ビス止め湾曲重ね板構造の強度計算方法の確立

• 研究課題/領域番号: 13460073
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 林産学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 太田 正光 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 教授 (20126006)
• 研究分担者: 青木 謙治 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助手 (90313072) ; 安藤 直人 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助教授 (90125980)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 13,600千円 (直接経費: 13,600千円); 2002年度: 4,400千円 (直接経費: 4,400千円); 2001年度: 9,200千円 (直接経費: 9,200千円)
• キーワード: 薄板 / ビス止め構造 / 湾曲重ね板構造 / シェル構造 / 幾何学的非線形性 / 有限要素法 / ニュートン・ラプソン法 / 変形挙動 / 大変形

研究概要

厚さ2〜3cm,幅10〜20cm程度の長尺板材を構成要素として、複数枚重ねてビス止めしてえられる湾曲シェル構造は、少ない費用で大きな面積をカバーすることのできる優れた構法であるが、その強度性能の発現機構には不明な点も多い。本研究では、模型実験と数値解析的手法で、本構造の強度性状ならびに変形挙動を解析した。
模型実験では、長さ200〜450cm、厚さ2〜3mmのスプルース材長尺薄板を湾曲させ、スパンを120〜400cmで両端をピン固定した。支持端の一方は、スライド・ガイドの上に載せ、ロードセルを介して支え水平分力を測定した。5層までの湾曲ビス止め構造に対して、全て長尺の試験体を用いたもの、奇数層のみ長尺材で、ビス位置に直交層相当の板材を介したもの、前記のものにさらにスペーサーを入れ隙間を埋めたものの3種類の構造の力学変形特性を詳しく調べた。これにより、ビス止めによる重ね梁では、一体構造のものに比べて、3層構造で75%、5層構造で38%程度の剛性しか発揮できないことが判明した。また、スペーサーを入れたものは入れないものに比べて大きな強度増強効果を発揮することが明らかとなった。スペーサーを欠くと、個々の層が薄いので、負荷時に座屈現象が発生するのが原因であると思われた。
構造体として出来上がったシェル構造に対しては、既存の有限要素法によっても解析することが可能であるが、自重で曲がるような薄板を湾曲させて固定し、これに負荷したときの効果を内包するような解析はむずかしい。本研究では、幾何学的非線形性を考慮した、ニュートン・ラプソン法による大変形対応の有限要素法プログラムを作成し検討した。荷重-たわみ曲線、たわみ形状、モーメント分布等に関して、実験結果をかなり良く再現できることが判明した。これらのことから本手法が、ビス止め湾曲重ね板構造の解析にかなり有望なものであることが明らかとなった。