JP6984286B2 - 構造体 - Google Patents

Description

本発明は、屋根等に用いられるトラス構造を有した構造体に関する。

大スパンの建物の屋根にトラス構造を用いることがある（例えば、特許文献１参照。）。この文献の屋根構造では、２辺が直交する上弦材及び下弦材の内、上弦材と下弦材の一方の辺を平行かつ水平に位置させる。そして、上弦材と下弦材を結合する斜材と束材とを鉛直線に対して任意の角度で、上弦材を下弦材に接合させる。

特開２００３−９６９０５号公報

しかしながら、単一のトラス構造では、構造設計の自由度を確保できないことがある。例えば、トラス構造で屋根を構成する場合、トラス構造とは別に天井を構成しない限り、天井位置がトラス構造で決まり、内部空間の設計の自由度を確保できなかった。

上記課題を解決する構造体は、第１方向に延在する垂直構面に第１上弦材及び第１下弦材を含むトラス要素部材を、前記第１方向と交差する第２方向に並べて連結した第１トラス構造と、束材及び斜材が多角柱体状又は多角錐状に配置されて構成される第２トラス構造とを備えた構造体であって、前記第１トラス構造及び前記第２トラス構造を、第１方向に延在する垂直面からなる接続部で連結した。

本発明によれば、異なるトラス構造を組み合わせることにより、構造設計の自由度を高めることができる。

実施形態における構造体の斜視図。 実施形態における構造体の側面図。 実施形態における構造体の正面から見た図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面断面図。 実施形態における構造体の平面図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は屋根を取り外した柱と梁を説明する平面図。 実施形態における構造体の要部拡大平面図。 実施形態における第１トラス構造を説明する説明図であって、（ａ）はトラス要素部材の配置図、（ｂ）はトラス要素部材の正面図。 実施形態における第２トラス構造を説明する説明図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は要部の拡大斜視図。 実施形態における接続部を説明する図であって、（ａ）は要部を切断した斜視図、（ｂ）は要部の斜視図。

以下、図１〜図８を用いて、構造体を具体化した一実施形態を説明する。
図１は、構造体としての屋根２０を備えた建物１０の斜視図である。図２は、屋根２０の側面図である。本実施形態の建物１０は、講演会や演劇等を行なう施設として用いられ、両端に舞台空間を区画し、中央に観客席となる広い空間を区画している。

図１に示すように、本実施形態の建物１０は、柱梁架構１１と、この上に配置された屋根２０とを備えている。柱梁架構１１は、上端部が屋根２０に連結した柱１５，１６と、柱１５，１６同士を連結する梁とを備えている。

屋根２０を構成するトラス構造は、頂上部にある大棟２１を備えている。本実施形態では、大棟２１は、Ｘ方向に延在している。
図２に示すように、屋根２０は、大棟２１から、Ｙ方向（Ｘ方向と直交する方向）及びその反対方向の下方へ、２面を延在させる形状を有している。

図３（ａ）は、建物１０の正面図、図３（ｂ）は、大棟２１を含む建物１０の中央で切断した屋根２０の正面断面図である。
図３に示すように、屋根２０の大棟２１は、真ん中を最下部として、両側が跳ね上がった円弧形状をしている。屋根２０は、第１トラス構造３０と、第２トラス構造４０と、接続部５０により構成される。第２トラス構造４０は、第１トラス構造３０と異なる構造のトラスであり、接続部５０は、第１トラス構造３０及び第２トラス構造４０を接続する。

図４（ａ）は、建物１０の上面図、図４（ｂ）は、屋根２０を除いた建物１０の平面図である。図５は、屋根２０の一部分を拡大した平面図である。
図４（ａ）に示すように、屋根２０は、Ｘ方向及びＹ方向に線対称である。屋根２０の中央部には、第１トラス構造３０が配置される。この第１トラス構造３０は、略長方形状の平面形状を有している。第１トラス構造３０のＸ方向における両側には、第２トラス構造４０が配置される。この第２トラス構造は、略半円形状の平面形状を有している。なお、第１トラス構造３０及び第２トラス構造４０の外周部には、軒２５が形成される。

図４（ｂ）は、建物１０から屋根２０を除いた柱梁架構１１を示している。この図において、黒丸は柱を示している。各柱１５〜１９は、上端部が屋根２０と連結している。柱１５は、その上端部でのみ屋根２０と連結される。柱１６は、屋根２０を構成する下弦材の端部が固定されており、屋根２０のトラス構造の束材として機能する。屋根２０においては、柱１６，１９より外側の部分が、軒２５となる。柱１７〜１９は、第１トラス構造３０及び第２トラス構造４０を連結する接続部５０に設けられている。

次に、屋根２０を構成する各トラス構造（３０，４０）及び接続部５０の詳細について説明する。
＜第１トラス構造＞
まず、図３、図５、図６を用いて、第１トラス構造３０について説明する。
図６（ａ）は、第１トラス構造３０を説明する模式図である。第１トラス構造３０は、複数のトラス要素部材３１をＸ方向（第１方向と９０度で交差する第２方向）に並べて、Ｘ方向に延在する部材によって連結されて構成されている。トラス要素部材３１は、Ｙ方向（第１方向）に延在する垂直構面Ｐ１内に第１上弦材３６及び第１下弦材３７を備えている。

具体的には、図５及び図６（ａ）に示すように、複数の同じトラス要素部材３１が、Ｘ方向に等間隔で並べて配置される。トラス要素部材３１の頂点部は、大棟２１によって連結されている。トラス要素部材３１の第１上弦材３６同士は、連結上弦材３２によって連結されている。トラス要素部材３１の第１下弦材３７同士は、連結下弦材３３によって連結されている。

図３（ｂ）に示すように、連結上弦材３２及び連結下弦材３３は、大棟２１の形状と同じ形状を有している。このため、第１トラス構造３０は、Ｘ方向に延在する大棟２１、連結上弦材３２、連結下弦材３３が同じ形状をした平行弦トラス構造で構成される。なお、大棟２１の一部は、連結上弦材として機能する。

更に、図５に示すように、本実施形態の第１トラス構造３０は、一部において、連結上弦材３２同士、連結下弦材３３同士、連結上弦材３２と連結下弦材３３とを連結する斜材３４を備えている。

図６（ｂ）は、トラス要素部材３１の説明図（正面図）である。トラス要素部材３１は、Ｘ方向を含む鉛直面に対して左右対称の形状をしており、上側が略山形形状で下側が略Ｍ型形状をしている。トラス要素部材３１は、第１上弦材３６、第１下弦材３７、束材３５及び斜材３８を備えている。

具体的には、トラス要素部材３１の第１上弦材３６は、中心を頂点とし、この頂点から外側（Ｙ方向及び反対方向）に向かって低くなる円弧形状で形成されている。
第１下弦材３７は、外端部３７ａと、中間部３７ｂと，中央部３７ｃとを備えている。外端部３７ａ及び中央部３７ｃは、ほぼ水平方向（Ｙ方向）に延在している。本実施形態では、第１下弦材３７の外端部３７ａの先端は、柱１６に接続される。中央部３７ｃは、外端部３７ａよりも高い位置に配置される。そして、中間部３７ｂは、山形形状を有しており、低い位置の外端部３７ａと、高い位置の中央部３７ｃとを連結する。

束材３５は、第１上弦材３６と第１下弦材３７とを鉛直方向に連結する。本実施形態では、束材３５は、第１下弦材３７における外端部３７ａ、中間部３７ｂ、中央部３７ｃの接続位置及びその中間の位置に設けられている。

更に、斜材３８は、束材３５と第１下弦材３７との節点から、この節点の束材３５と隣接する束材３５と第１上弦材３６との節点とを連結するように配置されている。
なお、第１トラス構造３０の連結上弦材３２、連結下弦材３３、第１上弦材３６、第１下弦材３７はＨ形鋼で構成し、斜材３４，３８及び束材３５は円管で構成する。
また、第１トラス構造３０の第１下弦材３７及び連結下弦材３３には、天井材が直接、取り付けられる。本実施形態では、天井材としてアルミニウム製のパネルを用いる。

＜第２トラス構造＞
次に、図５、図７を用いて、第２トラス構造４０について説明する。
図７（ａ）は、第２トラス構造４０の側面図であり、図７（ｂ）は、第２トラス構造４０の一部を拡大した斜視図である。第２トラス構造４０は、第２上弦材４１，４２，４３、第２下弦材４６，４７，４８、束材４４及び斜材４５を備える。

図５及び図７（ｂ）に示すように、第２トラス構造４０の第２上弦材４１は、基準弦材として機能し、Ｙ方向に延在して配置される。第２上弦材４２，４３は、交差弦材として機能し、第２上弦材４１に対して約６０度で交差する方向に延在し、同じ節点（交点）で交差する。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第２上弦材４１〜４３の節点の下面には、束材４４が固定される。この束材４４は、第２上弦材４１〜４３との節点において、第２上弦材４１〜４３が構成する面に対してほぼ垂直となる方向に延在するように配置される。

図５及び図７（ｂ）に示すように、第２下弦材４６は、基準弦材として機能し、Ｙ方向に延在するように配置される。第２下弦材４７，４８は、交差弦材として機能し、第２下弦材４６に対して約６０度で交差する方向に延在し、同じ節点で交差する。更に、各第２下弦材４６〜４８の節点の上面には、束材４４が固定される。このため、第２下弦材４６〜４８は、第２上弦材４１〜４３に対応するように配置される。

また、斜材４５は、束材４４の下端部（第２下弦材４６〜４８の節点）から、隣接する束材４４の上端部（第２上弦材４１〜４３の節点）に延在するように配置される。このため、第２トラス構造４０においては、束材４４及び斜材４５は、三角錐において同じ頂点に接続する辺を構成するように配置される。

＜接続部＞
次に、図８を用いて、第１トラス構造３０と第２トラス構造４０との間に存在する接続部５０について説明する。図８（ａ）は、第２トラス構造４０の一部を残して切断した状態での斜視図である。図８（ｂ）は、接続部５０の拡大斜視図である。接続部５０は、Ｘ方向を含む鉛直面に対して左右対称で、トラス要素部材３１と同じ全体形状を有している。

図８に示すように、本実施形態の接続部５０は、Ｙ方向の垂直構面内に上弦材５６、下弦材５７、束材及び斜材５９を備える。上弦材５６は、第１トラス構造３０のトラス要素部材３１の第１上弦材３６と同じ略山形状を有している。下弦材５７は、トラス要素部材３１の第１下弦材３７と同じ略Ｍ形状を有している。この接続部５０は、第１トラス構造３０と同じ高さの平面トラス構造で構成される。また、上弦材５６及び下弦材５７には、第１トラス構造３０の連結上弦材３２及び連結下弦材３３の端部が接続される。

接続部５０の束材は、上弦材５６と下弦材５７とを鉛直方向に連結する。これらの束材は、トラス要素部材３１の束材３５に対応する位置に配置される。本実施形態では、接続部５０の束材を、鉛直材５１，５２ａ，５２ｂ，５３、柱１７，１８，１９の上部により構成する。柱１７〜１９と隣接する柱１５，１６とは、梁により連結されている。
各束材の上端部と上弦材５６との節点には、第１トラス構造３０の連結上弦材３２が接続される。なお、鉛直材５１，５２ａ，５２ｂ，５３は、円管で構成される。

鉛直材５１は、大棟２１の直下に配置される。この鉛直材５１の下端部は、下弦材５７及び第１トラス構造３０の連結下弦材３３に連結される。更に、鉛直材５１の途中で、第２トラス構造４０の第２下弦材４６が接続される。

接続部５０の束材は、大棟２１に連結された鉛直材５１から、接続部５０の上弦材５６の傾斜方向に向かって、鉛直材５２ａ，５３，５２ｂ，５３、柱１７、鉛直材５３、柱１８，１９の順番で配置される。
鉛直材５２ａ，５２ｂの上端部には、第２トラス構造４０の第２上弦材４１〜４３が連結される。更に、鉛直材５２ａ，５２ｂの途中（中間高さ）には、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８が連結される。なお、中間高さとは、鉛直材の真ん中の高さではなく、上端部及び下端部以外の途中の高さを意味する。更に、鉛直材５２ａ，５２ｂは、鉛直材５３よりも高強度の材料で構成されている。具体的には、鉛直材５２ａは、鉛直材５３よりも太い円管で構成され、鉛直材５２ｂは、鉛直材５３よりも大きいＨ形鋼で構成されている。

鉛直材５３は、接続部５０の上弦材５６、下弦材５７及び斜材５９に接続されている。一方、鉛直材５３は、第２トラス構造４０の第２上弦材４１〜４３及び第２下弦材４６〜４８に連結されていない。

このため、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第２トラス構造４０の第２上弦材４１は、第２上弦材４２，４３との節点においてのみ、接続部５０に接続される。また、第２トラス構造４０の第２下弦材４６は、第２下弦材４７，４８との節点においてのみ、接続部５０に接続される。

図８（ａ）に示すように、柱１７の上端部には、第２上弦材４１〜４３が連結される。この柱１７には、接続部５０の下弦材５７と第１トラス構造３０の連結下弦材３３との接続位置よりも高い位置に、第２下弦材４６〜４８が連結される。
柱１８の上端部には、第２上弦材４１〜４３が連結される。この柱１８には、接続部５０の下弦材５７と連結下弦材３３との接続位置とほぼ同じ高さで、第２下弦材４６〜４８が連結される。
柱１９には、接続部５０の上弦材５６と下弦材５７の端部とが固定されている。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の屋根２０は、第１トラス構造３０と第２トラス構造４０と接続部５０とを備える。第１トラス構造３０は、垂直構面Ｐ１にあるトラス要素部材３１を複数並べて連結して構成する。これにより、第２トラス構造４０とは異なる厚みを有する第１トラス構造３０を、接続部５０を介して第２トラス構造４０と接続することができる。従って、一つの建物１０においてトラス構造を用いた構造体の設計の自由度を高めることができる。
第１トラス構造３０の第１下弦材３７及び連結下弦材３３に、天井材を直接、固定する。この場合、第１トラス構造３０によって、天井材までの天井高さが決まる。従って、建物１０の屋根２０において、領域毎に用いられたトラス構造によって、外観だけでなく内部空間も、領域毎に適した意匠を設計することができる。

（２）本実施形態の接続部５０には、鉛直材５２ａ，５２ｂの途中で、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８が連結される。これにより、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８の位置が、第１トラス構造３０の第１下弦材３７の高さと一致しない構造においても、接続部５０を介して、第１トラス構造３０と第２トラス構造４０とを連結することができる。

（３）本実施形態の接続部５０の鉛直材５２ｂは、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８が途中で連結していない鉛直材５３よりも、高強度の材料で構成されている。これにより、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８を、鉛直材５２ｂの途中で連結しても、十分な強度を有することができる。

（４）本実施形態の第２トラス構造４０の第２下弦材４６を、第２下弦材４７，４８との節点においてのみ、接続部５０と接続する。これにより、接続部５０の束材の途中で、第２トラス構造４０の第２下弦材４６のみが接続する部分はないため、接続部５０の束材に、真横から大きな力が加わることを回避することができる。

（５）本実施形態の第１トラス構造３０のトラス要素部材３１は、大棟２１、連結上弦材３２及び連結下弦材３３を同じ形状とする平行弦トラス構造とした。これにより、各トラス要素部材３１を、簡単な構成で連結することができる。

（６）本実施形態においては、第１トラス構造３０の第１下弦材３７及び連結下弦材３３に、天井材を設ける。これにより、建物１０の躯体に、天井を直接取り付けることができるので、吊り天井と異なり、吊りボルト等の吊り材をなくして、耐震性を高めることができる。

また、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、第１トラス構造３０は、Ｙ方向の垂直構面Ｐ１に含まれる複数のトラス要素部材３１を、Ｙ方向に直交するＸ方向に並べて連結した。トラス要素部材３１を連結する方向は、直交（９０度で交差）する方向に限られず、例えば、垂直構面Ｐ１に対して、６０度で交差する方向でもよい。

・上記実施形態において、第１トラス構造３０は、同じトラス要素部材３１をＸ方向に並べて連結した。第２方向（Ｘ方向）に並べて連結するトラス要素部材は、すべて同じ形状でなくてもよく、第２方向と交差する垂直構面に上弦材及び下弦材を含む構成であれば、異なる形状のトラス要素部材を用いてもよい。

・上記実施形態において、第２トラス構造４０の束材４４及び斜材４５を、三角錐形状の辺を構成するように配置した。第２トラス構造４０の構成は、この構成に限定されない。例えば、垂直構面に第１上弦材及び第１下弦材を含むトラス要素部材を有しない構造（第１トラスと異なる構造）であれば、束材及び斜材が、他の多角柱状や多角錐状に配置される構造を用いてもよい。

・上記実施形態において、接続部５０は、第１トラス構造３０のトラス要素部材３１と同じ全体形状を有している。接続部５０の全体形状は、トラス要素部材３１と同じ形状に限られない。例えば、第１トラス構造が、接続部の束材の途中で接続せずに、接続部の上弦材と下弦材の位置で接続できれば、接続部５０の形状は、トラス要素部材３１と異なる形状で構成してもよい。

・上記実施形態において、接続部５０は、第１トラス構造３０の垂直構面Ｐ１と平行な垂直平面内に、上弦材５６、下弦材５７、束材及び斜材５９を備える。接続部５０は、この構成に限定されず、垂直構面と同じ延在方向の垂直面内に、少なくとも一部の部材が含まれている構成であればよい。

・上記実施形態においては、接続部５０の鉛直材５２ａ，５２ｂの途中に、第２トラス構造４０の第２下弦材４６〜４８を連結した。接続部５０の束材の中間高さ（途中部分）に取り付けられる第２トラス構造４０の弦材は、第２下弦材４６〜４８に限られない。例えば、第２下弦材４６〜４８に代えて、第２上弦材４１〜４３を、接続部の束材の中間高さに取り付けてもよい。

・上記実施形態の屋根２０は、第１トラス構造３０の両側に第２トラス構造４０を配置した。第１トラス構造３０及び第２トラス構造４０を接続部で連結した構造体であれば、トラス構造の配置は、これに限らない。例えば、第１トラス構造の片側に第２トラス構造がある構造体でもよいし、第１トラス構造の外周全体を第２トラス構造で囲んだ構造体であってもよい。

・上記実施形態において、構造体を屋根２０に適用した例について説明した。構造体は、屋根に限定されず、例えば、柱梁架構や橋等、トラス構造で構成された構造体に適用してもよい。

Ｐ１…垂直構面、１０…建物、１１…柱梁架構、１５，１６…柱、１７，１８，１９…接続部の束材としての柱、２０…屋根、２１…大棟、２５…軒、３０…第１トラス構造、３１…トラス要素部材、３２…連結上弦材、３３…連結下弦材、３４，３８…斜材、３５…束材、３６…第１上弦材、３７…第１下弦材、３７ａ…外端部、３７ｂ…中間部、３７ｃ…中央部、４０…第２トラス構造、４１…基準弦材としての第２上弦材、４２，４３…交差弦材としての第２上弦材、４４…第２トラス構造の束材、４５…第２トラス構造の斜材、４６…基準弦材としての第２下弦材、４７，４８…交差弦材としての第２下弦材、５０…接続部、５１，５２ａ，５２ｂ…接続部の束材としての鉛直材、５３…鉛直材、５６…上弦材、５７…下弦材、５９…斜材。

Claims (4)

1. 第１方向に延在する垂直構面に第１上弦材及び第１下弦材を含むトラス要素部材を、前記第１方向と交差する第２方向に並べて連結した第１トラス構造と、
   第２上弦材と前記第２上弦材に対応するように配置される第２下弦材と束材及び斜材が多角柱体状又は多角錐状に配置されて構成される第２トラス構造と、を備えた構造体であって、
   前記第１トラス構造及び前記第２トラス構造を、前記第１方向に延在する垂直面からなる接続部で連結し、
   前記接続部は、前記第１トラス構造の高さの平面トラス構造で構成され、
   前記第２上弦材の端部又は前記第２下弦材の端部を、前記接続部の束材の中間高さで連結したことを特徴とする構造体。
2. 前記第２トラス構造の第２上弦材又は第２下弦材には、前記第２方向に延在する垂直面に含まれる基準弦材と、前記接続部に対して交差する交差弦材とがあり、
   前記接続部の束材と前記交差弦材との節点において、前記基準弦材を連結したことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記第１トラス構造を、
   前記第２方向に延在する垂直構面に含まれ、前記トラス要素部材を連結する連結上弦材及び連結下弦材を備えた平行弦トラス構造により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体。
4. 前記第１トラス構造の前記第１下弦材及び連結下弦材に、天井材を固定したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の構造体。

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