(57)【要約】【課題】弦材を最適な長さと数でバランス良く組合せたトラス構造の提供。【解決手段】斜めに立ち上げた三角形の面が略平行となるように並べて配置した複数の三角トラス１ａ，１ｂ−１〜１ｃ−３と、最も大きな三角トラス１ａの底辺の対頂点５ａを起点として複数の三角トラス１ｂ−１〜１ｃ−３の対頂点５ｂ−１〜５ｂ−３をそれぞれ結ぶ２つの上弦材２ｂ，２ｃと、最も大きな三角トラス１ａの三角形の底辺の両端をそれぞれ起点として複数の三角トラス１ｂ−１〜１ｃ−３の底辺の両端をそれぞれ結ぶ２組のそれぞれ２つの下弦材２ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃとを有し、２つの上弦材２ｂ，２ｃ、２組のそれぞれ２つの下弦材２ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃおよび最も大きな三角トラス１ａを、それぞれ１つの弦材とする平面トラスとみなして、複数の三角トラス１ａ，１ｂ−１〜１ｃ−３の三角形の底辺の対頂点５ａ，５ｂ−１〜５ｂ−３を支持点Ａ側に傾斜させたトラス構造。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底辺を略水平として斜めに立ち上げた三角形の各辺にそれぞれ弦材を配置して形成した三角トラスであって、最も大きな三角トラスを略中心としてその両側に向かって徐々に小さくした三角トラスを、前記三角形の面が略平行となるように並べて配置した複数の三角トラスと、
前記最も大きな三角トラスの三角形の底辺の対頂点を起点として、その両側の前記複数の三角トラスのそれぞれの三角形の底辺の対頂点をそれぞれ結ぶ２つの上弦材と、
前記最も大きな三角トラスの三角形の底辺の両端をそれぞれ起点として、その両側の前記複数の三角トラスのそれぞれの三角形の底辺の両端をそれぞれ結ぶ２組のそれぞれ２つの下弦材とを有し、
前記２つの上弦材、前記２組のそれぞれ２つの下弦材および前記最も大きな三角トラスを、それぞれ１つの弦材とする平面トラスとみなして、前記上弦材および下弦材の一方の交点を支持点Ａ、他方の交点を載荷点Ｃ、前記最も大きな三角トラスの三角形の底辺を支持点Ｂとし、前記複数の三角トラスの三角形の底辺の対頂点を前記支持点Ａ側に傾斜させたトラス構造。
【請求項２】
前記三角トラスの斜辺の弦材が、帯板材である請求項１記載のトラス構造。
【請求項３】
前記平面トラスの前記支持点Ｂと前記載荷点Ｃとを結ぶ弦材を長辺上に置いて前記平面トラスを囲む長方形の長辺の長さをＬ、前記載荷点Ｃから前記支持点Ｂまでの長さをＬ1、短辺の長さをＨ、前記支持点Ａから前記支持点Ｂと前記載荷点Ｃとを結ぶ直線まで下ろした垂線の長さをＨ1としたとき、
０＜Ｈ1／Ｈ＜１，  ０＜Ｌ1／Ｌ＜１
である請求項１または２に記載のトラス構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁などに用いられる片持ち支持構造体のトラス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
トラスを用いた構造体の荷重支持機構としては、土木では橋梁（トラス橋）、建築では小屋組みや三次元的なトラスによるドーム、機械ではタワークレーン等がある。片持ち支持構造体の荷重支持機構に用いられるトラス構造は、一般的にはトラス型クレーン等で示されるように、荷重が懸かる部分（荷重端）の荷重を、構造体の部材の軸力だけで支えることにある。なお、トラス型クレーンでは、部材の軸力の引張材の部分は主にワイヤーで支え、圧縮材の部分は主に鉄骨でトラスを組んで支えている。
【０００３】
このような片持ち支持構造体の荷重支持機構に用いられるトラスで一番問題となるのは、圧縮材の座屈である。例えば、トラス型クレーンは、圧縮材の座屈を防ぐためにトラスを組むことにより、構造的座屈（全体座屈）および局部的座屈（部材の座屈）を防いでいる。すなわち、トラスは、極めて簡単に構成することが可能な上に、梁やラーメンが曲げや剪断で荷重を支持するのに対して、軸力で荷重を支持するので、非常に大きな荷重を支持することができる。なお、トラスには、一般的に平面トラスおよび立体トラスがあり、実用的にはクレーンなどのような建設機械や橋梁などに利用されている。
【０００４】
この種のトラス構造に関して、様々な先行技術が開示されている。例えば、特許文献１には、木製の種々の荷重支持機構に用いられるトラス構造が開示されている。しかしながら、特許文献１では、木材の利用についてのみ説明されており、他の材質の利用については説明されていない。また、構造上各部材にかかる軸力が違うため、軸力を強く受ける部材があり、これによる座屈などの破損対策が考慮されていない。
【０００５】
また、特許文献２には、梁・スラブ等の建材の撓みによって発生する曲げモーメントを解消し、建材を支える柱材・壁材等の鉛直方向部材の負担を軽減するために、自重・積載荷重等による建材の撓み方向とは逆方向に自体をわずかに湾曲状に形成させておき、かつ当該建材の内部にプレストレスによる緊張力を付加させるよう湾曲方向に沿って張力筋材を配することにより、建材の撓み変形によって発生する曲げモーメントを軽減する状態に補正させることを特徴とした建築構造建材における重力撓み補正方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、片持ち構造および引張構造を用いた吊り橋構造が開示されている。この吊り橋構造は、上部工と、橋脚および橋台からなる下部工とで構築される橋梁構造において、上部工は、主桁となる並行に複数本配置される高張力鋼のネジフシ鋼棒を引張して形成されたテンション構造部と、水平方向に延びる鋼製の片持ち桁と、水平方向に延びる両端変断面の片持ち箱桁とからなる対向する両岸に設けられた一対の片持ち箱桁部と、ネジフシ鋼棒を鋼コンクリート複合橋台に固定する定着部とからなるとともに、下部工が、鋼コンクリート複合橋台と、片持ち箱桁を支持する橋脚とからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５３１７３１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１４５６３号公報
【特許文献３】特開２０１１−６９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、弦材を最適な長さと数でバランス良く組合せたトラス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】
【０００９】
本発明のトラス構造は、底辺を略水平として斜めに立ち上げた三角形の各辺にそれぞれ弦材を配置して形成した三角トラスであって、最も大きな三角トラスを略中心としてその両側に向かって徐々に小さくした三角トラスを、三角形の面が略平行となるように並べて配置した複数の三角トラスと、最も大きな三角トラスの三角形の底辺の対頂点を起点として、その両側の複数の三角トラスのそれぞれの三角形の底辺の対頂点をそれぞれ結ぶ２つの上弦材と、最も大きな三角トラスの三角形の底辺の両端をそれぞれ起点として、その両側の複数の三角トラスのそれぞれの三角形の底辺の両端をそれぞれ結ぶ２組のそれぞれ２つの下弦材とを有し、２つの上弦材、２組のそれぞれ２つの下弦材および最も大きな三角トラスを、それぞれ１つの弦材とする平面トラスとみなして、上弦材および下弦材の一方の交点を支持点Ａ、他方の交点を載荷点Ｃ、最も大きな三角トラスの三角形の底辺を支持点Ｂとし、複数の三角トラスの三角形の底辺の対頂点を支持点Ａ側に傾斜させたものである。
【００１０】
図１は本発明のトラス構造を模式化した斜視図、図２は図１のトラス構造を平面トラスとみなした平面図である。図１に示すように、本発明のトラス構造は、底辺を略水平として斜めに立ち上げた三角形の各辺にそれぞれ弦材を配置して形成した複数の三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…を有する。なお、これらの三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…は、最も大きな三角トラス１ａを略中心としてその両側に向かって徐々に小さくした三角トラス１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…を、三角形の面が略平行となるように並べて配置したものである。
【００１１】
また、本発明のトラス構造は、最も大きな三角トラス１ａの三角形の底辺の対頂点５ａを起点として、その両側の複数の三角トラス１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…のそれぞれの三角形の底辺の対頂点５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，…，５ｃ−１，５ｃ−２，５ｃ−３，…をそれぞれ結ぶ２つの上弦材２ｂ，２ｃと、最も大きな三角トラス１ａの三角形の底辺の両端をそれぞれ起点として、その両側の複数の三角トラス１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…のそれぞれの三角形の底辺の両端をそれぞれ結ぶ２組のそれぞれ２つの下弦材３ｂ，３ｃおよび下弦材４ｂ，４ｃとを有する。
【００１２】
そして、本発明のトラス構造は、最も大きな三角トラス１ａ、２つの上弦材２ｂ，２ｃ、および、２組のそれぞれ２つの下弦材３ｂ，３ｃならびに下弦材４ｂ，４ｃを、図２に示すように、それぞれ１つの弦材１１，１２，１３，１４，１５とする平面トラスとみなして、上弦材２ｂ，２ｃおよび下弦材３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃの一方の交点（上弦材２ｂ，３ｂ，４ｂの交点、すなわち弦材１２，１４の交点）を支持点Ａ、他方の交点（上弦材２ｃ，３ｃ，４ｃの交点、すなわち弦材１３，１５の交点）を載荷点Ｃ、最も大きな三角トラス１ａの三角形の底辺Ｂ−Ｂ’を支持点Ｂとする。なお、図２における頂点Ｄは、最も大きな三角トラス１ａの三角形の底辺の対頂点５ａ、すなわち、弦材１１，１２，１３の交点である。
【００１３】
また、図２に示すように、頂点Ｄは、弦材１５を水平に置いたとき、支持点Ｂの鉛直上方よりも支持点Ａ側にずれており、弦材１１は支持点Ａ側に傾斜している。したがって、図１に示すトラス構造においても、三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…は、それぞれの三角形の底辺の対頂点５ａ，５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，…，５ｃ−１，５ｃ−２，５ｃ−３，…を支持点Ａ側に傾斜させたものとなっている。
【００１４】
上記構成により、本発明のトラス構造では、平面トラスとみなしたときに、弦材１２，１３には引張力が、弦材１１，１４，１５には圧縮力が作用する。そして、圧縮力が作用する弦材１４，１５について、弦材１１を支持点Ａ側に傾斜させることで、弦材１４，１５に加わる軸力をバランスさせ、弦材１４，１５の座屈を防ぐことができる。
【００１５】
すなわち、本発明のトラス構造では、上弦材２ｂ，２ｃには引張力が、下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃおよび三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…には圧縮力が作用する。そして、圧縮力が作用する下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃについて、三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…を支持点Ａ側に傾斜させることで、下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃに加わる軸力をバランスさせ、下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃの座屈を防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明のトラス構造では、圧縮力が作用する下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃは２組とし、複数の三角トラス１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，…，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３，…を平行に配置して、上弦材２ｂ，２ｃと連結することにより、下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃの座屈を上弦材２ｂ，２ｃで防ぐことができる。また、三角トラスの斜辺の弦材を帯板材とした場合には、平面トラスを面として考えることができ、より下弦材３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃの座屈を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のトラス構造によれば、圧縮力が作用する下弦材および三角トラスにより下弦材に加わる軸力をバランスさせ、下弦材の座屈を防ぐことができるため、弦材を最適な長さと数でバランス良く組み合わせたトラス構造を得ることができる。また、引張材である上弦材が少なくて済むため、接合部および部材を減らすことができ、経済的に優れたトラス構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のトラス構造を模式化した斜視図である。
【図２】図１のトラス構造を平面トラスとみなした平面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるトラス構造を平面トラスとみなした平面図である。
【図４】頂点Ｄのずらし距離ＬXの算出条件を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例におけるトラス構造を用いた橋梁の模型写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図３は本発明の実施の形態におけるトラス構造を平面トラスとみなした平面図である。図３に示す平面トラスは、図１および図２で説明した本発明のトラス構造およびその平面トラスの一実施形態を示すものであり、共通する構成部分については同一符号を付している。
【００２０】
本実施形態における平面トラスを設計する場合は、図３に示すように、長さＬの長辺を水平に、長さＨの短辺を鉛直にして描いた長方形の下辺の角に、荷重が掛かる載荷点Ｃを設け、支持点Ｂを下辺の載荷点ＣからＬ1の位置（載荷点Ｃから支持点Ｂまでの長さＬ1）に、支持点Ａを短辺のＨ1の高さ位置（支持点Ａから支持点Ｂと載荷点Ｃとを結ぶ直線まで下ろした垂線の長さＨ1）に、頂点Ｄを上辺の中央から右にＬXずらした位置にそれぞれ設けて、弦材１１〜１５を配置する。
【００２１】
この平面トラスにおいて、載荷点Ｃに荷重がかかるとき、支持点Ａは下から上方に向けて鉛直に、支持点Ｂは上から下方に向け鉛直にそれぞれ平面トラスを支えており、支持点Ａ―頂点Ｄ間の弦材１２、および、載荷点Ｃ―頂点Ｄ間の弦材１３にはそれぞれ引張力が作用する。また、載荷点Ｃ―支持点Ｂ間の弦材１５と、支持点Ｂ―支持点Ａ間の弦材１４と、支持点Ｂ―頂点Ｄ間の弦材１１とには圧縮力が作用する。
【００２２】
頂点Ｄは、支持点Ｂから鉛直上方に伸ばした線と長方形の上辺との交点をずらし距離ＬX右側に移動させて設定しているが、これは載荷点Ｃ―支持点Ｂ間を結ぶ弦材１５と支持点Ａ―支持点Ｂ間を結ぶ弦材１４に加わる圧縮力をバランスさせるためである。すなわち、中央の弦材１１を斜めにすることで、弦材１１の長さがやや長くなり、載荷点Ｃ―支持点Ｂ間の弦材１５と支持点Ｂ―支持点Ａ間の弦材１４の軸力をバランスさせ、座屈の危険性を低減させている。
【００２３】
なお、本実施形態においては、頂点Ｄのずらし距離ＬXは、弦材１４，１５が同時に座屈を起こすことを条件として、以下のように求めている。
【００２４】
図３の弦材１４，１５に同じ部材（断面、材料）を用いた場合、弦材１５，１４のそれぞれの線形座屈荷重ＰCR1，ＰCR2は、
ＰCR1（弦材１５）＝π2ＥＩ／（Ｌ1）2  …（１）
ＰCR2（弦材１４）＝π2ＥＩ／｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝  …（２）
但し、奥行き方向の長さは小さいとして考慮していない。
【００２５】
ここで、弦材１４，１５が同時に座屈を起こすためには、
π2ＥＩ＝ＰCR1（Ｌ1）2＝ＰCR2｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝  …（３）
が成り立てば良い。
【００２６】
なお、トラスの解法の１つであるクレモナ法の示力図（図４参照。）によると、
ＰCR1（弦材１５）＝ＰＬ2（Ｌ1＋ＬX）／（ＬＨ）  …（４）
ＰCR2（弦材１４）＝ＰＬ1（ＬX−Ｌ2）｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝1/2／｛Ｌ（Ｈ1ＬX−ＨＬ2）｝  …（５）
となる。
【００２７】
（４），（５）式を（３）式に代入すると、
｛ＰＬ2（Ｌ1＋ＬX）／（ＬＨ）｝（Ｌ1）2
＝［ＰＬ1（ＬX−Ｌ2）｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝1/2／｛Ｌ（Ｈ1ＬX−ＨＬ2）｝］｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝  …（６）
【００２８】
（６）式を約分すると、
Ｌ1Ｌ2（Ｌ1＋ＬX）／Ｈ−（ＬX−Ｌ2）｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝3/2／（Ｈ1ＬX−ＨＬ2）＝０  …（７）
【００２９】
ゆえに、
Ｆ＝Ｌ1Ｌ2（Ｌ1＋ＬX）／Ｈ−（ＬX−Ｌ2）｛（Ｌ2）2＋（Ｈ1）2｝3/2／（Ｈ1ＬX−ＨＬ2）＝０
となるＬXを算出する。
【００３０】
なお、ＬXの算出は、（８）式に（Ｈ1ＬX−ＨＬ2）を掛けてＬXに関する２次方程式を解いても良いし、Ｆの＋，−の符号が変わるときのＬXを求めても良い。なお、上で説明した頂点Ｄのずらし距離ＬXの算出方法は、弦材１４，１５が同時に座屈を起こすことを条件とした場合の一つの例であり、ずらし距離ＬXは他の条件を勘案して適宜変更されうる。
【実施例】
【００３１】
図５は本発明の実施例におけるトラス構造を用いた片持ち支持構造体としての橋梁の模型写真である。図５に示す橋梁２０は、図３で説明した長方形の長辺の長さＬを１０００ｍｍ、短辺Ｈの長さを３００ｍｍとし、頂点Ｄのずらし距離ＬXを５０ｍｍとした平面トラスを設定し、頂点Ｄ−支持点Ｂに平行に複数の三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４を配置したものである。
【００３２】
上記構成の橋梁２０では、載荷点Ｃ−頂点Ｄ間を結ぶ上弦材２２および支持点Ａ−頂点Ｄ間を結ぶ上弦材２３には引張力が作用する。また、載荷点Ｃ−支持点Ｂ間を結ぶ下弦材２４，２５、支持点Ｂ−支持点Ａ間を結ぶ下弦材２６，２７、および、三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４には圧縮力が作用する。そして、このトラス構造では、三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４が支持点Ａ側に傾斜しているため、載荷点Ｃ−頂点Ｄ間を結ぶ上弦材２２の長さが支持点Ａ−頂点Ｄ間を結ぶ上弦材２３の長さよりもやや長くなり、支持点Ｂ−支持点Ａ間を結ぶ下弦材２６，２７に加わる圧縮力が、載荷点Ｃ−支持点Ｂ間を結ぶ下弦材２４，２５に加わる圧縮力よりも軽減される。
【００３３】
すなわち、三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４を支持点Ａ側に傾斜させることで、下弦材２４，２５，２６，２７に加わる軸力がバランスし、下弦材２４，２５，２６，２７の座屈が防止される。このように、本実施例における橋梁２０は、圧縮材（下弦材２４，２５，２６，２７）を最適な長さと数でバランス良く組み合わせたものとなる。
【００３４】
また、本実施例における橋梁２０では、圧縮力が作用する下弦材２４，２５，２６，２７は２組とし、複数の三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４を平行に配置して、上弦材２２，２３と連結することにより、下弦材２４，２５，２６，２７の座屈を上弦材２２，２３で防いでおり、引張材である上弦材２２，２３が少なくて済むため、接合部および部材を減らすことができ、経済的に優れたものとなる。特に、材料として木材を使用する場合、木材は引張の方が圧縮よりも強いため、引張材である上弦材２２，２３は圧縮材である下弦材２４，２５，２６，２７よりも少なくかつ断面を小さくできるので、構造体を軽量化することができる。
【００３５】
また、図５に示す橋梁２０では、三角トラス２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４の斜辺の弦材を帯板材としており、図３の平面トラスを面として考えることができるため、より下弦材２４，２５，２６，２７の座屈を防ぐことが可能となっている。
【００３６】
なお、本実施例では、Ｌ：Ｈは１：０．３としているが、０＜Ｈ1／Ｈ＜１，０＜Ｌ1／Ｌ＜１の範囲で任意に変更することが可能である。但し、圧縮力が掛かる弦材１１，１４，１５のバランスを考えた場合、Ｌ：Ｈは１：０．８８８程度までとするのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のトラス構造は、橋梁などの片持ち支持構造体のトラス構造として有用である。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ，Ｂ  支持点
Ｃ  載荷点
Ｄ  頂点
１ａ，１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，１ｃ−１，１ｃ−２，１ｃ−３  三角トラス
２ｂ，２ｃ  上弦材
３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃ  下弦材
１１，１２，１３，１４，１５  弦材
５ａ，５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，５ｃ−１，５ｃ−２，５ｃ−３  三角形の底辺の対頂点
２０  橋梁
２１ａ，２１ｂ−１，２１ｂ−２，２１ｂ−３，２１ｃ−１，２１ｃ−２，２１ｃ−３，２１ｃ−４  三角トラス
２２，２３  上弦材
２４，２５，２６，２７  下弦材
【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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