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大スパン鋼構造物は、スタジアム、展示ホール、空港ターミナル、工業用建物、交通ハブ、その他の大規模な公共施設や産業施設で広く使用されています。
大スパンの構造システムでは、支持点の配置が建築の柔軟性に大きな影響を与えます。一般に、サポートが分散するほど、フロアプランニングと空間構成に対する制限が大きくなります。対照的に、集中サポート システムは通常、アーキテクチャ設計の柔軟性を高めます。
この記事では、大スパン鋼構造物の主な構造形式を紹介し、一般的に使用されるいくつかの構造および設置方法をまとめます。
スペースフレームは、特定の幾何学的パターンに従ってノードを介して接続された複数の部材で構成される 3 次元構造システムです。
二重層または多層の平面グリッド システムは、一般にスペース フレームと呼ばれます。これらは通常、鋼管、構造用鋼セクション、またはその他の高強度鋼部品から製造されます。
一般的なスペース フレーム構造のタイプは次のとおりです。
平面トラスシステムで構成されるスペースフレーム
四角錐スペースフレーム
三角錐スペースフレーム
六角錐スペースフレーム
スペース フレーム構造には、いくつかの重要な利点があります。
効率的な三次元荷重分散
明確で直接的な荷重伝達経路
軽量構造
高い構造剛性
優れた耐震性能
便利な製造と設置
標準化されたメンバーと接続ノード
工場での組立てや量産に最適
柔軟な建築レイアウト
天井、パイプライン、機械設備を簡単に統合
軽量で魅力的な建築的外観
これらの利点により、スペースフレームは大スパンの屋根や公共建築物に広く使用されています。
曲面グリッド構造は一般にグリッドシェルまたはスペースグリッドシェルとして知られています。その構成に応じて、単層グリッドシェルシステムと二層グリッドシェルシステムに分けることができます。
建設材料に応じて、グリッド シェルは鋼鉄、木材、鉄筋コンクリート、または複合材料で作られます。
一般的な構造形式は次のとおりです。
球状グリッドシェル
双曲線グリッドシェル
円筒形グリッドシェル
双曲放物面グリッドシェル
グリッドシェル構造は、格子構造と薄殻構造の特性を組み合わせたものです。
主な利点は次のとおりです。
合理的かつ効率的な構造挙動
比較的単純な構造部材
全体的な剛性が高い
優れた大スパン性能
小さなプレハブ部品から大きな構造物を組み立てる能力
部材と接続ノードの工場生産
現場での設置が比較的便利
非常に大型の吊り上げ装置への依存を軽減
全体的に良好な経済パフォーマンス
柔軟な建築形態と湾曲した幾何学形状
グリッド シェル システムは、長いスパンと独特の建築設計の両方を必要とするプロジェクトに特に適しています。
ファブリック構造としても知られる膜構造は、20 世紀後半に急速に開発された軽量の大スパン構造システムです。
主要なカバーシステムとして高性能の柔軟な膜素材を使用しています。構造の安定性は、空気圧、張力をかけたスチールケーブル、または制御されたプレストレスを膜に導入する剛性の支持フレームによって実現できます。
一般的な膜構造システムには次のものがあります。
空気支持膜構造
引張膜構造
フレームで支持された膜構造
膜構造の主な利点は次のとおりです。
非常に低い自重
優れた大スパン性能
柔軟で表現力豊かな建築形態
早くて便利な施工
良好な経済パフォーマンス
高い構造効率
良好な光透過性
適切な膜材料によるセルフクリーニング特性
ただし、膜の耐久性と長期メンテナンスの要件は、設計と材料の選択時に慎重に考慮する必要があります。
ケーブル吊り構造では、主な耐荷重要素として高強度張力ケーブルが使用されます。
典型的な吊り屋根システムは通常、次の 3 つの主要部分で構成されます。
ケーブルシステム
屋根システム
サポート体制
一般的なケーブル構造形式は次のとおりです。
一方向単層吊り下げケーブル システム
ラジアル単層吊り下げケーブル システム
双方向単層吊り下げケーブル システム
一方向二層プレストレストケーブルシステム
ラジアルプレストレストケーブルシステム
双方向二層プレストレストケーブルシステム
プレストレストケーブルネット構造
吊り下げられたケーブル システムの主な構造的特徴は、外部荷重が主にケーブルの軸方向の張力によって抵抗されることです。
これにより、曲げやせん断の影響を最小限に抑えながら、鋼の高い引張強度を効率的に利用することができます。
その他の利点は次のとおりです。
軽量ルーフシステム
柔軟な構造配置
さまざまな建築計画への適応性
重量物運搬装置の需要の減少
高い材料利用効率
ただし、ケーブル システムの構造解析、プレストレス制御、変形計算、および建設モニタリングは比較的複雑です。したがって、慎重なエンジニアリング設計と正確な設置管理が不可欠です。
薄殻構造は、曲率半径に比べて厚さが比較的小さい湾曲した構造システムです。
構造工学では、シェルは次のような条件をほぼ満たします。
t/R≦1/20
一般に、薄いシェルとみなされます。
tは シェルの厚さを表します
R は曲率半径を表します
幾何学的形状に従って、シェル構造は回転シェルまたは並進シェルに分類できます。
建設資材によれば、次のものが含まれます。
鉄筋コンクリート薄肉シェル
石積みの薄いシェル
スチール製の薄いシェル
複合薄肉シェル
薄いシェル構造により、優れた耐荷重効率が得られます。
それらの強度と剛性は主に湾曲した幾何学的形状によってもたらされ、これにより荷重は曲げではなく主に膜の力によって伝達されます。
その結果、薄殻構造は以下を提供できます。
高強度
高剛性
材料消費量の削減
効率的な荷重伝達
優れた構造経済性
したがって、効率的な構造性能と独特の建築形状を必要とする多くの大規模な建物に適しています。
高高度現場組立とは、構造部材と接続ノードを最終設計位置で直接組み立てることを指します。
大スパンの鋼構造物の場合、構造の安定性を向上させ、変形を制御するために、設置中に一時的なサポートが必要になることがよくあります。
主要な構造が完成して安定した後、仮のサポートは徐々に降ろされるか取り除かれ、構造が最終的な設計状態に達します。
この手法は、複雑な大スパンの空間構造を構築するための最も基本的な手法の 1 つです。
サポート体制に応じて、大きく2つの方法に分けられます。
構造物の高さと形状に応じて完全な足場が組み立てられ、システム全体を高所で組み立てることができます。
この方法は一般に、屋内ホールや展示棟など、適度なスパンと高さの構造物に適しています。
利点は次のとおりです。
柔軟な構造
足場の再利用性が高い
便利な座標および位置合わせ制御
技術的な複雑さが比較的低い
短所としては次のようなものがあります。
大量の足場が必要
高所での作業が増える
安全上のリスクにさらされる可能性が高まる
準備時間が長くなる
仮設サポートタワーまたは架設フレームは、構造物の形状、荷重、高さ、重量に応じて特別に設計されています。
この方法は、より高い建物や、より重い構造コンポーネントを備えた大スパンの構造物に適しています。
利点は次のとおりです。
設置時の高い構造安定性
正確な位置決め
柔軟なサポート構成
工事の安全性の向上
その主な欠点は、特別に設計された一時的なサポートの再利用率が比較的低く、材料費と建設費が増加する可能性があることです。
スライド設置方法では、鉄骨構造のセクションを 1 つのエリアで組み立て、特別に設計されたトラックに沿って最終位置まで移動します。
各セクションは設計位置に到達すると、隣接する構造ユニットに接続されます。
この方法は、次の場合に特に適しています。
建設現場は作業スペースが限られている
重量物を持ち上げる機器は設置エリアに簡単にアクセスできない
建築計画は比較的規則的
構造物には大きな屋根、スタジアム、オープンサイドの建物が含まれます。
スライド方式により施工期間を大幅に短縮できます。
ただし、次のようないくつかの技術的要因を慎重に制御する必要があります。
スライドトラックの選択と設計
摺動抵抗
複数の摺動点間の同期
滑り速度
移動時の構造変形
一時的な安定
一体型吊り上げでは、地上で大きな構造部分を組み立て、次に油圧吊り上げ装置またはその他の同期吊り上げシステムを使用して構造全体を最終的な高さまで持ち上げます。
この方法は一般的に次の目的で使用されます。
大スパン屋根構造
単層グリッドシェル
2層グリッドシェル
大屋根トラス
重量空間鋼構造物
その主な利点は次のとおりです。
一時的なサポートの削減
高所での組立作業が軽減される
施工効率の向上
設置期間の短縮
地上での労働条件の改善
主な技術的な課題は次のとおりです。
リフティングポイントの正確な位置決め
同期昇降制御
応力と変形の制御
吊り上げ時の構造の安定性
リアルタイムの建設モニタリング
一体型吊り上げは、プロジェクトの条件に応じて他の設置方法と組み合わせられることがよくあります。
一体型張力は主にケーブル構造と張力膜構造に使用されます。
建設中、必要なプレストレスと設計形状が達成されるまで、複数の油圧ジャッキまたは張力装置を使用してケーブルまたは膜システムに同時に張力を加えます。
この方法は、大型のケーブルで支持された構造や膜構造に特に適しています。
その利点は次のとおりです。
正確なプレストレス制御
高い同期性
効率的な施工
手作業の負担を軽減
一時的なサポート要件の軽減
取り付け精度の向上
ケーブルと膜の構造はプレストレスの影響を非常に受けやすいため、構造の性能を確保するには同期した張力とリアルタイムのモニタリングが重要です。
プログレッシブ拡張法は、大規模なグリッド シェル構造に一般的に使用される高度な設置技術です。
一般的な構築手順は次のとおりです。
グリッド シェルの中央セクションを地面の高さで組み立てます。
組み立てた部分を所定の高さまで持ち上げます。
周囲に追加のグリッド シェル セクションを取り付けます。
拡大した構造物を再度持ち上げます。
グリッド シェル全体が完成するまで、このプロセスを繰り返します。
この構築方法にはいくつかの利点があります。
一時的な支持構造の削減
大量の組み立て作業を地上で完了可能
施工品質の向上
高所作業の軽減
作業者の安全性の向上
接続品質の制御が容易に
これらの利点により、漸進拡張工法は大スパン空間の鉄骨構造プロジェクトでますます使用されています。
カンチレバー設置方法では、まず比較的小さな構造ユニットが地上で組み立てられます。
これらのユニットは、クレーンまたは他の吊り上げ装置によって最終位置まで持ち上げられ、以前に設置された構造物に段階的に接続されます。
この方法は一般に、比較的小さい、またはそれほど複雑ではない空間構造に適しています。
その利点は次のとおりです。
一時的なサポートの削減
仮設工事費の削減
柔軟なインストール順序
ただし、この方法にはいくつかの課題もあります。
設置時の構造上の不安定性が大きくなる
カンチレバーの勃起時のリスクが高い
難しい変形制御
追加の二次応力の可能性
一時的なブレースの要件が増大
この方法を使用する前に、設置された構造ユニットが十分な幾何学的安定性と剛性を確保していることを検証する必要があります。
建設段階の構造シミュレーションと解析も実行して、変形、応力再分布、一時的安定性を予測する必要があります。
大スパン鋼構造物には、スペースフレーム、グリッドシェル、膜構造、ケーブル吊りシステム、薄肉シェル構造など、多くの構造システムを採用できます。
各構造形式には、荷重伝達、スパン性能、建築上の柔軟性、材料効率、製造、設置要件の点で異なる特性があります。
同様に、高所での現場組立、スライド設置、一体式吊り上げ、同期張力、漸進的グリッドシェル拡張、カンチレバー建方などの建設方法は、構造システム、プロジェクト規模、建設現場の条件、利用可能な設備、安全要件、建設スケジュールに応じて選択する必要があります。
大スパンの鉄骨構造プロジェクトの場合、建設ソリューションを成功させるには、設置効率に重点を置くだけでなく、構造の安定性、変形制御、仮支持設計、吊り上げの同期、建設段階の分析、作業員の安全性も考慮する必要があります。
大スパン鋼構造物の安全性、品質、長期性能を確保するには、専門的なエンジニアリング設計、正確な鋼材の製造、厳格な品質検査、および綿密に計画された設置手順が不可欠です。
