零であれば、構造力学的に安定な構造が可能となりロッドに軸方向の応力が主として作用することになる。数値計算の結果実質的に零となることが確認された。以上の解析より本発明の建築構造物は、構造材の断面形状を構成する矩形をロッドと見なした時に、矩形は▲１▼と▲２▼の条件を満足することが証明された。
▲１▼矩形の接合面は対応する接合点での逆ｃａｔｅｎａｒｙ曲線との接線に垂直である。
▲２▼ｃａｔｅｎａｒｙ構造を構成する矩形の長さは同じ。
【００２０】  上述の構造力学的解析では、逆カテナリー曲線を分割する数には依存せず、任意の区間で分割数を変えても同じ解析結果となるので、その垂直方向の断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含んでいれば、圧縮力は構造材の軸方向に主として作用することが容易に演繹できる。このことを建築構造物に置き換えて説明すると、アーチ状またはドーム状建築物において、垂直方向の断面形状は連結された矩形から構成され、この矩形が連結された構造物の断面形状は逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含んでおり、隣り合う矩形の接する面の傾きが、対応する位置にある逆カテナリー曲線の接面に垂直な面の傾きと同じである建築構造物となる。最も単純な例を図２にしめす。図２では、逆カテナリー曲線に内接する場合について、５つの矩形の組み合わせからなる構造物を示す。矩形が接する面の傾きを構造物１９では一点鎖線、構造物２０では二点鎖線で示した。
【００２１】  断面形状が矩形となる構造部材としては、柱状、パネル状などであり、材質的にはプレストレスト鉄筋コンクリート製、鉄鋼製、集成材を含む木質製などを適用できるが、本発明はこれらに限定されるものではない。各構造部材の連結方法には本発明の背景技術の項で引用した技術を含めて、これらを適用することができる。この場合には、断面形状が矩形の構造部材の隣り合う面夫々について、全体の断面形状が逆カテナリー曲線に接するか、逆カテナリー曲線を含むように加工しなくてはならない。所定の大きさの逆カテナリー曲線からなる建築構造物に応じて、個々に矩形を組み合わせて造ることもできるが、大量生産にはあまり適していない。
【００２２】  本発明のアーチ状またはドーム状建築物において、その垂直方向の断面形状が三角形状または多角形状の連結部を介して長方形が連なった形状である建築構造物とすることができる。この断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むような構造とするには、断面形状が三角形状または多角形状の連結部が長方形と接する面の傾きが重要である。即ち、この面の傾きは、長方形の断面形状が逆カテナリー曲線と接するかこの曲線を内包するように決められる。この連結部材を共通部材として、両側に連結する断面形状が長方形である構造材の長さを変えることで、相似でサイズの異なるアーチ状またはドーム状の建築物を造ることが可能となる。図３では、５つの矩形を組み合わせた構造物１９を例にとり、断面形状が長方形の構造材と断面形状が三角形または四角形の連結材とからなる建築構造物の断面形状を示した。
【００２３】  断面形状が長方形である全構造材の長きさを同じにすることにより、大量生産が可能となる。安定した品質の構造材を大量生産できるので、工業的に有利である。同じ大きさの主要構造材が使用できるだけでなく、連結材についても少ない種類で規格化が可能となる。具体的には図３に示すように、頂部は断面形状が三角形の連結材２３により断面形状が長方形の構造材２１と２２結合され、他の連結材は断面形状が四角形である。図３の断面形状の原型は、図２の５つの矩形を組み合わせた構造物１９である。この矩形の隣り合う部分を直角に切り取り、長方形２１または２２と三角形２３と四角形２４に分割したものである。矩形からなる構造部材を断面形状が長方形の部材と連結材に分割することで、連結材の形状を変えることなく、断面形状が長方形の構造部材の長さを変えるだけで、建築物全体の大きさを変えることが出来る。
【００２４】  断面形状が長方形の構造材としては、柱状やパネル状の構造材を好適に用いることが出来るが、広い面積を効率的に覆うことができる観点からはパネル状構造材が望ましい。断面形状が三角形または四角形の連結材は、水平方向に所定の長さを有し、パネルを効率的に連結できる構造である。パネルも連結材も、建築構造物を組み立てる前に、所定の形状に加工しておくことが望ましい。これらのパネル状構造材と連結材の材質としては、プレストレスト鉄筋コンクリート製、鉄鋼製、集成材を含む木質製などを適用できるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２５】  断面形状が矩形の構造材を連結する具体例を示すが本発明はこれらに限定されるものではない。構造材が鉄鋼材であれば溶接、高力ボルト、或いは併用する方法、プレストレストコンクリート材や集成材や木質パネルの場合には接着剤、継手金具、ボルト接合、或いは併用する方法などが挙げられる。必要に応じてストランド材などで補強することも可能である。また、特許文献５に準じて、アーチ状構造物の外側になる接合部分を回転自由とし、水平な地面で矩形の構造材を組み合わせて連結構造体としてから、連結構造体の端を固定して他端に力を加えて連続構造体の中央部が高くなるようにして持ち上げることにより、本発明のアーチ状建築構造物を、足場を用意しなくても、造ることができる。
【００２６】  断面形状が三角形または多角形の連結材に関しては、長方形と接する面の傾きを調整して、構造物全体の断面形状が逆カテナリー曲線に内接または外接または逆カテナリー曲線を含むように加工されることが最も重要であり、本発明の特徴となっている。連結材の断面構造の例を図４に示す。図４は木質パネル２５と２９を連結材２８で連結するために、夫々をボルトで固定した場合の仮想断面図である。木質パネル２５の表面は凸状部２６があり、連結材側は対応する位置に凹部２７があり、位置ズレを防止する構造となっている。図４に例示する連結材は、図３に示した左右夫々５枚ずつのパネルからなる建築構造物において、右側の頂部から３番目の連結材２４に対応する。
【００２７】  本発明で木質製パネルと木質製連結材からなる建築物の例を図５に示す。木質製パネルの種類としては、壁または屋根となるパネルと窓付きパネルなどに規格化して、連結材も図３に示すように６種類に統一すれば、少ない種類の部材で木造建築物を造ることができる。かつ、屋根と外壁を構成する構造材には圧縮力が主として作用することから、木材が一般的に曲げや剪断に弱いことを配慮すれば、少ない材料で建築することができるので、安価に製造できるなど工業的に有利となる。かつ簡便に造ることができるので、別荘や週末住宅などのゆとりある生活の場を提供するための建築構造物として最適である。
【符号の説明】
【００２８】  １……ロッド１０に作用する応力（σ１）、
２……ロッド１０の重力（２ｗ）、
３……ロッド１０に作用する応力（σ１）、
４……ロッド１１に作用する応力（ロッド１０からの反力、σ１）、
５……ロッド１１の重力（ｗ）、
６……ロッド１１に作用する応力（σ２）、
７……ロッド１２に作用する応力（ロッド１１からの反力、σ２）
８……ロッド１２の重力（ｗ）、
９……ロッド１２に作用する応力（σ３）、
１０……一番上（頂部）のロッド（自重＝２ｗ）、
１１……頂部を０番目とした時の頂部から１番目のロッド、
１２……頂部から２番目のロッド、
１３……ロッド１０とロッド１１との接面の傾き、
１４……ロッド１１とロッド１２との接面の傾き、
１５……ロッド１２と頂部から４番目との接面の傾き、
１６……ロッド１０とロッド１１との接点（ｘ１、ｙ１）、
１７……ロッド１１とロッド１２との接点（ｘ２、ｙ２）、
１８……ロッド１２と頂部から４番目との接点（ｘ３、ｙ３）、
１９……逆カテナリー曲線に内接する５つのロッドの組合せからなる構造物
（高さ９ｍ、幅９ｍ）、
２０……逆カテナリー曲線に内接する５つのロッドの組合せからなる構造物
（高さ９ｍ、幅１２．６ｍ）、
２１……一番上（頂部）の断面形状が長方形の木質製パネル（左）、
２２……一番上（頂部）の断面形状が長方形の木質製パネル（右）、
２３……木質製連結材（断面形状が三角形）、
２４……木質製連結材（断面形状が四角形）、
２５……木質製パネル
２６……木質製パネルの凸部
２７……木質製連結材の凹部
２８……木質製連結材
２９……木質製パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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