栃木県総合運動公園陸上競技場
2 種類の膜材を組合わせた栃木新スタジアムの膜屋根
丁 乙碩 ＊1
栃木県総合運動公園陸上競技場（以下、栃木新スタジアム）は、2022 年に開催された第 77 回国民体育大会「いちご一会とちぎ大会」及び第 22 回全国障害者スポーツ大会「いちご一会とちぎ大会」の総合開・閉会式や陸上競技場として使用するために建設された約 25,000 人収容のスタジアムであり、又 J リーグのサッカー競技場としても利用される陸上競技場兼サッカー競技場である。本稿では、栃木新スタジアムの膜屋根の設計・施工内容について以下に紹介する。

∎ 建築概要∎ 膜屋根の概要

・名称：栃木県総合運動公園陸上競技場
・所在地：栃木県宇都宮市西川田 4-1-1
・主要用途：陸上競技場及びサッカー競技場
・建築主：栃木県
・敷地面積：545,803.74 ㎡
・建築面積： 19,910.82 ㎡
・延床面積： 42,037.52 ㎡
・階数：地上 4 階
・構造：鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造（スタンド部）、鉄骨造（屋根部）・設計・監理：久米・AIS・本澤特定建築設計業務共同企業体
・施工：鹿島・増渕・渡辺・那須土木・磯部・浜屋特定建設工事共同企業体

栃木新スタジアムの完成様子を図 1 に示す。屋根は、客席全面を覆う計画とし、軽量で開放的な明るい空間を実現するため PTFE 膜材(A 種膜材料)を用いた膜屋根を採用している。
膜屋根の概要図を図2 に示す。
膜屋根の規模は195m(短辺、東西軸(Y 軸通り))×236m(長辺、南北軸(X 軸通り))の大きさで、約 16,000 ㎡の面積である。構造形式は鉄骨の主構造の上に最大 10m×39m サイズ(１ユニット当たり)の膜パネルを全部で 66 枚取付けた骨組膜構造としている。
膜屋根の形状は、全体的には中央部の Y 軸を基準に南・北対称の楕円形で、緩やかな勾配の曲面を持つ形状としている。
さらに、膜屋根においては、設計意図である 6 枚の「栃の葉」を重ねたイメージを実現するために、厚みが異なる PTFE 膜材(FGT-600(0.6 ㎜)と FGT-800(0.8 ㎜)、中興化成製)を利用

図 1 栃木県総合運動公園陸上競技場(出典：下野新聞社)＊1

協立工業株式会社 リサーチエンジニア・博士（工学）

1立面図

点検口

し、透光性の違いによりその重なりを表現し、さらに膜材同士の接合部は金物を使用しておらず、図 3 のようにシンプルでかつ、滑らかな膜面を実現している。
軒樋

点検口

竪樋

屋根膜材

点検口

竪樋
軒樋

立面図

屋根膜材

屋根伏図
屋根膜材

点検口

屋根膜材

立面図

竪樋
軒樋

屋根膜材

屋根伏図
屋根膜材

図 3 膜材の透光性を用いた演出
立面図∎ 膜屋根の設計検討

エッジロープ

避雷設備用導線
避雷設備用指示金物

アルミファスナー

屋根膜材

フラップ膜
屋根膜材

膜屋根の検討モデルを図 4 に示す。南北対称形状のため検討モデルは全体の 1/2 を対象とした。

ベース金物

アルミクランプ

クランプベース

エッジロープ

CT-150×75×7×10
避雷設備用導線
避雷設備用指示金物

エッジロープ

アルミファスナー
屋根膜材(a) 屋根伏図・立面図

フラップ膜
屋根膜材

ベース金物

アルミクランプ
エッジロープ屋根膜材

01234195ｍ127ｍ

PG-355.6x9.5
クランプベース
FGT-600
1041156701236512(0.6mm)
R.PL-6 @500
11127ｍ813161363

避雷設備用導線
内樋
CT-150×75×7×10
避雷設備用取付金物

6261606463626160

18151956

点検口

555459
58

5355

51

54

50

BH-550x300x12x25
53

4952

48

51

4548

21182319444722434246

242026221011272829303132333438
4437363545391327282930313233

FGT-800(0.8mm)
FGT-800(0.8mm)

3436353738

内樋

屋根伏図

屋根膜材

屋根膜材

屋根伏図
PG-355.6x9
PG-355.6x9
立面図 屋根膜材
塞ぎ膜

立面図

PG-139.8x6
サッシ

避雷設備用導線
避雷設備用指示金物
クランプベース
CT-150×75×7×10
クランプベース
BH-550x300x12x25
CT-150×75×7×10

塞ぎ膜

BH-550x300x12x25

1065

646362

屋根膜
6160

点検口

5554

58535652

引き込み膜
55

5154

50

534952
4851

再張力時
FGT-600
アルミクランプ(0.6mm)
狭幅品に交換5047

引き込み膜

4649204548

21

点検口

22

再張力時
2319

43

FGT-600引き込み膜
屋根膜
424624204447

再張力

41452540(0.6mm)
図点検口
4アルミクランプ検討モデル(全体モデルの1/2)
狭幅品に交換2621222728293031323334363538443739432342

屋根膜

412526

再張力

4027282930313233353436373839

FGT-800
設計荷重は、①固定荷重(0.02kN/㎡)、②積雪荷重：0.68kN/(0.8mm)
FGT-800㎡、③風荷重時(-3.173kN/㎡、500年再現期間の値を基に 50(0.8mm)
年再現期間の値を算出)、④膜変形検討用荷重(積雪荷重
アルミクランプ(0.68kN/㎡)、風荷重/2(-1.587 kN/㎡))と設定した。
アルミクランプ

屋根膜材

屋根膜材

表 1 材料物性値と許容応力度
許容応力度(kN/m)

引張剛性

基準強度(kN/ｍ)(N/cm)

長期

短期

タテ糸

1370.9

1227

15.34

30.68

ヨコ糸

800.5

980

12.25

24.50

引張剛性

基準強度(kN/ｍ)(N/cm)

長期

短期

材料名

糸方向

FGT-600(0.6mm)

アルミファスナー

エッジロープ
ベース金物
アルミファスナー

屋根膜材

5659

点検口

19

エッジロープ

屋根膜材
フラップ膜
アルミクランプ
屋根膜材
エッジロープ
アルミクランプ

引き込み膜

5957

1818

クランプベース
PG-139.8x6 クランプベース
R.PL-6 @500
R.PL-6 @500
サッシ PG-216.3
PG-216.3▇ FGT-600

フラップ膜

エッジロープ23

FGT-600
アルミクランプ(0.6mm)
屋根膜

17(c) 断面詳細図(膜屋根外周部)

避雷設備用導線
避雷設備用指示金物

FGT-600
41216

避雷設備用導線内樋
避雷設備用取付金物
避雷設備用導線

605724396158

施工時(0.6mm)

15404026621714412563164224641512432365

アルミクランプ

1441252101234139(b) 断面詳細図(膜屋根先端部)
FGT-600
236ｍ BH-550x300x12x25(0.6mm)
点検口
FGT-600(0.6mm)
点検口
避雷設備用取付金物
4750492017101156785256

57857

46166

FGT-800(0.8mm)
FGT-800
施工時 (0.8mm)

9CT-150×75×7×10
点検口

17145957194ｍ
FGT-600
PG-355.6x9.5(0.6mm)
236ｍ
194ｍ
14151264589965

立面図

5678屋根膜材

アルミクランプ

内樋屋根膜材(0.8mm)
クランプベース
FGT-800
屋根膜材
Ｎ(0.8mm)
メンテナンスフック
R.PL-6 @500

10

避雷設備用導線
避雷設備用取付金物

メンテナンスフック
FGT-800
アルミクランプ

195ｍ

CT-150×75×7×10

立面図

クランプベース

ベース金物
PG-139.8x6▇ FGT-800
許容応力度(kN/m)

材料名

糸方向

FGT-800

タテ糸1210.8

1470

18.38

36.76(0.8mm)

ヨコ糸

930.6

1176

14.70

29.40

PG-139.8x6(d) 断面詳細図(分割部・中間定着部)

図 2 膜屋根の概要図
屋根膜材
避雷設備用導線
メンテナンスフック
避雷設備用取付金物
アルミクランプ
屋根膜材
避雷設備用導線
メンテナンスフック
クランプベース
避雷設備用取付金物
アルミクランプ
CT-150×75×7×10R.PL-6 @500
クランプベース
PG-355.6x9.5
CT-150×75×7×10
R.PL-6 @5002

膜材の物性値と許容応力度は「平成 14 年国土交通省告示第666 号」に従い、表 1 の値を用いた。膜面解析は、応力密度

施工時

施工時

屋根膜

アルミクランプ

PG-355.6x9.5
BH-550x300x12x25

屋根膜

引き込み膜

アルミクランプ

引き込み膜

法(FDM)を解析手法とするテンション構造専用の汎用プログラムである EASY(Ver. 2017, Technet Gmbh 製)を用い、形状解析、応力‐変形解析、裁断解析といった一連の検討を行った。
【膜面の構造検討】
設計荷重に対する検討結果の内、支配的な荷重である風荷重時の膜応力図と膜変位図を図 5 に示す。膜面最大応力が許容応力の範囲内、膜面の最大変形量が支点間距離の 1/15(積雪)と 1/20 以下(風荷重)になるようにした。

・タテ(0.8mm):23.1kN/m < 36.76kN/m・ヨコ(0.8mm):20.4kN/m < 29.40kN/m(a) A 部分

最大変形部・タテ(0.6mm):23.23kN/m < 30.68kN/m(Max：0.187m/3.76m = 1/20.1 < 1/20)

・ヨコ(0.6mm):18.78kN/m < 24.50kN/m・タテ(0.8mm):24.04kN/m < 36.76kN/m・ヨコ(0.8mm):20.19kN/m < 29.40kN/m(a) 風荷重時(負圧)(b) 風荷重時(負圧)の最大変形量・タテ(0.8mm):24.0kN/m < 36.76kN/m・ヨコ(0.8mm):25.9kN/m < 29.40kN/m

図 5 膜面の解析結果(最大応力＆最大変形)(b) B 部分

【応力集中の検討】
厚みが異なる膜材を使うことにより、力の流れが周囲に比べて急激に変わる境界部(接合部)とその付近(図 4、A 部分)、点検口(図 4、B 部分)付近では応力集中が生じやすくなるため、懸念される箇所について予め膜応力分布の検討を行った(図6)。その結果、膜面の応力分布は全ての荷重条件に対して許容応力内で収まることを確認した。特に、点検口付近では応力集中の現象が見られるものの、応力分布は許容応力以下になることを確認した。
【緩勾配屋根面の水の流れの検討】
本件の膜屋根は緩やかな勾配を有することが特徴として挙げられるが、低い勾配による膜面ポンディング現象への懸念も考えられた。特に、積雪荷重によって凹んだ膜面に溶けた水がたまり、ポンディング現象が起きないように、検討モデ
ルに対して膜面全体の高低関係、ポンディング現象の発生有・無などを把握し、雨水の流れがスムーズになることを検討した(図 7)。

図 6 境界部(接合部)とその周辺の応力分布(図 4 内)(a) 等高線

3実験の流れは、以下のように設定し、各ステップごとに膜面応力状態とシワ発生有・無などを検討した。

・Step 1： 初期張力(縮小率設定)を導入してから1 週間放後、膜面張力の測定(図 9)(b) 雨水量＆雨水の流れ
図 7 膜面の勾配及び雨水流れの検討(図 4 - C 部分)∎ 膜材接合部の耐久性及び再張力導入方法の検討
図 9 初期張力導入の様子【Step 1】

栃木新スタジアムの膜屋根は、シンプルで滑らかな膜面が一つの特徴になり、それを実現させるために厚みが異なる膜材同士の溶着部(接合部)付近の張力分布状態やシワ発生の有・無などについてモックアップ実験を通じて検証を行った。
されに、大規模な膜構造物の場合、初期張力導入後の時間経過によってクリープや応力弛緩が生じることから、再張力を導入することが望ましいが、本件では再張力導入方法を極力シンプルにすることとし、その有効性も確認した。

・Step 2： 設計荷重(積雪荷重(0.68kN/㎡))を想定し、約0.7kN/㎡相当の荷重を載荷(5 日間)、その後除荷(2 日間) → 載荷・除荷を 6 回(経年時を想定)繰り返し(図 10)【モックアップ実験】
試験体の概要を図 8 に示す。試験モデルは、図 4 に表したA 部分を対象とし、試験体の寸法は実際当該部分のサイズ(3.25m(幅)×4.25m(長さ))に合わせて、 3m(幅)×4m(長さ)のサイズと設定した。また、膜面張力の測定箇所は異なる膜材の接合部(Ⅱ)とその周辺部(Ⅰ、Ⅲ)とし、膜面の張力分布を調べた。なお、外周固定部の 2 カ所(タテ・ヨコ糸方向)にロードセルを設置し、設計張力との比較を行った。
図 10 載荷実験の様子【Step 2】

・Step 3： 【Step 2】より、1 週間放置後、膜面張力を測定、設定の張力を再導入(図 11)(a) 再張力導入前(b) 初期張力導入後

図 11 再張力導入の様子【Step 3】

図 8 モックアップ実験の概要

442アーチ414030313237363534333938・Step 4： 再張力導入後、膜面張力の変化を測定(図 12)
初期張力導入後1週間放置

載荷実験(５日間載荷後 2日間除荷)→ 6回繰返し1週間放置∎ 膜屋根の施工から完成まで
栃木新スタジアムの膜屋根の施工状況を図15 から図19 に示す。通常膜屋根の取付工事は、ジャッキダウンも含めて屋根鉄骨建方が完了した後に行うことが一般的であるが、本件では施工合理化の観点から、ジャッキダウンの影響が少ない
サイドスタンド部分について変形量の検討を行い、屋根鉄骨建方と膜取付工事の期間を一部ラップさせて行った。サイドスタンドについてアーチトラスのジャッキダウン前に膜施工を先行し、施工合理化と共に工期短縮を実現した。なお、膜の先行施工範囲(図 14)については、中間定着部のボルト本締めや止水フラップ膜取付けをジャッキダウン後に行うなど、膜屋根の全エリアについてもスムーズに取付け作業を行うことができた。

再張力導入後、放置

4.1
4.23.4kN/m
3.2kN/m

3.5

3.22.42.21.8

膜張力測定①2.1

2.32.11.51.7
1.41.2
膜張力測定②、③

図 12 時間経過による膜張力の変化
FGT-800(0.8mm)
432106512～20通り【再張力導入システムの概要】
本件では、再張力導入機構をシンプルにするために当社独点検口
自のアルミクランプを用いて、図 13 のような再張力導入方法を適用した。再張力導入の考え方としては、本体膜に初期張力を導入するために、使用した引込膜をそのまま残し、経FGT-600年後、所定の位置に引込む際に再度それを利用することで、(0.6mm)
再張力導入を容易にすることができると考えられる。
つまり、膜張力低下時にタテ糸直交方向のアルミクランプを狭幅のアルミクランプに交換することで、タテ糸方向に対して張力を導入することができ、膜材のクリンプ交換現象によってヨコ糸にも張力が加わることが期待できる。
646362616045～53通り
アーチトラス

595857565500m)

5453

35225150

14649548474645

44

点検口

4342

アーチトラス

4140

28293078 右表 節点番号図

3132333435363738

39

施工時

図 14 屋根鉄骨ジャッキダウン前の膜施工先行範囲

引き込み膜

アルミクランプ
屋根膜
張力から必要幅算出

再張力時

引き込み膜

アルミクランプ
狭幅品に交換屋根膜

再張力

図 13 再張力導入方法の概要
図 15 ジャッキダウン前の膜施工状況(サイドスタンド側)

施工時

引き込み膜

アルミクランプ
屋根膜

再張力時
アルミクランプ
狭幅品に交換
屋根膜

引き込み膜

5再張力

図 16 ジャッキダウン後の膜施工状況(サイドスタンド側)

図 18 膜屋根の施工状況（全体エリア）

図 17 膜屋根の施工状況（アーチトラス側）

図 19 膜屋根の施工完了

図 20 栃木新スタジアムの膜屋根の全景

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