(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並設した２本のアーチ材の上部に添わせて曲げ剛性を有する補剛材を配設し、それらアーチ材と補剛材とを束材により連結してなるアーチ構造体であって、
前記補剛材は１本の上弦材と２本の下弦材とそれらを連結するラチス材からなる横断面形状三角形のトラスであり、該トラスの各下弦材を前記２本のアーチ材の上方位置にそれぞれ配設して、該トラスにおける一方の下弦材とその下方に位置する一方のアーチ材とを前記束材により連結するとともに、該一方の下弦材とそれとは逆側に位置している他方のアーチ材とをも前記束材により連結することにより、前記トラスにおける２本の下弦材と前記２本のアーチ材とをそれぞれ前記束材を介して連結してなることを特徴とするアーチ構造体。
【請求項２】
請求項１記載のアーチ構造体を主体として構成される屋根であって、前記アーチ構造体を互いに平行にまたは放射状にもしくは格子状に組み合わせて複数架設してなることを特徴とする屋根。
【請求項３】
請求項２記載の屋根であって、略円形ないし略楕円形の環状をなす高剛性のリングトラスの内側に前記アーチ構造体を互いに平行に複数架設することにより全体としてドーム状をなすことを特徴とする屋根。
【請求項４】
請求項３記載の屋根であって、前記リングトラスの外側に平行弦トラスからなる外周屋根部を設け、該外周屋根部の最外周部に環状のリングビームを設けてなることを特徴とする屋根。
【請求項５】
請求項２，３または４記載の屋根であって、互いに隣接して架設されているアーチ構造体の間にそれらアーチ構造体の補剛材どうしを連結する連結材を架設し、該連結材により屋根材を支持して設けてなることを特徴とする屋根。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばスタジアム等の大規模施設における屋根に適用して好適なアーチ構造体、およびそれにより構成される屋根に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような大規模施設に適用される屋根の構造としては、アーチ構造、シェル構造、立体トラス構造、吊り構造、空気膜構造等、種々のものが提案され、実用化されている。なかでも、曲線状の架構であるアーチ構造は特にドームの形態の屋根を構成するものとして好適であるとされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アーチ構造は、周知のように荷重が主として軸圧縮力により支持点に伝達されるものであり、本来的に軽快で合理的、経済的な架構ではあるが、その反面、曲げ剛性が比較的小さいために全体座屈が生じ易い、対称荷重には優れた安定性を有するものの地震や風、積雪等による非対称荷重に対しては応力や変形が過大になり易い、支持点部分の変形に敏感である、といった性質があり、これを設計するうえでは検討、配慮するべき課題も多い。
【０００４】
本発明は、アーチ構造が本来的に有する利点を生かしつつ上記の課題を解決し得るより合理的なアーチ構造を実現し、併せてそれを用いた有効な屋根の構造を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のアーチ構造体は、並設した２本のアーチ材の上部に添わせて曲げ剛性を有する補剛材を配設し、それらアーチ材と補剛材とを束材により連結してなるアーチ構造体であって、前記補剛材は１本の上弦材と２本の下弦材とそれらを連結するラチス材からなる横断面形状三角形のトラスであり、該トラスの各下弦材を前記２本のアーチ材の上方位置にそれぞれ配設して、該トラスにおける一方の下弦材とその下方に位置する一方のアーチ材とを前記束材により連結するとともに、該一方の下弦材とそれとは逆側に位置している他方のアーチ材とをも前記束材により連結することにより、前記トラスにおける２本の下弦材と前記２本のアーチ材とをそれぞれ前記束材を介して連結してなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の屋根は、上記のアーチ構造体を主体とするもので、そのアーチ構造体を互いに平行にまたは放射状にもしくは格子状に組み合わせて複数架設してなるものである。本発明の屋根の形態は任意であるが、略円形ないし略楕円形の環状をなす高剛性のリングトラスの内側に前記アーチ構造体を互いに平行に複数架設して全体としてドーム状をなす形態のものが好適である。その場合、前記リングトラスの外側に平行弦トラスからなる外周屋根部を設け、該外周屋根部の最外周部に環状のリングビームを設けることがさらに好適である。また、本発明の屋根においては、互いに隣接して架設されているアーチ構造体の間にそれらアーチ構造体の補剛材どうしを連結する連結材を架設し、該連結材により屋根材を支持して設けることが有利である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。まず、図１（ａ）〜（ｃ）を参照して本発明のアーチ構造体の一実施形態を説明する。本実施形態のアーチ構造体１は、このアーチ構造体１の主体をなす２本のアーチ材２と、それらアーチ材２を補剛するための補剛材としてのトラス３と、それらアーチ材２とトラス３とを連結する束材４とにより、全体として横断面形状が三角形をなすものとされている。
【０００８】
アーチ材２は、所望の軸耐力を有する円形鋼管により形成され、（ａ）に示すように立面視においてアーチ状に湾曲しているとともに、（ｂ）に示すように平面視においても緩く湾曲したものとされ、２本のアーチ材２が対称をなすように配置されてそれらの相互間隔が中央部において狭く両端部において広くなるようにされている。
【０００９】
トラス３は、（ｃ）に示すように、いずれも円形鋼管により形成された１本の上弦材３ａ、２本の下弦材３ｂ、それらをつなぐラチス材３ｃおよび連結材３ｄとにより構成される横断面形状三角形のものとされ、所望の曲げ剛性を有するものとされている。その補剛材としてのトラス３は（ａ）に示すように立面視においてアーチ材２と同等の曲率を有しており、（ｃ）に示すように２本のアーチ材２に添わされてそれらの間の上方位置に配設され、上記の束材４によりアーチ材２に対して連結されている。
【００１０】
束材４は、（ａ）、（ｂ）に示すようにこのアーチ構造体１の両端およびその中間部において長手方向にほぼ等間隔で複数箇所に設けられ、（ｃ）に示すようにトラス３における一方の下弦材３ｂとその下方に位置する一方のアーチ材２とを連結しているとともに、一方の下弦材３ｂとそれとは逆側の位置している他方のアーチ材２とをも連結している。これら束材４も円形鋼管により形成され、これら束材４とトラス３およびアーチ材２との節点は構造的には曲げモーメントを伝達しないピン接合とされている。
【００１１】
上記構成のアーチ構造体１は、その主体としてのアーチ材２が通常のアーチの場合と同様に主として軸力を負担するとともに、補剛材としてのトラス３が主として曲げモーメントを負担して曲げに対する耐力を発揮するものである。つまり、このアーチ構造体１にあっては、通常のアーチにおいては問題とされる曲げ剛性がトラス３によって付加され、アーチ構造体１の全体に作用する軸力および曲げモーメントはそれぞれアーチ材２とトラス３とが分担して負担するものであり、その結果、通常のアーチと同様に優れた軸耐力を有するのみならず、曲げ耐力も格段に向上したものとなる。
【００１２】
したがって、このアーチ構造体１は、荷重を主として軸力により支持点に伝達する軽快なアーチ構造と、曲げ剛性を確保しやすいトラス構造の双方の構造的利点を併せ持つものとなり、通常の単純なアーチ構造に比較して全体座屈が生じ難いものとなり、かつ、非対称荷重に対する応力や変形が減少し、支持点部分の変形の影響を受け難いものであり、また、通常のトラス構造に比較すれば部材の断面を格段に節約し得るものであり、きわめて合理的かつ経済的な大スパン架構を実現し得るものである。
【００１３】
以上で本発明のアーチ構造体１の一例を説明したが、次にそのアーチ構造体１を主体として用いて構成される屋根の一例について図２〜図６を参照して説明する。
【００１４】
本実施形態の屋根１０は、平面形状が卵形のような略楕円形とされた大規模なスタジアムの全体を覆うドーム状のものであり、高剛性を有する環状のリングトラス１１の内側に上記のアーチ構造体１がほぼ平行に複数架設されることにより中央屋根部１０ａが設けられているとともに、リングトラス１１の外側には平行弦トラスからなる外周屋根部１０ｂが設けられ、その最外周部には図４、図５に示すように環状のリングビーム１２が設けられた構成とされている。
【００１５】
また、図６にその詳細を示すように、中央屋根部１０ａにおいては隣り合うアーチ構造体１どうしの間に連結材１３が架設され、それら連結材１３により各アーチ構造体１が横方向に連結されている。連結材１３としてはたとえばＨ形鋼が用いられ、その連結材１３はトラス３の下弦材３ｂに対して連結され、その上部に屋根材１４が取り付けられて屋根面が形成され、各アーチ構造体１の上部は屋根面よりも上方に突出するものとなっている。なお、本例においては屋根面の上部に突出しているアーチ構造体１の上部にガラス１５が取り付けられて自然光を採光するためのトップライトとされている。
【００１６】
上記構成の屋根１０は、アーチ構造体１を用いて形成された中央屋根部１０ａがその周囲を高剛性のリングトラス１１により固められ、さらにその周囲に構造的に安定かつ信頼性の高い平行弦トラスにより構成された外周屋根部１０ｂが設けられ、しかもその最外周部にはリングビーム１２が設けられているので、全体として自己釣合型のきわめて安定性の高い屋根架構となっており、上記のアーチ構造体１を用いる大空間架構の屋根として好適である。また、上記の屋根１０では、アーチ構造体１どうしを連結する連結材１３を補剛材としてのトラス３の下弦材３ｂに対して連結し、その連結材１３に対して屋根材１４を取り付けるようにしたので、屋根荷重は連結材１３を介してまずトラス３にかかり、したがってトラス３には曲げモーメントが生じるものの、トラス３とアーチ材２の双方に対してピン接合されている束材４を介してはアーチ材２に対しては曲げモーメントが伝達されることはない。さらに、この屋根１０は安定な自己釣合型のものであることから、図２および図３に示すようにこの屋根１０の全体を下部構造体１６に対して積層ゴム１７等の免震支承を介して支持することが可能であり、それにより屋根１０全体に入力される地震力が十分に低減されるものとなっている。
【００１７】
以上で本発明のアーチ構造体１およびそれを用いた屋根１０の実施形態について説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、以下に列挙するような種々の変形、応用が可能である。
【００１８】
上記実施形態のアーチ構造体１では、アーチ材２、トラス３の構成部材である上弦材３ａ、下弦材３ｂ、ラチス材３ｃ、連結材３ｄ、および束材４の全てを、いずれも所望寸法の円形鋼管により形成したが、それらの部材としては角形鋼管やＨ形鋼その他任意の断面形状の鋼材、あるいは他の構造材も当然に使用できるし、任意の断面形状のものを適宜組み合わせて使用することでも勿論良い。また、上記実施形態のようにアーチ構造体１どうしを連結するための連結材１３をアーチ構造体１を貫通させた状態として２本の下弦材３ｂに対して連結した場合には、トラス３の２本の下弦材３ｂどうしを連結する連結材３ｄは省略しても良い。
【００１９】
上記実施形態のアーチ構造体１では、主体たるアーチ材２と補剛材たるトラス３の曲率をほぼ同等として、立面視においてはそれらの相互間隔が全長にわたって一定であるようにしたが、それに限らずたとえば図７（ａ）に示すようにトラス３を直線状としたり、同図（ｂ）のようにトラス３の曲率をアーチ材２の曲率よりも小さくし、それらの相互間隔が中央部において小さく両端部において大きくなるようにしても良い。
【００２２】
さらに、本発明の屋根１０の形態も、上記実施形態のような平面視略楕円形のドーム状のものとすることに限らず、採用するアーチ構造体１の形態に対応して適宜の設計的な変更を行い得ることはもとより、上記実施形態において採用したリングトラス１１、平行弦トラスからなる外周屋根部１０ｂ、リングビーム１２も必ず設けなければならないものでもない。
【００２３】
図８は本発明の屋根１０の形態として考えられるものを模式的に示すもので、（ａ）はアーチ構造体１を平行に配置して平面視矩形の円筒シェルの如き形態としたもの、（ｂ）はアーチ構造体１を中央部では平行にかつ端部では放射状に配置することでレーストラック形としたもの、（ｃ）はアーチ構造体１を放射状に配して円形ドーム状としたもの、（ｄ）は同じく楕円形ドーム状としたもの、（ｅ）はアーチ構造体１を平行に配して円形ドーム状としたもの、（ｆ）は同じく楕円形ドーム状としたもの、（ｇ）は２方向のアーチ構造体１を格子状に組み合わせて円形ドーム状としたもの、（ｈ）は同じく楕円形ドーム状としたものであり、これらはいずれも安定な自己釣合型の大空間屋根を構成することが可能なものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明のアーチ構造体は、主体であるアーチ材にトラスからなる補剛材を束材を介して連結し、特に補剛材を横断面形状三角形のトラスとしてそのトラスの各下弦材と２本のアーチ材とをそれぞれ束材により連結した構成としたので、補剛材により曲げ剛性が付加されたものとなり、したがってこのアーチ構造体の全体に作用する軸力および曲げモーメントはそれぞれアーチ材と補剛材とが分担して負担して優れた軸耐力を有するのみならず曲げ耐力も格段に向上したものとなり、その結果、合理的かつ経済的な架構を実現し得るものである。
また、本発明の屋根は、上記のアーチ構造体を主体としてそれを複数組み合わせて架設して構成されるものであるので、全体として自己釣合型のきわめて安定性の高い屋根架構を実現でき、スタジアム等の大空間架構の屋根として適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のアーチ構造体の一実施形態を示す図である。
【図２】 本発明の屋根の一実施形態を示す端軸方向の立断面図である。
【図３】 同、長軸方向の立断面図である。
【図４】 同、屋根上部を示す平面図である。
【図５】 同、屋根下部を示す平面図である。
【図６】 同、屋根の要部拡大図である。
【図７】 本発明のアーチ構造体の他の例を示す図である。
【図８】 本発明の屋根の他の例を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１  アーチ構造体
２  アーチ材
３  トラス（補剛材）
３ａ  上弦材
３ｂ  下弦材
３ｃ  ラチス材
４  束材
１０  屋根
１０ａ  中央屋根部
１０ｂ  外周屋根部
１１  リングトラス
１２  リングビーム
１３  連結材
１４  屋根材
３０  トラス（補剛材）
３１  組立梁（補剛材）
３２  梁（補剛材）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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