この記事では、トラス構造についてご紹介いたします。

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トラス構造とは

トラス構造とは、部材をピンでとめて三角形を作り、その三角形の集合体によって建築物を作る形式のことを指します。
主に、木材や鋼鉄などで作られます。
橋梁やドーム、屋根組みなどで使用されることが多いです。

トラス部材の名称

・上弦材
トラス上部を構成する勾配を持った部材のことです。
・下弦材
トラス下部にある部材です。
屋根組等の場合、天井面を構成する部材となります。
・束材
トラスの内側を構成する部材です。
・軒の出
屋根で軒先を構成する部分です。
上弦材が支持点よりも外側に伸びています。

ラーメン構造との違い

トラス構造と逆の考え方をしているのが、ラーメン構造と呼ばれる形式です。
ラーメン構造は、柱と梁を剛接合することで一体化させます。
そうすれば地震等が起きても一体化して抵抗するため、強くなるのです。
通常、四角形は弱い形とされています。
しかし剛接合などの工夫をすることで、耐震構造にもなります。
トラス構造のような斜材が不要なので、空間を広く取れるが特徴です。
トラス構造は三角形、ラーメン構造は四角形と覚えるのが簡単です。

トラス構造の種類8つ

トラス構造は基本的に三角形で構成されますが、さまざまな種類の構造があります。
ここではトラス構造の種類とそれぞれの特徴を紹介します。

プラットトラス

斜材が中央に向かって下向きになっている構造のことを指します。
長い斜材は引張力、短い垂直材は圧縮力を受けるとされます。
斜めの部材の鋼材は簡素化することが可能なため、より効率的な設計が可能です。
また構造のコスト削減や、自重を減らすことにより、構築性を容易にできます。
水平スパンに最適とされています。

Kトラス

プラットトラスを少し複雑にした構造をしています。
垂直メンバーが短くなっているのが特徴です。
これにより、座屈に対する体制が向上するとされています。
やや複雑な構造のため、その場所に合った構造であるかしっかりチェックが必要です。

ウォーレントラス

斜材が上向き、下向きと交互になっているトラス構造です。
構造がスパン荷重を受けている場合は、負荷を均等に分散できます。
他の種類に比べて剛性が大きく、使用する鋼材が少ないことから構造上有利とされています。
このため鋼トラス橋などに用いられることが多いです。

直弦トラス

上下弦材が並行しているものを指します。
平行弦トラスとも呼ばれます。

曲弦トラス

上下弦材が水平でないトラスのことです。
スパン60メートル以上のものは部材の応力が小さくなるとされ、最近ではあまり使用されていません。
そのため古い構造物に良く見られます。

ハウトラス

プラットトラスと似ていますが、斜材の向きが異なります。
ハウトラスは、斜材が圧縮材として機能するのが特徴です。
主に木造トラスに多く見られる構造とされています。

フィンクトラス

既存のトラス構造に、さらにトラス構造を用いて補強したものです。
フィンクトラスの派生したものに、ダブルフィンク等があります。
ダブルフィンクは、両側でパターンを2回繰り返すフィンクトラスを指します。

ガンブレルトラス

中心から傾斜が急になるのが特徴のトラス構造です。
外に突き出た形状となっているため、中空のセンターを取り付けるのに適しているとされます。
派生物に「マンサード屋根」があり、フランスで人気なことから「フランス屋根」とも呼ばれています。

トラス構造の利点2つ

トラス構造の利点は2つありますが、三角形の形状による強い構造と部材にかかる負担が少なくなる特徴です。

三角形で作られた構造は四角形で作られた構造よりも変形しづらいので強度が高くなります。横方向からの力に、三角形は変形しにくく四角形はたわみやすいのです。

この三角形の剛性の高さをいかしているのが、トラス構造です。トラス構造では三角形を構成する部材をピン結合しますが、曲げモーメントに強くなるので部材にかかる負担が少なくなります。

非常に強い構造

トラス構造の三角形を構成するのは直線材となっていて、両端をピン接合して作られます。部材の両端がピン接合されると曲げモーメントがゼロになり、曲げに伴うせん断力がゼロになります。

トラス構造には軸力しか生じないため部材の中間に外力、荷重が作用しなくなります。部材の中間に力が作用することがないので、部材を細く作成することが可能になります。もちろんトラス構造の部材にも重さがあるので、その分の曲げの力が働いています。

部材にかかる負担が少ない

構成する部材にかかる負担が少ないことは、トラス構造のメリットです。構成する部材断面を小さくできますので、構造材料のコストが下げられるでしょう。

部材断面は小さくできますが、トラスそのものを1つの梁部材としたときに強度の高さを生かせますので、大スパンにしてもたわみの問題を解消してくれます。

トラス構造の弱点

トラス構造とは、軽量で強固な建築物や橋梁を作るのに向いている構造ですが、長所ばかりではなく弱点があります。部品の種類が多くなることから、その組み立てに手間がかかってしまうのです。

また、製造部品にもコストがかかってしまう可能性があります。

手間がかかる

トラス構造はその構造上、組み立てに必要な部品の種類が上弦材・下弦材の横材、束材の縦材、そして斜材の4種類ありますので、施工の手間がかかってしまいます。また、それらの材料を生産するためにコストもかかる施工法でしょう。

さらに、トラス構造とは三角形をしていて、さまざまな角度で材料の部品が結合されますから、その施工にかかる手間も多くなってしまいます。

トラス構造を採用した事例

トラス構造とは基本的に丈夫な構造であるため、採用することで建築物の信頼が高まります。三角形の構造のため、曲げる応力などの力を軸力のみに単純化して変形に抵抗します。

身近な建物でもこの特性をいかした建築物は多く見られますが、有名な事例として、東京スカイツリーや東京ゲートブリッジがあります。

東京スカイツリー

トラス構造を採用した建築物で有名なのが、東京スカイツリーです。デジタル放送の開始などで、それまで使用されていた東京タワーよりも高さを持つ電波塔の必要性が高まる中、600mをこえる電波塔として誕生しました。

当初から軽量で堅牢な構造を持たせるために、トラス構造で建設されたそうです。高さは634mあり、開業日は平成24年5月22日でした。

東京ゲートブリッジ

トラス構造を採用した有名な橋梁が、東京ゲートブリッジです。東京ゲートブリッジは羽田空港そばに建設されたため、航空機の運用に邪魔のない98.1mの高さに抑えながら、橋の下を船舶が航行できるよう、桁下高を54.6m確保するように設計されています。

この制限の中で、堅牢な橋として建設するためにトラス構造が採用されています。全長は2,618mあり、下の船舶用の航路幅も310m確保されています。平成24年2月12日に開通しました。

トラス構造の利点を把握しよう

トラス構造は、構成する部材をピン接合で三角形を作り、その集合体で形成するので強度のある建築物や橋梁が造れます。そしてある程度大規模の建築物は、多くが鋼鉄で作られています。

三角形が基本の構造なので、構成する部材の間に作用する力は軸方向力だけで、構造的な安定度が極めて高くなっています。その長所をいかして大規模な屋根構造が可能です。

また、部材にかかる負担が少ないので、細い部材でもトラス構造を構成でき、軽量に仕上げられます。

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