(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向部材と、同心円状に配置された円周方向部材とで構成される鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法において、
前記円周方向部材のうち最外周の円周方向部材は高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼種で構成し、その内側の複数の円周方向部材はそれぞれ、半径方向の内方に向かって強度を段階的に小さくした鋼種で構成し、且つ、半径方向の内方に向かって段階的に各円周方向部材の剛性を変化させて、前記各円周方向部材の長期許容応力度に対する軸応力度の比率のばらつきを小さくすることにより、屋根構造の荷重を各円周方向部材にバランス良く負担させる構造に構築することを特徴とする、鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法。
【請求項２】
半径方向部材と、同心円状に配置された円周方向部材とで構成される鉄骨造の大空間屋根構造において、
前記円周方向部材のうち最外周の円周方向部材は高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼種で構成され、その内側の複数の円周方向部材はそれぞれ、半径方向の内方に向かって強度を段階的に小さくした鋼種で構成され、且つ、半径方向の内方に向かって段階的に各円周方向部材の剛性を変化させて、前記各円周方向部材の長期許容応力度に対する軸応力度の比率のばらつきを小さくすることにより、屋根構造の荷重を各円周方向部材にバランス良く負担させた構造に構築されていることを特徴とする、鉄骨造の大空間屋根構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法及び鉄骨造の大空間屋根構造の技術分野に属し、更に云えば、屋根鉄骨総重量の軽量化を図ることができ、それに伴い下部躯体の構造部材の軽量化をも図ることができる鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法及び鉄骨造の大空間屋根構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨造の大空間屋根構造は一般的に、特開平６−２８８００８号公報、特開平８−１４４３７１号公報、特開平１１−１９８９号公報等にも開示されているように、半径方向部材と、同心円状に配置された円周方向部材とから構成されている。
【０００３】
ところで、屋根鉄骨総重量の軽量化を図るには、半径方向部材と円周方向部材にそれぞれ高強度の高張力鋼による部材を配設することにより各部材の断面積を低減させて実施することが有効とされている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際、半径方向部材に高張力鋼を配設した場合、通常ほとんどの半径方向部材は圧縮による座屈荷重が支配的となるため、ヤング率や座屈耐力が軟鋼と同等程度しかない高張力鋼を配設する意味はあまりない。一方、円周方向部材、特に最外周に配設される円周方向部材（テンションリング）は引張りのみの荷重が作用するため高張力鋼による部材を配設する利点がある。
そこで、前記テンションリングのみを通常の２倍の強度を有する高張力鋼による部材で実施すると、テンションリングの断面積は略１／２の大きさで略同様に実施できるので、屋根鉄骨総重量の軽量化を図れるように見える。
【０００５】
しかし、構造力学上、テンションリングの軸剛性が１／２となり、屋根構造における半径方向の剛性が急変することより隣り合う一つ内側の円周方向部材の引っ張り応力が増加することとなる。そのため、該円周方向部材は断面積を増加させる必要が生じ、実質上、屋根鉄骨総重量の軽量化を図れているとは云えない。
また、一般に、円周方向部材は、最外周付近に配設される円周方向部材のみに応力が作用しがちで、その内側部分の円周方向部材は有効に活用されていない場合が多く、不経済な設計となっていた。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、構造力学的にも支障なく屋根鉄骨総重量の軽量化を図ることができ、それに伴い下部躯体の構造部材の軽量化も図ることができ、その結果、大幅なコストダウンを達成することができる鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法及び鉄骨造の大空間屋根構造を提供することにある。
本発明の次の目的は、最外周付近のみならずその内側部分の円周方向部材にも荷重をバランス良く負担させることができる鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法及び鉄骨造の大空間屋根構造を提供することにある。
【０００７】
上記従来技術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鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法は、
半径方向部材と、同心円状に配置された円周方向部材とで構成される鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法において、
前記円周方向部材のうち最外周の円周方向部材は高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼種で構成し、その内側の複数の円周方向部材はそれぞれ、半径方向の内方に向かって強度を段階的に小さくした鋼種で構成し、且つ、半径方向の内方に向かって段階的に各円周方向部材の剛性を変化させて、前記各円周方向部材の長期許容応力度に対する軸応力度の比率のばらつきを小さくすることにより、屋根構造の荷重を各円周方向部材にバランス良く負担させる構造に構築することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載した発明に係る鉄骨造の大空間屋根構造は、
半径方向部材と、同心円状に配置された円周方向部材とで構成される鉄骨造の大空間屋根構造において、
前記円周方向部材のうち最外周の円周方向部材は高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼種で構成され、その内側の複数の円周方向部材はそれぞれ、半径方向の内方に向かって強度を段階的に小さくした鋼種で構成され、且つ、半径方向の内方に向かって段階的に各円周方向部材の剛性を変化させて、前記各円周方向部材の長期許容応力度に対する軸応力度の比率のばらつきを小さくすることにより、屋根構造の荷重を各円周方向部材にバランス良く負担させた構造に構築されていることを特徴とする。
【００１０】
図１Ａ、Ｂは、請求項１と請求項２に記載した鉄骨造の大空間屋根構造の構築構法及び鉄骨造の大空間屋根構造を概略的に示している。
請求項１に記載した、半径方向部材２と、同心円状に配置された円周方向部材３とで構成される鉄骨造の大空間屋根構造１の構築構法は、前記円周方向部材３のうち最外周の円周方向部材３ａは高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼種（テンションリング）で構成し、その内側の複数の円周方向部材３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ…はそれぞれ、半径方向の内方に向かって強度を段階的に小さくした鋼種で構成し、且つ、半径方向の内方に向かって段階的に各円周方向部材の剛性を変化させて、前記各円周方向部材の長期許容応力度に対する軸応力度の比率のばらつき（変化率）を小さくすることにより、屋根構造の荷重を各円周方向部材にバランス良く負担させる構造に構築することを特徴とする（以上、請求項１記載の発明）。
【００１１】
前記構築構法により構築された鉄骨造の大空間屋根構造１は、円周方向部材３のうち最外周の第１の円周方向部材３ａには高張力鋼などによるもっとも高強度の鋼材による部材（テンションリング）が配設され、その一つ内側の第２の円周方向部材３ｂには前記第１の円周方向部材３ａより強度が低い鋼材による部材が配設され、更にその内側の第３以降の円周方向部材３ｃ，３ｄ，３ｅ…には前記第２の円周方向部材３ｂより強度が低い鋼材による部材が配設されている。
【００１２】
更に、前記円周方向部材３をすべて同一強度の鋼種で構成して安定した鉄骨造の大空間屋根構造を設計したモデルと比して、それぞれ対応する円周方向部材３の断面低減率について、前記第１の円周方向部材３ａの断面低減率は略５０％とされ、第２の円周方向部材３ｂの断面低減率は前記第１の円周方向部材３ａの断面低減率と比して減少され、第３以降の円周方向部材３ｃ、３ｄ、３ｅ…の断面低減率は前記第２の円周方向部材３ｂの断面低減率と比して同一若しくは減少されている。
【００１３】
以下、具体的な実施例１〜３に基づき、前記構築構法により構築された鉄骨造の大空間屋根構造１の作用効果を検討する。ちなみに、実施例１は円周方向部材３をすべて同一強度の鋼種で構成して構築したモデルを示し、実施例２は実施例１と比して最外周の円周方向部材のみ２倍の強度を有する鋼種で構成して構築した場合を示し、実施例３は実施例２と比して最外周より内側部分の円周方向部材に、剛性を半径方向の内方に向かって小さくした鋼種で構成して構築した場合の一例を示している。
【００１４】
＜実施例１（原設計）＞
図２Ａ〜Ｃは、直径２００ｍ、高さ３２ｍで、すべての円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃ…が同一強度（鋼材種類：ＳＭ４９０（図５参照））で設計された鉄骨造の大空間屋根構造について示している。荷重は、構造部材で１０７．８ｋＮ／ｍ３、仕上げ材で７３５Ｎ／ｍ２とし、自重の合計は約６．４４×１０４ｋＮとした。この設計で、最外周の円周方向部材（テンションリング）３ａは、外径８００mm、肉厚４５mmで、その他の部材はすべて上下弦材にＨ鋼（３００mm×３００mm×１０mm×１５mm）を配した高さ２ｍのトラスとした。
図２Ａは前記屋根構造の半径方向の断面での各部材軸力をｔｏｎ表示で示し、円周方向部材３ａ、３ｂ、３ｃの軸応力度と、長期許容応力度（ｆｔ）に対する軸応力度の比率（以下適宜「比率」と略称する）を示した。前記軸応力度及び比率は、円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃについてそれぞれ約、１０１Ｎ／ｍｍ２及び０．４７，６２Ｎ／ｍｍ２及び０．２９，２０Ｎ／ｍｍ２及び０．０９である。図２Ｂは同様にモーメントを示した。図２Ｃは変形を示しており、鉛直方向に中心位置で１１．４ｃｍ自重により変形し、半径方向に最外周で４．９ｃｍ変形している。
【００１５】
＜実施例２＞
図３Ａ〜Ｃに示した実施例２は、上記実施例１と比して、最外周の円周方向部材（テンションリング）３ａに前記鋼種：ＳＭ４９０の２倍の強度を有する鋼種：ＨＴ７８０（図５参照）を適用したことのみ相違する。この鋼種：ＨＴ７８０を使用することより部材断面積を略半分の外径８００mm、肉厚２１．８mmとすることができ、よって円周方向部材３ａのみについては軽量化を図ることができる。
【００１６】
図３Ａに示したように、テンションリング３ａの部材の軸応力度（Ｎ／ｍｍ２）は前記実施例１と比して１７４／１０１＝１．７２倍程度で、比率は前記実施例１の０．４７よりも小さく約０．４０となる。しかし、隣り合う内側の円周方向部材３ｂ，３ｃの軸応力度はそれぞれ、１１１／６２＝１．７９倍程度、４５／２０＝２．２５倍となり、安定した屋根構造とするためには断面積の増加を強いられ、全体として屋根鉄骨総重量の軽量化を図れない。
【００１７】
これは、実施例１に対する剛性の急激な変化により最外周のテンションリング３ａに作用した応力が円周方向部材３ｂ，３ｃに流れてきたことによると考えられる。また、円周方向部材３ｂについては、比率が約０．５１となり、部材の安全性についてもやや欠ける。ちなみに、変形については、図３Ｃに示したように鉛直方向に中心位置で１７．２ｃｍ自重により変形し、半径方向に最外周で８．５ｃｍ変形し、構造力学的に許容範囲内であり問題ない。
【００１８】
＜実施例３＞
図４Ａ〜Ｃに示した実施例３は、請求項３に記載した鉄骨造の大空間屋根構造の一例を示しており、上記実施例２と比して、最外周の円周方向部材３ａより内側の円周方向部材３ｂ，３ｃ…に、図５に示した数種類の異なる強度を有する鋼材を使用していることのみ相違する。具体的には、第１の円周方向部材３ａにＨＴ７８０、第２の円周方向部材３ｂにＳＡ４４０、第３の円周方向部材３ｃにＳＭ５２０、第４以降の円周方向部材にＳＭ４９０と、最外周から半径方向の内方に向かって鋼材の種類を低強度のものに変化させるとともに、実施例１の円周方向部材と対応する円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…の断面低減率はそれぞれ、５０％、４７％、４７％、０％としている。ここに、安定した鉄骨造の大空間屋根構造とするべく、長期許容引張応力度（ｆｔ）に対する作用応力度の比率を０．５以下にすることを条件とする。
【００１９】
その結果、上記実施例１と比して、前記比率は、０．４７に対して約０．４２とほとんど変わらない。しかし、円周方向部材３ｂ、３ｃではそれぞれ０．２９に対して約０．４４、０．０９に対して約０．２６と大きくなるとともに、半径方向の内方に向かって変化率（ばらつき）が小さくなっており、部材の高強度化と内側部分の円周方向部材を有効に活用することができ、屋根鉄骨総重量を上記実施例１（原設計）に対し約１１％低減させることができた。また、円周方向部材の剛性を徐々に変化させることにより急激に応力が変化する円周方向部材もなく、最外周付近のみならずその内側部分の円周方向部材にも荷重をバランス良く負担させることができた。ちなみに、変形については、図４Ｃに示したように鉛直方向に中心位置で１８．６ｃｍ自重により変形し、半径方向に最外周で８．９ｃｍ変形し、構造力学的に許容範囲内であり問題ない。
【００２０】
以上の結果、大規模な構造や特殊な構造などテンションリングに大きな力が作用する場合には、さらに大きな低減効果を得ることができることも容易に予測される。
なお、上記実施例３では、第４以降の円周方向部材は全て同一強度の鋼材（ＳＭ４９０）を配設して鉄骨造の大空間屋根構造を構築しているがこれに限定されず、更に段階的に剛性を小さくした鋼材による部材を配設して実施しても良い（請求項２記載の発明）。また、断面低減率についても、第４以降の円周方向部材はすべてモデルと比して同一面積で実施しているがこれに限定されず、半径方向の内方に向かって段階的に減少させて実施しても良い。
【００２１】
請求項１および請求項２に記載した鉄骨造の大空間屋根構造の構築工法及び鉄骨造の大空間屋根構造は、上記実施例３に特に記載したとおり、構造力学的にも支障なく屋根鉄骨総重量の軽量化を図ることができ、それに伴い下部躯体の構造部材の軽量化を図ることができ、その結果、大幅なコストダウンを達成することができる。また、最外周付近のみならずその内側部分の円周方向部材にも荷重をバランス良く負担させることができるので、経済的な設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは、本発明に係る鉄骨造の大空間屋根構造を概略的に示した平面図であり、Ｂは、同正面図である。
【図２】Ａは、実施例１に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材の軸力をｔｏｎ表示で示し、且つ、図中に円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃの軸応力度と、長期許容応力度に対する軸応力度の比率を示している。Ｂは、実施例１に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材のモーメントを示している。Ｃは、実施例１に係る鉄骨造の大空間屋根構造の変形状態を示している。
【図３】Ａは、実施例２に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材の軸力をｔｏｎ表示で示し、且つ、図中に円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃの軸応力度と、長期許容応力度に対する軸応力度の比率を示している。Ｂは、実施例２に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材のモーメントを示している。Ｃは、実施例２に係る鉄骨造の大空間屋根構造の変形状態を示している。
【図４】Ａは、実施例３（本発明）に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材の軸力をｔｏｎ表示で示し、且つ、図中に円周方向部材３ａ，３ｂ，３ｃの軸応力度、長期許容応力度に対する軸応力度の比率を示している。Ｂは、実施例３に係る鉄骨造の大空間屋根構造を平面的に見た状態で、半径方向のある断面での各部材のモーメントを示している。Ｃは、実施例３に係る鉄骨造の大空間屋根構造の変形状態を示している。
【図５】各鋼材の種類と許容応力度を示している。
【符号の説明】
１    鉄骨造の大空間屋根構造
２    半径方向部材
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ  円周方向部材
【図１】
0004546600.tif 000002
【図２】
0004546600.tif 000003
【図３】
0004546600.tif 000004
【図４】
0004546600.tif 000005
【図５】
0004546600.tif 000006