(57)【要約】      （修正有） 【課題】屋根の補助的支持力として、外気圧よりも少し大きく設定した屋内気圧と外気圧との差である内圧を働かせ、屋根構造材が負担する屋根の鉛直荷重分担を軽減化した内圧補助型屋根構造を提供する。【解決手段】剛な構造材４で構成され気密性の保持が可能な屋内空間３を覆う屋根の室内面側に、屋内気圧を外気圧より大きく設定して屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑを屋根の補助的支持力として働かせている。【選択図】 図１
2005220581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛な構造材で構成され気密性の保持が可能な屋内空間を覆う屋根の室内面側に、屋内気圧を外気圧より大きく設定して屋内気圧と外気圧との差圧である内圧を前記屋根の補助的支持力として働かせていることを特徴とする、内圧補助型屋根構造。
【請求項２】
屋根構造材と内圧との鉛直荷重分担比率が、１−α：α（ただし、αは内圧が鉛直荷重を分担する割合であり、０＜α≦１）の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載した内圧補助型屋根構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、屋根の補助的支持力として、外気圧よりも少し大きく設定した屋内気圧と外気圧との差である内圧を働かせ、屋根構造材が負担する屋根の鉛直荷重分担を軽減化した内圧補助型屋根構造の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築物の屋根構造としては、一般的に構造材の強度及び剛性で屋根重量の全部を自立支持させる形式が通例である。この場合には屋根構造の単位面積当たりの自重量（鉛直荷重）の大きさを如何に軽減するかが、合理性、経済性の観点から最大の問題点となる。しかし、屋根単位面積当たりの重量に構造材が占める割合は、屋根の構造スパンが大きくなるほど加速度的に大きくなる。それは屋根の構造スパンが大きくなるほど、構造材自身の重量を支持するために、より多くの構造材を必要とするからである。要するに、大スパン屋根においては、構造材の重量を軽減化することは、屋根構造の合理性、経済性の観点から非常に重要な課題であるが、既往の最小重量設計法には自ずと限界があった。
一方、非常に軽量な屋根を実現した従来技術として、空気膜構造屋根が公知である（特許文献１〜４）。
【０００３】
【特許文献１】特公平２−４０８２７号公報
【特許文献２】特開２０００−３３６９７７号公報
【特許文献３】特開平１０−１５９３９２号公報
【特許文献４】特開平１０−１５９３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、空気膜構造屋根は、基本的に圧縮剛性や面外曲げ剛性がない（又は圧縮剛性や面外曲げ剛性が極端に小さい。）膜材等の面材を、ケーブル等の圧縮剛性や曲げ剛性がない（又は圧縮剛性や曲げ剛性が極端に小さい。）線材で適宜に補強し、内圧で膨らませて屋根を形成し支持する構成の張力安定型構造であり、その屋根形状や材料には常に制約がつきまとう。また、屋根の剛性が小さく、風や雪等の外力（短期荷重）により大きく変形するという問題点もある。更に空気膜構造屋根は、一般的にその設計や施工に高度な技術が要求され、一般的な普及を期待するには困難な課題を抱えている。
【０００５】
本発明の目的は、気密性保持が可能な屋内空間の上を覆う屋根構造である限り、屋根の形状や構造形式、材料などには特別な制約がなく、前記の屋内空間に加圧装置等を設置して、屋内の気圧（屋内気圧）を屋外の気圧（外気圧）よりも少し大きく設定して、屋内気圧と外気圧との差圧（内圧）で屋根を補助的に支持させ、前記内圧による補助的支持力の分だけ屋根構造材の鉛直荷重分担を軽減化させ、剛性の高い屋根を軽量に経済的に構築できる、内圧補助型屋根構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る内圧補助型屋根構造は、
剛な構造材４で構成され気密性の保持が可能な屋内空間３を覆う屋根の室内面側に、屋内気圧を外気圧より大きく設定して屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑを前記屋根の補助的支持力として働かせていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した内圧補助型屋根構造において、
屋根構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率が１−α：α（ただし、αは内圧が鉛直荷重を分担する割合であり、０＜α≦１）の範囲であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内圧補助型屋根構造は、外気圧よりも屋内気圧を少し大きく設定し、屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑにより屋根を補助的に支持させるので、屋根重量のうち構造材４が負担するべき鉛直荷重分担の割合が減る。その分、内圧Ｑを働かせない屋根に比して構造材４の重量を軽減化できる（具体的には断面形状の薄肉化、もしくは縮小化）。特に、屋根重量の多くの割合部分を構造材４自身の重量が占める場合には、前記構造材重量の軽減化によって屋根重量が減り、更なる構造材重量の軽減化が可能となるので、大幅な構造材重量の軽減化を達成できる。また、屋根重量のうち構造材４が負担するべき鉛直荷重分担の割合が減るので、内圧Ｑを働かせない屋根に比して、美観上に好適な細い構造材で屋根を支持することもできる。
外気圧よりも少し大きい屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑにより屋根重量を補助的に支持させるので、屋根構造材端部の支持構造体２が負担する総支持力も軽減化され、支持構造体２やその基礎構造６の軽減化、簡略化をも図れる。また、ドーム型屋根においては、屋根のせい（ライズ）を低く抑えることも可能である。  
【０００９】
空気膜構造屋根等の張力安定型屋根架構に比して、屋根形状の自由度が高く、工場などに多く実施される陸屋根や切り妻屋根、野球場などに多く実施されるお椀型のドーム屋根など、殆ど全ての屋根を対象として実施することが可能であり、設計や施工も比較的に簡単である。
また、屋根仕上げ材も、内圧Ｑの構造材４への伝達能力以外には、特別な性能を必要としないので、樹脂コーティング繊維膜や折り板、ガラス板等、一般に広く普及している材料の使用が可能である。
本発明の内圧補助型屋根構造は、外気圧よりも少し大きい屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑにより屋根支持力の補助を受けるとはいえ、屋根自体の構造としては圧縮及び曲げに抵抗する強度、剛性の大きい剛な構造材４が存在するので、風や雪その他の外力（短期荷重）に対する変形を小さく抑えることができる。
【００１０】
本発明の内圧補助型屋根構造は、新築建物の建築のみならず、既存建物の構造的補強手段としても実施することができる。即ち、内圧Ｑが存在しない既存建物に、屋内の気密性を確保した上で内圧Ｑを働かせることにより、屋根の構造材が負担するべき鉛直荷重分担の割合を減らし、構造材の安全率を増大させることができる。
【００１１】
本発明の内圧補助型屋根構造は、屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑが存在しない場合に、長期荷重よって発生する応力度が、短期許容応力度以下となるように構造材４を設計しておくと、万一内圧Ｑの加圧装置が故障して内圧Ｑを維持できなくなっても、風や地震、雪等の短期荷重が作用しないかぎり屋根は壊れないという、フェールセーフの条件を満たす設計手法の実施も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
剛な構造部材４で構成され気密性の保持が可能な屋内空間３を覆う屋根の室内面側に、外気圧より大きい屋内気圧と外気圧との差圧である内圧Ｑを屋根の補助的支持力として働かせ実施する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明に係る内圧補助型屋根構造の実施例を概念的に示している。これは床１又は直接基礎と、柱や壁から成る支持構造体２とで形成された、気密性の保持が可能な屋内空間３の上面を覆う屋根が、剛な構造材４と、その上に施工され受圧面材を兼ねる仕上げ材５とで構成されたものを示している。図示例の場合、構造材４は強度及び剛性が大きい鉄骨トラス構造体として構成され、受圧面材を兼ねる仕上げ材５には折り板を使用した実施例を示すが、勿論この実施例の限りではない。また、本発明の必須事項として、構造材４の下面又は上面部分に、内圧Ｑによる上向きの補助的な支持力を受け、且つ同支持力を構造材４へ効率よく伝達する受圧面材が施工される。図示した実施例では、仕上げ材５が同受圧面材の役割を兼ねた構成である。
【００１４】
本願発明において言う内圧Ｑとは、外気圧よりも少し大きく設定した屋内気圧と外気圧との差圧を意味する。内圧Ｑによる屋根支持力を受ける受圧面材については、本実施例では仕上げ材５が兼ねることを説明したが、内圧Ｑの気密性を確保できるものであるならば、その形状や構造種別、材料等の制約を受けるものではない。既往技術として広く知られた樹脂コーティング繊維膜や金属膜又は仕上げ材としての折り板やガラス板などを受圧面材として好適に使用することができる。また、当然、受圧面材と仕上材を別々に施工することも可能である。
図１中の符号６は支持構造体２を支持するフーチング等の基礎構造、７は屋内空間３へ屋外の気圧（外気圧）よりも内圧Ｑの分だけ大きい屋内気圧を設定るための送風機或いはコンプレッサ等の加圧装置である。
【実施例２】
【００１５】
図２に示した実施例は、気密性の保持が可能な屋内空間３の上面を覆う屋根が、剛な構造材４と、その上の受圧面材を兼ねる仕上げ材５とで構成されていることに変わりないけれども、その構造材４が木構造で、受圧面材を兼ねる仕上げ材５がガラスである場合を示す。このように、構造材４に鉄骨、受圧面材を兼ねる仕上げ材５に折り板を使用した実施例１に限らず、様々な材料を用いることができるのである。
【実施例３】
【００１６】
図３に示した実施例は、気密性の保持が可能な屋内空間３の上面を覆う屋根が、剛な構造材４と、その上の受圧面材を兼ねる仕上げ材５とで構成されていることに変わりないけれども、その受圧面材を兼ねる仕上げ材５が樹脂コーティング繊維膜で、かつ、空気膜構造屋根のように、内圧Ｑが屋根単位面積あたりの屋根重量よりも大きい場合を示す。空気膜構造屋根は、圧縮や曲げに抵抗しない膜材やケーブル等によってのみ構成されており、雪や風等の外力（短期荷重）による屋根の変形は大きいが、本発明では、圧縮や曲げにも抵抗する剛な構造材４が配置されているので、雪や風等の外力による屋根の変形は小さいのである。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本願発明に係る内圧補助型屋根構造の臨界条件は、剛な屋根構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率として説明できる。勿論、ここでいう内圧Ｑとは、外気圧よりも屋内気圧が少し大きく設定された屋内気圧と外気圧との差圧を意味することは上述した通りである。
臨界条件としては先ず、屋根構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率が１：０である場合、即ち内圧Ｑが作用していない既往の屋根構造の場合であって、構造材４が全ての鉛直屋根荷重を支持する構造形式の場合を除くことになる。
逆に、屋根構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率が、０：１である場合、即ち屋根自重量を支持するのは内圧Ｑのみであって、かつ、剛な屋根構造材４がない、既往の空気膜構造屋根形式の場合も除外することになる。
結局、本願発明の産業上の利用可能性は、屋根が剛な屋根構造材４で構成されており、屋根構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率が、１−α：α（ただし、αは内圧が鉛直荷重を分担する割合であり、０＜α≦１）の範囲に限定して認められる。
【００１８】
具体的に言えば、屋根構造に僅かでも内圧Ｑを作用させると、構造材４が全ての鉛直荷重を支持する条件ではなくなる。また、張力安定型架構である空気膜構造屋根に僅かでも剛な構造材４があると、内圧Ｑがもたらす張力があって初めて安定した架構となる張力安定型架構の条件では無くなる。前記の臨海条件は、本願発明によって初めて実現できたものである。
【００１９】
ここで例題として、構造材４を鉄骨とし、構造材４のみが屋根重量を支持する、即ち内圧Ｑがない屋根構造の設計に、内圧Ｑを作用させ、もともと構造材４が有する安全率を低下させることなく、その構造材重量を軽減化する設計について、検討を進める。
構造材４の屋根単位面積当たりの重量をＷ１＝１００ｋｇｆ／ｍ２、受圧面材を兼ねる仕上げ材５の屋根単位面積当たりの重量をＰ＝３０ｋｇｆ／ｍ２とする。内圧Ｑを作用させない屋根構造の場合には、構造材４が全ての屋根重量Ｗ１＋Ｐ＝１３０ｋｇｆ／ｍ２を単純に支持している。言い換えれば、重量が１００ｋｇｆ／ｍ２の構造材４のみで、１３０ｋｇｆ／ｍ２の重量の屋根を支持していることになる。
【００２０】
次に、屋内気圧が外気圧よりも約０．２％大きい場合、即ち外気圧の約０．２％の内圧Ｑ（Ｑ＝２０ｋｇｆ／ｍ２）を作用させた場合を考える。内圧Ｑが２０ｋｇｆ／ｍ２だけ、屋根重量を分担支持するので、屋根重量のうち、構造材４が分担支持するべき重量は、Ｗ１＋Ｐ−Ｑ＝１００＋３０−２０＝１１０ｋｇｆ／ｍ２となる。構造材４は１００ｋｇｆ／ｍ２の量で１３０ｋｇｆ／ｍ２の重量を支持することができるのだから、１１０ｋｇｆ／ｍ２の重量を支持するには、１００×１１０／１３０＝８４．６ｋｇｆ／ｍ２の量の薄肉化された構造材４で十分であることがわかる。
【００２１】
上記したように、断面の薄肉化によって軽量化された構造材４の重量をＷ２＝８４．６ｋｇｆ／ｍ２とすると、もともとＷ１＋Ｐ＝１３０ｋｇｆ／ｍ２あった屋根重量は、Ｗ２＋Ｐ＝１１４．６ｋｇｆ／ｍ２に低減されることになる。この数値から、内圧Ｑが分担支持する２００ｋｇｆ／ｍ２を除けば、軽量化された構造材４が分担支持するべき重量は、Ｗ２＋Ｐ−Ｑ＝９４．６ｋｇｆ／ｍ２となる。構造材４はＷ２＝８４．６ｋｇｆ／ｍ２だけあれば１１０ｋｇｆ／ｍ２の重量を支持できるから、９４．６ｋｇｆ／ｍ２の屋根重量を支持するには、さらなる薄肉化により軽量化されたＷ３＝８４．６×９４．６／１１０＝７２．８ｋｇｆ／ｍ２の量の構造材４で十分であることがわかる。
【００２２】
さらに、構造材４の重量をＷ３＝７２．８ｋｇｆ／ｍ２に低減すると、構造材４が分担支持するべき屋根重量はＷ３＋Ｐ−Ｑ＝８２．８ｋｇｆ／ｍ２となり、先の９４．６ｋｇｆ／ｍ２に比してさらに少なくなっているので、構造材４はさらに軽量化することが可能である。このような手順を繰り返すと、構造材４は、Ｗｎ＝（１−Ｑ／Ｐ）×Ｗ１＝３３ｋｇｆ／ｍ２をおおよその限度として軽量化することができる。このとき屋根重量はＷｎ＋Ｐ＝６３ｋｇｆ／ｍ２である。このうち軽量化された構造材４が分担支持する重量は（Ｗ１＋Ｐ）×Ｗｎ／Ｗ１＝１３０×３３／１００ｋｇｆ／ｍ２＝４３ｋｇｆ／ｍ２であり、内圧Ｑが分担支持する屋根重量は２０ｋｇｆ／ｍ２となる。かくして構造材４の重量は、内圧Ｑを作用させることで、内圧Ｑを作用させない場合の１００ｋｇｆ／ｍ２から３３ｋｇｆ／ｍ２まで劇的に軽量化され、構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率は、４３：２０≒０．６８：０．３２（α＝０．３２に相当）となる。
【００２３】
上記の通り、屋内気圧が外気圧よりも０．２％とほんの僅かに大きいだけで、その差圧（内圧Ｑ）による補助的な支持力の働きで、構造材４の鉛直荷重分担比率は大幅に軽減化され、構造材重量の大幅な軽量化を達成できるのである。
【００２４】
次に、コスト効果についても検討を進める。
構造材４、即ち鉄骨の材料費はＳ円／トンであり、加圧装置７のイニシャルコストはＦ円／ｍ２であると仮定する。
上記段落番号［００１９］〜［００２２］において計算したように、構造材４の重量Ｗ１ ＝１００ｋｇｆ／ｍ２であったものが、Ｗｎ＝３３ｋｇｆ／ｍ２にまで軽減化できた場合、鉄骨材料費は、Ｓ円×（１００−３３）／１０００＝０．０６７×Ｓ円／ｍ２だけ削減できる。
そこで、加圧装置７のイニシャルコストを差し引くと、０．０６７×Ｓ円／ｍ２−Ｆ円／ｍ２のコストダウンになることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る内圧補助型屋根構造の実施例１を示した断面図である。
【図２】本発明に係る内圧補助型屋根構造の実施例２を示した断面図である。
【図３】本発明に係る内圧補助型屋根構造の実施例３を示した断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
４      構造材
３      屋内空間
Ｑ      内圧
７      加圧装置
【図１】
2005220581.tif 000003
【図２】
2005220581.tif 000004
【図３】
2005220581.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年2月12日(2004.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本願発明において言う内圧Ｑとは、外気圧よりも少し大きく設定した屋内気圧と外気圧との差圧を意味する。内圧Ｑによる屋根支持力を受ける受圧面材については、本実施例では仕上げ材５が兼ねることを説明したが、内圧Ｑの気密性を確保できるものであるならば、その形状や構造種別、材料等の制約を受けるものではない。既往技術として広く知られた樹脂コーティング繊維膜や金属膜又は仕上げ材としての折り板やガラス板などを受圧面材として好適に使用することができる。また、当然、受圧面材と仕上材を別々に施工することも可能である。
図１中の符号６は支持構造体２を支持するフーチング等の基礎構造、７は屋内空間３へ屋外の気圧（外気圧）よりも内圧Ｑの分だけ大きい屋内気圧を設定するための送風機或いはコンプレッサ等の加圧装置である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
具体的に言えば、屋根構造に僅かでも内圧Ｑを作用させると、構造材４が全ての鉛直荷重を支持する条件ではなくなる。また、張力安定型架構である空気膜構造屋根に僅かでも剛な構造材４があると、内圧Ｑがもたらす張力があって初めて安定した架構となる張力安定型架構の条件では無くなる。前記の臨界条件は、本願発明によって初めて実現できたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
ここで例題として、構造材４を鉄骨とし、構造材４のみが屋根重量を支持する、即ち内圧Ｑがない屋根構造の設計に、内圧Ｑを作用させ、もともと構造材４が有する安全率を低下させることなく、その構造材重量を軽減化する設計について、検討を進める。
構造材４の屋根単位面積当たりの重量をＷ１＝１０００Ｐａ、受圧面材を兼ねる仕上げ材５の屋根単位面積当たりの重量をＰ＝３００Ｐａとする。内圧Ｑを作用させない屋根構造の場合には、構造材４が全ての屋根重量Ｗ１＋Ｐ＝１３００Ｐａを単純に支持している。言い換えれば、重量が１０００Ｐａの構造材４のみで、１３００Ｐａの重量の屋根を支持していることになる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
次に、屋内気圧が外気圧よりも約０．２％大きい場合、即ち外気圧の約０．２％の内圧Ｑ（Ｑ＝２００Ｐａ）を作用させた場合を考える。内圧Ｑが２００Ｐａだけ、屋根重量を分担支持するので、屋根重量のうち、構造材４が分担支持するべき重量は、Ｗ１＋Ｐ−Ｑ＝１０００＋３００−２００＝１１００Ｐａとなる。構造材４は１０００Ｐａの量で１３００Ｐａの重量を支持することができるのだから、１１００Ｐａの重量を支持するには、１０００×１１００／１３００＝８４６Ｐａの量の薄肉化された構造材４で十分であることがわかる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
上記したように、断面の薄肉化によって軽量化された構造材４の重量をＷ２＝８４６Ｐａとすると、もともとＷ１＋Ｐ＝１３００Ｐａあった屋根重量は、Ｗ２＋Ｐ＝１１４６Ｐａに低減されることになる。この数値から、内圧Ｑが分担支持する２００Ｐａを除けば、軽量化された構造材４が分担支持するべき重量は、Ｗ２＋Ｐ−Ｑ＝９４６Ｐａとなる。構造材４はＷ２＝８４６Ｐａだけあれば１１００Ｐａの重量を支持できるから、９４６Ｐａの屋根重量を支持するには、さらなる薄肉化により軽量化されたＷ３＝８４６×９４６／１１００＝７２８Ｐａの量の構造材４で十分であることがわかる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
さらに、構造材４の重量をＷ３＝７２８Ｐａに低減すると、構造材４が分担支持するべき屋根重量はＷ３＋Ｐ−Ｑ＝８２８Ｐａとなり、先の９４６Ｐａに比してさらに少なくなっているので、構造材４はさらに軽量化することが可能である。このような手順を繰り返すと、構造材４は、Ｗｎ＝（１−Ｑ／Ｐ）×Ｗ１＝３３０Ｐａをおおよその限度として軽量化することができる。このとき屋根重量はＷｎ＋Ｐ＝６３０Ｐａである。このうち軽量化された構造材４が分担支持する重量は（Ｗ１＋Ｐ）×Ｗｎ／Ｗ１＝１３００×３３０／１０００Ｐａ＝４３０Ｐａであり、内圧Ｑが分担支持する屋根重量は２００Ｐａとなる。かくして構造材４の重量は、内圧Ｑを作用させることで、内圧Ｑを作用させない場合の１０００Ｐａから３３０Ｐａまで劇的に軽量化され、構造材４と内圧Ｑとの鉛直荷重分担比率は、４３０：２００≒０．６８：０．３２（α＝０．３２に相当）となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
次に、コスト効果についても検討を進める。
構造材４、即ち鉄骨の材料費はＳ円／トンであり、加圧装置７のイニシャルコストはＦ円／ｍ２であると仮定する。
上記段落番号［００１９］〜［００２２］において計算したように、構造材４の重量Ｗ１ ＝１０００Ｐａであったものが、Ｗｎ＝３３０Ｐａにまで軽減化できた場合、鉄骨材料費は、Ｓ円×（１０００−３３０）／１００００＝０．０６７×Ｓ円／ｍ２だけ削減できる。
そこで、加圧装置７のイニシャルコストを差し引くと、０．０６７×Ｓ円／ｍ２−Ｆ円／ｍ２のコストダウンになることがわかる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005220581.tif 000006
【図２】
2005220581.tif 000007
【図３】
2005220581.tif 000008