| 【発明の名称】 |
曲面形状を構成する部材接合部の設定法および曲面構造物 |
| 【発明者】 |
【氏名】藤田 正則
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| 【要約】 |
【課題】曲面形状のグリッドパターン構成において、部材接合部における捩じり角度を最小に設定し、部材加工度の低減、小型化、集約化を可能とすることを目的とする。
【解決手段】形鋼部材２，３，４が接合される節点Ａｉに隣接する３節点Ｇｉ1〜Ｇｉ3を通る円の中心からＡｉ方向およびその逆方向に向かう法線ベクトルをそれぞれ算定し、法線ベクトルのそれぞれについて、これと節点Ａｉに接合される３部材２，３，４および残りの形鋼部材の軸方向単位ベクトルとの内積が最大となるベクトルを選定して内積［１］，［２］とし、内積［１］と内積［２］とから大きい方の法線ベクトルを選定する。そして、節点Ａｉに接合される他の全ての３節点の組み合わせについて同様に実行のうえ、その中で最も大きい法線ベクトルに、節点Ａｉの接合部材の軸心線を合わせるように設定することを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 グリッド状に配設されて曲面形状を構成する形鋼部材の節点に配置される接合部材の設定方法において、任意の節点Ａｉにそれぞれ形鋼部材を介して接続される３個の節点を通る円の中心から節点Ａｉ方向およびその反対方向に向かう法線ベクトルＶｉｍ，Ｖｉｍ'を算定し、前記法線ベクトルＶｉｍ，Ｖｉｍ'のそれぞれと節点Ａｉに接合される前記３個および残りの形鋼部材の軸方向単位ベクトルとの内積をそれぞれ求め、該内積が最大となるベクトルを選定してそれぞれ仮の法線ベクトルとし、前記節点Ａｉに接続される残りの全ての３個の節点の組み合せにおいて繰り返し前記仮の法線ベクトルを選定し、任意の節点Ａｉに位置する接合部材の軸心線を前記各仮の法線ベクトルのうち最大値の法線ベクトルに合わせるように設定することを特徴とする曲面形状を構成する部材の接合部の設定法。
【請求項２】 複数の節点における各接合部材にトラス部材としての形鋼部材を接合してなる曲面構造物において、請求項１記載の設定法に基づいて構成される接合部材は、その接合端面の板厚が、各形鋼部材の進入角の最小、最大の捻れ角が異なる接合部材毎に集約化して複数グループに構成し、各グループ毎に接合部材の接合端面の板厚は、当該接合部における各トラス部材の進入角の最大の捻れ角の接合に必要な最小限の板厚に構成することを特徴とする曲面構造物。
【請求項３】 請求項２記載の曲面構造物が、構築物の屋根として構築されていることを特徴とする曲面構造物。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、曲面形状を構成する形鋼部材の接合部の設定方法および曲面構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、図５に示すような曲面屋根などグリッド状の曲面構造物６を構成する場合、多くの場合、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように鋼管トラス部材１７が使用されており、鋼管トラス部材１３が多数の各接合部（節点）８の周りに放射方向から集合し、各鋼管トラス部材１７と接合部材８ａ、８ｂ、８ｃと鋼管トラス部材９とで多数の三角形が構成されたトラス構造の曲面構造物が構築される。
【０００３】この種のトラス構造の曲面屋根などの曲面構造物において、前記の鋼管トラス部材に代えて、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼等の形鋼部材（図７以下の例では、Ｈ形鋼製トラス部材を例示して説明する）を使用することが、構造物の規模によっては、強度面、剛性、コスト面、量産性などの面でより有利であることが知られており、このような場合には、Ｈ形鋼製トラス部材を使用することが検討されている。
【０００４】この場合、鋼管トラス部材においては全く問題にならないが、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼等の形鋼部材の場合は、次に述べるように、接合部材に接合する際の形鋼部材の捻れが問題となり、この点がネックとなって、現在のところ実用化されるに至っていない。
【０００５】図７以下によって説明すると、曲面形状屋根において、Ｈ形鋼製トラス部材７を接合する接合部材（以下接合ブロックという）１０は、図のように軸心線１１を中心に等角間隔で放射状にかつ一体的に設けられ接合ウェブ１２と、各接合ウエブ１２の上下端に固着された平面６角形のフラットなプレートからなる接合フランジ１３が形成されていて、６方向から集合するＨ形鋼製トラス部材７の接合端面と一致するように配設されている。
【０００６】すなわち、接合ブロック１０の接合ウェブ１２のウェブ接合端面にＨ形鋼製トラス部材７のウェブ１４の接合端面が接合され、かつ、上下フランジ１５の接合端面が前記接合ブロック１０における接合フランジ１３に接合される。そして、両部材の接合部を溶接接合することで、Ｈ形鋼製トラス部材７の端部が接合ブロック１０に固着される。図７の１６はスプライスプレートで、このスプライスプレート１６を介してＨ形鋼製トラス部材７の中間部がボルト１８で接合される。
【０００７】前述の場合、接合ブロック１０の６方向に位置する各トラス接合端部に接合される各Ｈ形鋼製トラス部材７では、６方向から集合する各Ｈ形鋼製トラス部材７間で捻れが生じる。すなわち、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼等のトラス部材７を使用した場合、各接合部材（節点）である接合ブロック１０の周りに放射状に複数本のＨ形鋼製トラス部材７が接合されることにより、これらで囲まれた三角形９はそれぞれに平面を形成するが、それらは同一平面上には存在せず、それ故に、各Ｈ形鋼製トラス部材７間で捻れが生じるのである。
【０００８】図８（ａ）〜（ｄ）に示すような各節点（接合部）を構成する一つの接合ブロック１０に注目したとき、その軸心線１１が隣接する接合ブロック１０の軸心線１１と同一平面内にない場合、両接合ブロック１０間をつなぐＨ形鋼製トラス部材７の両端部を各接合ブロック１０に合わせるためにＨ形鋼製トラス部材７を捩じらなければならないが、現実にはそれは不可能である。
【０００９】図８（ａ）、（ｃ）は接合ブロック１０における同図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であり、同図（ｂ）は同じく接合ブロック１０の側面図である。また、同図（ｄ）は同図（ｃ）のＡ−Ａ断面図である。この図（ｄ）に示すように、各Ｈ形鋼製トラス部材７は接合ブロック１０の接合端面に対し捻れて接合されることにより、Ｈ形鋼製トラス部材７を捩じらない限り、部材間の軸線１１、１１ａに捻れ角θが生じる。
【００１０】前記捻れ角θの大きさは、一つの接合ブロック１０における６つの接合端面毎でそれぞれ大小異なっている。捻れ角θが生じるということは、同図（ｄ）に示すように、接合ブロック１０の上下のフランジ接合端面１８に対して、各Ｈ形鋼製トラス部材７の上下の接合フランジ端面２０が図のように傾くことである。
【００１１】この捻れ角θが増大するほど、接合ブロック１０のフランジ接合端面１３ａを基準に考えるとき、このフランジ接合端面１３ａに対して、各Ｈ形鋼製トラス部材７のフランジ１５の接合端面１５ａの幅方向両端部の位置ずれが増大する。このため、両部材の接合時、接合フランジ端面１５ａがフランジ接合端面１３ａからはみ出さないで、円滑に面内接合させるためには、接合ブロック１０のフランジ接合端面１３ａの厚みｔを厚くすることになる（図８ｄ）。
【００１２】前記捻れ角θの大きさは、前述のとおり、各接合ブロック１０の６つの接合端面（基本的に３つの面が基準になる）毎に異なっており、この一つの接合ブロック１０で考えるとき、そのフランジ接合端面１３ａの厚みｔは、最大と最小の捻れ角θの大きさの板厚ｔに適用できる厚みに構成する必要がある。
【００１３】また、図５に示すような、各場所で曲率が変化している曲面構造物６における節点８においては、図７、図８に示す接合ブロック１０に対するＨ形鋼製トラス部材７の捻れ角も最大と最小の間で大きな開きがあり、一つの構造物において、一種類の接合ブロック１０を使用するとき、各接合ブロック１０におけるフランジ接合端面１３ａの厚みｔは、その最大値と最小値との間に、大きな隔たりがある捻れ角θの最大のものに合わせた板厚に構成しなくてはならない。前述の問題は、接合ブロック１０のウェブ接合端面１２ａとＨ形鋼製トラス部材７のウェブ接合端面１４ａとの間にも同様に生じ、ウェブ接合端面１２ａの厚みｔ1を厚くすることになる。
【００１４】また、垂直面でのＨ形鋼製トラス部材７と接合ブロック１０との接合は、各部位ごとに、接合ブロック１０の接合端面に対するＨ形鋼製トラス部材７の進入角度が異なるが、この問題に対しては、ブロック１０の交差角度に合うように形鋼部材７に開先加工を行うか、あるいは形鋼部材７のフランジまたはウェブを厚くして加工代を設けるなどによりに対処することになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼などの形鋼（トラス）部材と接合部材（接合ブロック）とを用いて曲面構造物などの曲面形状を構築する場合、形鋼部材の捻れ角の問題で接合部材のフランジ接合端面の厚みｔやウェブ接合端面の厚みｔ1を著しく大きくしなければならず、一つの構造物に用いられる膨大な数のすべて接合ブロックをこの条件を満たすように構成することは、鋼材重量面、製作面、コスト面、施工面等から実現不可能であり、曲面形状を構築する場合におけるＨ形鋼製トラス部材使用の有利性は十分に分かってはいても、現実には実用化ができないという問題があった。
【００１６】本発明者は、曲面形状のグリッドパターン構成における前記の問題点につき種々研究した結果、部材接合部（接合ブロック）の新規な設定法を見出すと共に、この設定法を用いることにより、部材接合部（接合ブロック）における形鋼部材の捩じり角度を最小に設定でき、それに伴って、接合部の部材加工度の低減、小型化、集約化を可能にできる方法を見出した。
【００１７】本発明は、前記の観点に基づいてなされた曲面形状を構成する部材の接合部の設定法および、曲面構造物を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するために、本発明は、次のように構成する。
【００１９】第１の発明は、グリッド状に配設されて曲面形状を構成する形鋼部材の節点に配置される接合部材の設定方法において、任意の節点Ａｉにそれぞれ形鋼部材を介して接続される３個の節点を通る円の中心から節点Ａｉ方向およびその反対方向に向かう法線ベクトルＶｉｍ，Ｖｉｍ'を算定し、前記法線ベクトルＶｉｍ，Ｖｉｍ'のそれぞれと節点Ａｉに接合される前記３個および残りの形鋼部材の軸方向単位ベクトルとの内積をそれぞれ求め、該内積が最大となるベクトルを選定してそれぞれ仮の法線ベクトルとし、前記節点Ａｉに接続される残りの全ての３個の節点の組み合せにおいて繰り返し前記仮の法線ベクトルを選定し、任意の節点Ａｉに位置する接合部材の軸心線を前記各仮の法線ベクトルのうち最大値の法線ベクトルに合わせるように設定することを特徴とする。
【００２０】第２の発明は、複数の節点における各接合部材にトラス部材である形鋼部材を接合してなる曲面構造物において、請求項１記載の設定法に基づいて構成される接合部材は、その接合端面の板厚が、各形鋼部材の進入角の最小、最大の捻れ角が異なる接合部材毎に集約化して複数グループに構成し、各グループ毎に接合部材の接合端面の板厚は、当該接合部における各トラス部材の進入角の最大の捻れ角の接合に必要な最小限の板厚に構成することを特徴とする。
【００２１】第３の発明は、第２の発明における曲面構造物が、構築物の屋根として構築されていることを特徴とする。
【００２２】本発明によると、任意の節点Ａｉに配置される接合部材に接合する形鋼部材の進入角度、捩じり角度を最適に設定できるので、形鋼部材および接合部材を集約化することが可能となる。
【００２３】また、曲面形状を構成する形鋼部材に取り付ける二次部材の鉄骨部材および接合部材についても集約化が可能となる。
【００２４】また、前記の集約化に伴ない部材の調達、加工が容易となり、さらに曲面仕上げ材のユニット化が容易となり、コストが低減され結果、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼などの形鋼と接合部材を用いた曲面屋根などのグリッドパターン構成の曲面構造物の実用化が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１は鋼部材２，３，４などからなるグリッドパターン（またはトラス）の曲面構造物１を示す概要図である。図２〜図４は要部の説明図である。
【００２６】図１に示す曲面構造物１において、トラスを構成する鋼部材２，３，４のそれぞれ両端は、各節点Ａｉ，Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3にて図示しない接合部材（図７、図８における接合ブロック１０）に接合されている。この場合、図示されるように、３個の節点Ａｉ，Ｇｉ1，Ｇｉ2により囲まれる三角形は隣接の三角形とは同一平面上にない。したがって、前述したように、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼等の形鋼部材２，３，４…を使用した場合、２つの節点をつなぐ形鋼部材２，３，４…は捩じられた状態で接合部材（節点）に接合される。
【００２７】図２、図３に示すように、曲面構造物１上にｎ個ある節点のうち任意の節点Ａｉ（ｘ，ｙ，ｚ）にｍ個（この場合６個）の形鋼部材２，３，４…を介して接合されるｍ個の節点Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3…のうち、任意の３個の節点Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3を通る円５に対して形鋼部材２，３，４…の軸方向の単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3を計算する。この計算を残りの形鋼部材について繰り返し行って、その外積の法線ベクトルを求め、この法線ベクトルと競り合い角度が最も厳しい形鋼部材方向の単位ベクトルを選択して得られた法線ベクトルにより接合部の位置を設定する。
【００２８】以下に、その方法の詳細フローを説明する。すなわち、曲面構造物１上の任意の節点Ａｉとこれに隣接する３節点Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3とをつなぐ形鋼部材２，３，４…の単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3から、つぎのフローにより節点Ａｉにおける法線ベクトルＶｉｍを算定する（図３、図４参照）。
【００２９】■ 節点Ａｉと３個の節点Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3とをつなぐ形鋼部材２，３，４…の軸方向の各単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3を算定する。それらはつぎのように表される。
ｖ1＝Ｇｉ1Ｇｉ3ｖ2＝Ｇｉ2Ｇｉ3ｖ3＝Ｇｉ1Ｇｉ2節点Ａｉに接合されるｍ個の節点のうち、３個の節点Ｇｉ1，Ｇｉ2，Ｇｉ3を通る円５の中心からＡｉ方向に向かうベクトルＶｉｍを初期値の法線ベクトルとする。初期値の法線ベクトルＶｉｍは、３個の単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3より得られる外積であり、Ｖｉｍと３個の単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3より得られる内積は全て等しくなる。
【００３０】■ 初期値の法線ベクトルＶｉｍと他の全て（ｍ−３）の形鋼部材の軸方向の単位ベクトル（ｖ4〜ｖｍ）との内積を算定する。そして、■，■で算定した内積の中で最も大きい内積［１］（仮の法線ベクトル）を選定する。
【００３１】■ 前記■で決定した法線ベクトルＶｉｍの逆方向のベクトルを２番目の初期値の法線ベクトルＶｉｍ'とする。
【００３２】■ 前記■と同様に、Ｖｉｍ'と前記３個の形鋼部材２，３，４の軸方向の単位ベクトルｖ1，ｖ2，ｖ3との内積を算定する。同様にその他の全ての形鋼部材の軸方向の単位ベクトルとの内積を算定し、その中で最も大きい内積［２］（仮の法線ベクトル）を選定する。
【００３３】■ 前記内積［１］と内積［２］を比較して大きい方の法線ベクトルを、任意の節点Ａｉ（ｘ，ｙ，ｚ）に着目した場合の最適な法線ベクトル（仮の法線ベクトル）と設定する。
【００３４】■ ■〜■のフローを節点Ａｉに接合される全ての組み合わせの３形鋼部材にて実行し、各最適な法線ベクトルのうち最も大きいもの（仮の法線ベクトル）を接合部材の設定に用いる最適な法線ベクトルとする。
【００３５】すなわち、節点Ａｉに位置する接合部材の軸心線をこの最適な法線ベクトルに一致するように接合部材を配設する。この内積が最も大きい場合が、形鋼部材を接合部材（節点）に接合させるときの捩じり角が最小になる場合である。
【００３６】本発明において、前記の設定法で選定された接合部材を図７、図８に示す接合ブロック１０に適用し、図１に示す曲面構造物１又は図５に示す曲面構造物６を構築することができ、この場合、その接合端面の板厚が、各形鋼部材の進入角の最小、最大の捻れ角が異なる接合部材毎に集約化して複数グループに構成し、各グループ毎に接合部材の接合端面の板厚は、当該接合部における各トラス部材の進入角の最大の捻れ角の接合に必要な最小限の板厚に構成することができる。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、曲面構造物の各節点Ａｉに配置される接合部材に接合する形鋼部材の進入角度が均一に近くなり、捩じり角度を最適に設定できるので、形鋼部材および接合部材のサイズを集約化することが可能となり、鋼材重量も低減できる。
【００３８】また、曲面構造物を構成する形鋼部材に取り付ける二次部材の鉄骨部材および接合部材の集約化も可能となる。
【００３９】さらに、前記接合部材の集約化、グルーピング化出来るので、部材の調達、加工性、施工性が容易となり、さらに接合部材の取り合う曲面仕上げ材を支持するための取付金物のユニット化、集約化が容易となりコストが低減される。その結果、Ｈ形鋼、Ｔ形鋼などの形鋼と接合部材とを用いた曲面屋根などのグリッドパターン構成における曲面構造物の実用化が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６５５
【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年９月２５日（２０００．９．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７２５０
【弁理士】
【氏名又は名称】林 信之 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−９７７２４（Ｐ２００２−９７７２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年４月５日（２００２．４．５） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２９００８８（Ｐ２０００−２９００８８） |
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