大スパン鋼製スペースフレーム構造

基本的な製品の定義

1. 一般的な定義

鉄骨構造の設計基準 (GB 50017) によれば、スパン 60 メートル以上の空間グリッド屋根構造は、大スパン鋼製スペースフレーム構造として分類されます。これらは、鋼製の管状部材と球状ジョイントから四角錐や三角錐などの幾何学的システムに組み立てられます。これらは静的に非常に不定な空間システムであり、荷重が全体的に分散され、部材は主に軸方向の引張または圧縮を受けます。全体的な剛性が高く、柱のないオープンなスペースを生み出すため、スタジアム、展示センター、高速鉄道の駅、石炭貯蔵庫、空港ターミナルなどに最適です。

2. 具体的な定義：スペースフレーム財団（サポート財団）

スペース フレーム基礎は、スペース フレームのベアリングをサポートし、上部構造からのすべての荷重 (軸力、せん断力、曲げモーメント、水平力、および地震力) を地面に伝達する下部構造 (通常はコンクリートまたは杭ベース) です。それはスペースフレームの構造基盤として機能します。

· 構造的特徴: 垂直方向の圧力、水平方向の推力、揚力、トルクを受けます。埋め込み部品の沈下、隆起、配置などに非常に高い精度が要求されます。

· 主要な管理ポイント: 不同沈下は、スペース フレームの接合部での亀裂や部材の不安定性を直接引き起こす可能性があり、大スパンのスペース フレームの成功または失敗の重要な要因となります。

3. 共通空間フレーム用語の区別

・スペースフレーム本体：上部空間グリッド構造（部材＋球面ジョイント）。

· スペース フレーム ベアリング: スペース フレームを基礎に接続する荷重伝達コンポーネント。

· スペースフレーム基礎: ベアリングの下にある鉄筋コンクリート構造、パイルキャップ、または独立した基礎。

完全なシステム構成

パート 1: 上部スペースフレームメインシステム (主要な耐荷重構造)

1. 構造システム（主流オプション）

· 直交四角錐スペース フレーム: 最も広く使用されています。均一な剛性と便利な屋根設置を提供します。長方形のフットプリントに推奨される選択肢です。

· 斜め四角錐スペースフレーム: 優れた構造性能とわずかに低い鋼材消費量。中～大スパンに適しています。

・三角錐スペースフレーム：高い空間安定性。円形または多角形のフットプリントに適しています。

· 溶接ボール スペース フレーム: 重荷重、超大スパン (80 m 以上)、重い屋根システム、および高荷重条件に適しています。

· ボルト締めボール スペース フレーム: 軽い荷重と標準的な大きなスパンに適しています。工場でのプレハブ、現場での組み立て、迅速な建設が特徴です。

2. 主要材料構成（標準仕様）

・部材：シームレス鋼管またはストレートシーム溶接管。材質: Q355B (大スパン用の主流)。共通仕様：Φ114×4、Φ140×6、Φ159×8、Φ219×10。 Q235B はより小さなスパンに使用できます。

・ジョイントボール：

o ボルト締めボール: Φ200–Φ400;壁の厚さ ≥12mm;材質：Q355B。

o 溶接ボール: Φ250–Φ500;壁の厚さ ≥14mm;内部補強リブが含まれています。

・コネクター：グレード10.9高力ボルト（スペースフレーム専用）。適合する円錐形ヘッド、エンドプレート、スリーブ、および固定ネジが含まれています。

3. 屋根とエンクロージャのコンポーネント (完全な屋根システム)

・屋根パネル：立継目アルミニウム・マグネシウム・マンガンパネル、異形カラー鋼板、採光パネル（局所的）。

・屋根二次構造：C/Z形鋼製母屋（Q355B溶融亜鉛メッキ、塗装厚さ≧80μm）、屋根タイロッド、支柱。

・防水と断熱：ロックウールまたはグラスウールの断熱層、防水通気膜、側溝、縦樋、棟キャップ。

パート II: スペースフレームベアリングシステム (上部構造と下部構造の間の荷重伝達用コア)

ベアリングは、スペースフレームとコンクリート基礎の間の唯一の荷重伝達ノードとして機能します。長スパン構造の選択は、特定の負荷要件に基づいて行う必要があります。

1. 平板圧縮ベアリング: 垂直方向の圧縮のみに耐えます。エッジサポートや水平力が低い領域に使用されます。

2. 一方向/双方向滑り軸受: 熱応力を軽減し、熱膨張/収縮に対応します。ロングスパンのスペースフレームには欠かせません。

3. ヒンジベアリング（球面ヒンジベアリング）：回転と多方向の力の伝達を可能にします。コーナー、高い水平力がかかるエリア、厳しい耐震要件があるゾーンで使用されます。

4. 引張軸受（耐浮き上がり軸受）：軒、カンチレバー、風の吸い込みが大きい箇所に使用され、スペースフレームの浮き上がりを防止します。

ベアリング付属品：ベースプレート、補強リブ、アンカーボルト、調整シム（レベリングおよび高さ調整用）。

パート III: 下部基礎システム

選択は地質条件、スパン、荷重分類に基づいて行われます。長スパン構造の一般的な選択肢は、杭と杭とキャップの組み合わせです。

I. 一般的な財団のタイプ

1. 鉄筋コンクリート製独立基礎: スパン 60 ～ 80m、良好な地質条件、中程度の荷重。

2. ストリップ基礎 (連続基礎): 細長いスペースフレーム、連続サポート、高い水平耐力要件。

3. パイルキャップ付き杭基礎（長スパンに推奨）：スパン 80m を超える、軟弱地盤の基礎、重荷重、高震度帯。

o 杭の種類: 穴あき場所打ち杭、プレキャスト管杭。

o パイルキャップ: 正方形/長方形の鉄筋コンクリート製パイルキャップ (C30/C35 コンクリート)。

4. いかだ基礎: 非常に大きな表面積、複雑な地質条件、不同沈下を制御するための厳しい要件を備えたプロジェクト。

II.コア基礎構造と組み込み部品

1. コンクリート強度：パイルキャップ・基礎本体 C30～C35。目隠しコンクリートC15;

2. 基礎埋め込み部品:

o サポート用の埋め込み鋼板: 厚さ 16 ～ 20 mm、パイルキャップ補強材に溶接。

o 埋め込みアンカー ボルト: スペース フレームのサポートを固定します。 Q355 スチールボルト、ナットとベアリングプレートを完備。

3. 精度管理（大スパン構造物の必須基準）：

o 軸の偏差 ≤ ±5 mm。

o 上面の高さの偏差 ≤ ±3 mm。

o 同じスパン内のサポート間の高さの差 ≤ 2 mm。

パート IV: 固定システムと安定システム

大スパンの鋼製スペースフレーム構造には、かなりの高さとかなりの水平力 (風、地震) がかかります。包括的な安定性システムが必須です。

1. 内部スペース フレーム ブレース部材: 上弦と下弦の間の垂直/斜めのウェブ部材 (スペース フレームに一体化)。

2. 柱間ブレース: コンクリート柱間の横ブレース (山形鋼または鋼管) で、縦方向の水平力に抵抗します。

3. 屋根の水平ブレース: 上弦材の平面内の水平タイロッドと斜めブレースで、剛性の高い屋根ダイアフラムを形成します。

4. 軒端と妻端のスペース フレーム: 端を閉じ、全体の剛性を高め、風荷重に耐えます。

5. ニーブレース/タイロッド: 母屋の横方向安定コンポーネント (軽量鋼屋根と同じロジックに従う)。

パート V: 防食、防火、および避雷システム

1. 防食

・工場製部品：全体溶融亜鉛メッキ（亜鉛メッキ厚さ≧85μm）。沿岸地帯または化学工業地帯の厚さの増加。

· 現場溶接および補修溶接領域: 錆除去のための研磨ブラスト + エポキシ ジンクリッチ プライマー + トップコート。

· 球状ノードとボルト: 工場で亜鉛メッキ。コーティングを損傷する現場での切断は禁止されています。

2. 防火

· 建物の防火等級に基づいた特殊な難燃性コーティング（超薄または薄膜タイプ）の適用。耐火性評価は 1.0 時間から 2.0 時間。

・サポート、埋込部品、ボルトの塗装には特に注意してください。 3. 雷保護

·スペースフレームのトップコードはエアターミネーションシステムとして機能します。

·サポート、アンカーボルト、基礎補強材を介して形成された引下げ導体。

·接地電極は基礎内に設置され、建物の主要な雷保護ネットワークに接続されます。

パート 6: 導入および構築サポート

1.設置方法：高所でのピースバイピースアセンブリ、モジュラーホイスティング、一体型リフティング、累積スライド（大スパンの主流）。

2.コア機器：トータルステーション、レベル、トルクレンチ、油圧昇降/スライドシステム、大型クレーン、ガントリークレーン;

3.補助材料：高力ボルト用の特殊潤滑剤、シーラント、シム、仮支持フレーム、支線。

完全なコンポーネントリスト

1.上部スペースフレーム：鋼管部材+ボルト締め球/溶接球+高力ボルト+円錐頭/エンドプレート;

2.屋根システム: 屋根パネル + C/Z 母屋 + 断熱材と防水 + 雨樋と縦樋;

3.耐荷重サポート：固定/スライド/球状/耐浮き上がりサポート+アンカーボルト+埋め込み鋼板。

4.下部工・基礎：独立フーチング・ストリップ基礎・杭頭（鉄筋＋コンクリート＋埋込部）

5.安定性ブレース：柱間ブレース、屋根水平ブレース、切妻端スペースフレーム;

6.保護システム: 溶融亜鉛めっき (防食)、耐火コーティング、避雷および接地;

7.設置補助具：仮設サポート、吊り上げ装置、測量機器、固定金具。

標準軽量鋼屋根と大スパン鋼製スペースフレーム構造

・軽量鋼製標準屋根：主に門形ラーメン屋根。スパン < 60m;空間グリッド システムが欠如している。

·大スパン鋼製スペースフレーム構造: スパン ≥ 60m。空間グリッド構造。一体的な空間的耐荷重作用に依存します。基礎、サポート、精度に対する要件は、軽量鉄骨構造の要件よりも大幅に高くなります。

主な利点

1. 非常に大きなスパン機能により、柱のない設計が可能になり、内部スペースを最大限に活用できます。

2. 三次元構造挙動により、荷重がバランスよく分散され、地震力や風圧に対する優れた耐性が得られます。

3. 軽量でありながら剛性がある。全体的な変形やたるみに強い構造となっています。

4. 工場で組み立てられたコンポーネントにより、現場での迅速な組み立てが可能になります。

5. 柔軟な形状により、平面、曲面、球形、不規則なドームなどのさまざまな形状がサポートされます。

6.安定した耐久性のある構造。耐食処理が施されているため、耐用年数が長くなります。

差別化されたハイライト

I. 構造性能の利点

1. 3 次元の荷重分散: ポータル フレームやソリッド ウェブ ビーム (曲げやせん断の影響を受ける) とは異なり、スペース フレーム内の部材は主に軸方向の張力と圧縮を受けます。これにより、材料が効率的に利用され、自重が軽減されます。特大スパンからの荷重はサポート全体に均等に分散され、点荷重が最小限に抑えられ、基礎コストが削減されます。

2. 高度に静的に不定な構造: 大幅な安全冗長性を提供します。単一のメンバーの障害が全体的な崩壊を引き起こすことはありません。地震、風、雪、不等沈下に対する耐性においては、平面トラスや門型フレームよりも優れており、競技場、石炭貯蔵庫、空港ターミナルなどの主要な公共建築物に最適です。

3. 無柱大空間：60～150メートルのすっきりしたスパンを簡単に実現。対照的に、門型フレームの経済的なスパン制限は通常 36 メートル以下であり、大スパンの鋼製トラスは費用対効果に欠けていることがよくあります。スペースフレームは、遮るもののない、柱のない広大なインテリアを提供します。

II.材料とコストのハイライト

1. 同等スパンの鋼材消費量の削減

大スパン用途の場合、投影面積単位あたりの鋼材消費量は、鋼製トラスやソリッドウェブ屋根梁よりも少なくなります。ボルト締めボールスペースフレームは、標準化された工場での大量生産と、主要材料（鋼管と鋼球）の大量調達による低コストの恩恵を受けています。

2. 幅広い負荷適応性

軽量のガラス屋根から頑丈な乾炭小屋や機器を搭載する屋根まで、幅広い用途に適しています。材料の選択は、コストを制御するために柔軟に調整できます。軽い負荷には Q235 鋼を使用し、重い負荷には Q355 を使用します。

Ⅲ．生産と加工のハイライト

1. 標準化された工場で組み立てられたボルト固定ボール スペース フレーム: 鋼管部材は所定の長さに切断され、コーン ヘッドとエンド プレートが事前に組み立てられ、鋼球のタップ加工がすべて作業場内で行われ、その後仕分けされて梱包されます。現場での作業は高力ボルトの組み立てと締め付けのみで、溶接は最小限に抑えられます。対照的に、トラスや剛フレームでは、現場での大規模な接合や溶接が必要になることがよくあります。

2. 部品の高い汎用性：シングルスペースフレームは、限られた範囲のボール、ボルト、鋼管の仕様を利用し、部品の高い互換性を保証します。これにより、量産、在庫管理、将来のメンテナンスや交換が容易になります。

IV.構造と設置の違い

1. 柔軟で多様な設置方法：高所でのピースバイピース組立、ブロック昇降、一体油圧昇降、累積スライドなどのさまざまな技術により、大スパン、超高所、または狭い場所での施工が可能になります。逆に、ポータルの剛フレームとトラスは、クレーンの動作半径によって大幅に制約されます。

2. 制御可能な建設速度: 工場での製造と現場での組み立てを同時に行うことで、プロジェクト全体のスケジュールを短縮します。大規模な現場溶接が不要なため、探傷や防食の手直しの必要性が軽減されます。

V. 屋根と建築形式の利点

1. 高い成形性：長方形、円形、楕円形、球形、二重曲面などの形状が可能です。剛性フレームと平面トラスでは、大きなスパンの湾曲した屋根を作成するのが難しいため、スペース フレームは展示センターやスポーツ スタジアムなどのユニークな形状の構造物に最適です。

2. 便利な屋根レイアウト: 上弦節点が均一かつ規則的に配置されているため、母屋、屋根パネル、天窓ストリップを整然と配置することが容易になります。これにより、屋根囲いの構造が簡素化され、排水システムと天窓のレイアウトの設計における柔軟性が向上します。

VI.耐久性の利点: 防食性と防火性

1. 細く均一な部材と成熟した溶融亜鉛めっき：鋼管と鋼球は、構造部分に見られる「デッドゾーン」がなく、工場内で完全に溶融亜鉛めっきを行うことができるため、H 形ラーメンフレームと比較して優れた耐食品質が得られます。これにより、沿岸環境や化学腐食環境において、耐用年数が大幅に向上します。

2. 難燃性コーティングの簡単な塗布: 個別の部材と管理可能な表面積を備えた薄膜難燃性コーティングの塗布は、大きな固体ウェブの梁や柱をコーティングするよりも材料効率が高く、迅速に塗布できます。

VII.建設後のO&Mのハイライト

1. 軽量で屋根のメンテナンス負担が少ない。メンテナンス通路のシンプルなレイアウト。

2. 明確な構造挙動。屋根の大規模な解体や改造を行わずに、損傷した個々の部材を特定の箇所で交換できるため、メンテナンスコストが低くなります。

Ⅷ.競合システムとの簡単な比較

1. ポータルリジッドフレーム: 中小規模のスパンに適しています。平面的な構造挙動。屈曲部材に依存します。低コスト; 36mを超えるスパンでは費用対効果が急激に低下します。

2. 鋼製トラス: 平面構造挙動。横方向の剛性が弱い。大きなスパンに対する高い自重。現場での大規模な溶接が必要です。

3. 鋼製スペースフレーム: 空間構造挙動。超大規模スパンに推奨される選択肢。高い剛性;柔軟な形状。高い安全マージン。

標準的な製造プロセス

I. 鋼球の製造工程

1. 切断と鍛造：丸棒鋼材を鋸で切断し、中周波加熱して粗鋼球ブランクに鍛造します。

2. 機械加工：図面に従って球面旋削→インデックスボール盤を使用してボルト穴の多角度穴あけとタップ加工を行います。

3. 検査と NDT: ねじ山検査。亀裂を検出するための磁粉試験 (MPT)。

4. 耐食性：全体に溶融亜鉛メッキ。

溶接ボール: 鋼板を 2 つの半球にスタンピング → 面取り → 内部リング補強材の組み立て → 半球を接合するためのサブマージ アーク溶接 → NDT → 研削 → 亜鉛メッキ。

II.スペースフレーム部材の製作工程

1. 鋼管切断: CNC 鋸を使用したシームレスまたは溶接パイプの定長切断。溶接収縮の許容値を含みます。平坦な端面。

2. コーンヘッドとエンドプレートの製造: 鍛造品を旋削して形状を整えます。

3. 組み立てと溶接: パイプ端のコーンヘッド/エンドプレートの事前組み立て。ツーリングによる位置決め。全溶け込みCO₂円周溶接。

4. 溶接 NDT: 重要な大スパン部材の超音波試験 (UT)。グレード II 溶接のスポットチェック。

5.矯正と錆取り：部材の矯正。 Sa2.5グレードまでショットブラスト。

6. 耐食性：全体に溶融亜鉛メッキ。

Ⅲ．高力ボルトアッセンブリの加工

1. 丸鋼の切断 → 焼き入れ焼き戻し → 外径旋削 → ねじ転造;

2. 硬さ検査、探傷、溶融亜鉛メッキ。適合するスリーブと止めネジの同時処理と亜鉛メッキ。

IV.工場での事前組み立て

1. 治具での試組立用に 1 ～ 2 個の標準ユニットを選択します。

2. ボール穴の位置合わせ、ボルトの挿入深さ、および部材の全長を確認します。

3. 現場での組立がスムーズに行えるよう、規格外部品の寸法を調整します。

V. 包装と分類

ゾーンおよび仕様ごとにコンポーネントに番号を付けます。部材、鋼球、ボルトは別々に梱包してください。軸番号をマークします。

VI.現場での組立手順

1. 測量とレイアウト;サポートのレベリングと位置決め。

2.施工計画に基づいた施工：高所でのピースごとの組み立て/ブロック吊り上げ/一体吊り上げ。

3. 最初に下弦のボールと部材を組み立てます→ウェブ部材を取り付けます→上弦を組み立てます。トルクレンチを使用してグレード 10.9 の高力ボルトを締めてトルクを設計します。

4. サブアイテムの検査、溶接部の防食コーティングのタッチアップ、および耐火コーティングの塗布。

注: 溶接ボールスペースフレームの違い

現場での接合部の完全溶け込み溶接。すべての溶接パスの探傷。高力ボルトの締め付け工程がありません。

主要なパフォーマンスパラメータ

I. 主要コンポーネントの幾何学的仕様

1. スペースフレーム鋼管部材 (Q235B/Q355B; 大スパンには Q355B が推奨)

共通パイプ径×肉厚：φ60×3.5、φ76×4、φ89×4、φ114×4、φ140×6、φ159×8、φ180×10、φ219×10

完成部材長さ：1.0m～3.5m（標準グリッドサイズ：1.5m～3.0m）

製造真直度公差: ≤L/1000;端面直角度偏差：≦0.5mm。

2. ボルトで固定された球体

球径：Φ100、Φ120、Φ140、Φ160、Φ180、Φ200～Φ400、

壁の厚さ：12～20mm。球面のねじ穴の角度公差: ±15'。

3. 関連するファスナー

グレード 10.9 高力ボルト: M12、M14、M16、M20、M22、M24、M27、M30。付属品: スリーブ、コニカルヘッド、エンドプレート、止めネジ。

4. サポートプレート

ベースプレートの厚さ：16〜30mm。補強板の厚さ：12～20mm。埋め込みアンカーボルト：Q355。

II.材料の機械的特性

Ⅲ．構造耐荷重性能

1. 耐荷重特性: 大スパン鋼製スペースフレーム構造のすべての部材は軸方向の張力または圧縮を受けます。屈曲部材はありません。それは静的に非常に不定な構造です。個々のメンバーの失敗が全体の崩壊を引き起こすわけではありません。

2. 代表的な適用スパン

1. ボルト固定球体スペース フレーム: 12m ～ 80m。

2. 溶接球スペースフレーム: 50m ～ 180m (超大スパンおよび重荷重用)。 3. 一般的な屋根荷重値: 死荷重 0.30 ～ 0.80 kN/m²。活荷重 0.5 ～ 1.0 kN/m²。頑丈な構造物 (例: 乾燥した石炭小屋) は 2.0 kN/m² を超える場合があります。

4. 熱変形: 熱膨張/収縮応力を緩和するために、一方向に 60 m を超えるスパンにはスライド サポートを設置する必要があります。

IV.溶接および探傷の基準

1. 部材とコーンヘッド間の円周溶接: グレード II 溶接。重要な長スパン部材に対する 100% 超音波試験 (UT)。標準メンバーの場合は 20% のランダム サンプリング。

2. 溶接球の突合せ溶接: グレード II 溶接。重要なプロジェクトの 100% 欠陥検出。

V. 防食パラメータ

1.工場完成品：溶融亜鉛メッキ。亜鉛コーティングの厚さ ≥85 μm (海岸腐食地帯の場合は ≥120 μm)。

2. 損傷箇所の現場補修：Sa2.5グレードまでのサンドブラスト→エポキシジンクリッチプライマー+中塗り+上塗り。乾燥膜の総厚さ ≥120 μm。

VI.防火パラメータ

公共の建物や産業プラントの場合は、必要な耐火等級 (耐火限界 0.5 時間、1.0 時間、1.5 時間、または 2.0 時間) に基づいて、薄膜または超薄膜の膨張性難燃性コーティングを塗布します。コーティングの厚さは関連規格に準拠する必要があります。

VII.インストール制御パラメータ

1. サポート軸の偏差 ≤±5 mm;サポート上面高さ ≤±3 mm;隣接するサポート間の高低差 ≤ 2 mm。

2. 高力ボルトの最終締め付けトルクは指定値を厳守する必要があります。ねじのかみ合い深さは設計図面に準拠する必要があります。

Ⅷ.参考鋼材使用量（投影面積当たり）

軽量採光屋根: 12 ～ 22 kg/m²

標準的な産業プラントおよび会場: 22 ～ 35 kg/m²

重機を支える頑丈な乾炭小屋と屋根: 35 ～ 60 kg/m²