発泡硬化性樹脂を充填した金属張力膜パネルに関する研究－ 小規模試験体による実験的検討 －岡 日出夫 *
宮崎 賢一 **

梗概

空間骨組構造の屋根仕上げシステムとして、初期張力が導入された金属製薄板と発泡硬化性樹脂から構成される、金属張力膜パネル部材の提案を行う。本システムの特徴は、発泡硬化性樹脂を充填する際に作用する樹脂の膨張圧力を意図的に利用して表面の金属膜にむくりと初期張力を導入し、両者を一体化している点にある。本論ではパネル部材の実現性、及び、基本特性を確認するために行った小規模試験体の発泡ウレタン樹脂充填実験と、加力実験の結果について報告する。

１．緒 言
1.1 研究の概要
主に鉄骨系の空間骨組構造における屋根仕上げ材の構成として、屋外表面側はステンレスやチタン等の金属製のシート材で葺き、屋内側は断熱性能や音響性能を確保するために木毛セメント板等の各種ボード類を何枚か重ねて構成されることが多い。通常これらの屋根葺き材やボード類自身に大きな面外剛性はないため、図 1 に示すように母屋材や小梁といった、いわゆる二次鉄骨部材を比較的狭いピッチで配置して、パネル材としての面外剛性を確保しているのが一般的である。
こうした屋根仕上げシステムの場合、特に大規模なドーム構造では顕著になるが、二次鉄骨を含めた仕上げ材の重量は、屋根全体重量の 1/3～1/2 程度も占めることとなり、非常に重い屋根構造となっている。また、３次元的な曲面屋根では、構造材と仕上げ材との納まりや取付けディテールも複雑となり、品質管理上の問題点も多い。
著者らは文献 1)において、上記二次鉄骨部材を削減し屋根重量の低減を図ることを主目的として、金属製の薄板と発泡硬化性樹脂から構成される、一種の金属張力膜パネル部材の提案を行っている。
本論では、同パネル部材の実現可能性、及び、基本特性を確認するために行ったいくつかの実験的検討の結果について報告を行う。
* （株）竹中工務店技術研究所 修士（工学）** （株）竹中工務店技術研究所 博士（工学）

仕上げ材構成の一例
仕上げ材
仕上げ材

ステンレス板
アスファルトルーフィング
硬質イソシアヌレートボード
ゴムシート
亜鉛鉄板
耐火木毛板

母屋材
母屋材
母屋受材
母屋受材

二次鉄骨

構造フレーム構造フレーム図 1 一般的な屋根仕上げの構成概念図

1.2 パネル部材の構成と原理
本研究で検討対象とするパネル部材は、対向して配置した上下２枚の金属製薄板の間に発泡硬化性の樹脂を充填したものであり、樹脂を充填する際に作用する膨張圧力を意図的に利用して表面の金属膜にむくりと初期張力を導入し、両者を一体化している点に特徴がある。本システムの概念
図を図 2 に示す。
金属製薄板を張力膜に使用したシステムとしては、空気膜構造に事例 2), 3)が見られる。本研究のパネル部材は、薄板に所定の剛性を付与する手段として、空気膜構造の空気圧の替わりに樹脂の膨張圧力を利用したものと見ることが膨張圧力の作用

初期張力の導入
初期張力の導入

樹脂と薄板との一体化
樹脂と薄板との一体化構造フレーム構造フレーム図 2 本研究のパネル部材の概念図

1,200

押えプレート（t=3mm）

SUS304（t=0.4mm）
シーム
シーム
溶接線
溶接線

木フレーム50

伏図
伏図

充填口
充填口

SUS304（t=0.4mm）
シーム
シーム
溶接線
溶接線
押えプレート（t=3mm）

1,20050

側面図
側面図

図 3 実験試験体の概要
A

シーム溶接
シーム溶接

25２．120ｃｍサイズ試験体の発泡ウレタン樹脂充填実験
2.1 充填実験の概要
前章で述べたパネル部材の実現性、及び、基本特性を確認するために、小規模試験体を用いて発泡硬化性樹脂を充填する実験を行った。
実験に用いた試験体は、内法一辺が 1,200mm の正方形型パネル試験体であり、厚さは 25mm とした。試験体の構成は、木の角材で正方形のフレームを組み、その表裏より２枚のステンレス鋼板（材種 SUS304、板厚 0.4mm）を貼り合わせ、鋼製の押えプレートを介してボルトで縫って一体化したものである。試験体の概要を図 3 に示す。
文献 1)では、一辺 600mm の正方形型パネル試験体について同様の実験を行ったが、鋼板は継ぎ目のない１枚物の薄板材（材種 SUS304、板厚 0.3mm）を使用した。しかしながら大空間構造用のパネルサイズを想定すると、複数枚の薄板同士を接合して大型パネル部材を形成することが必要となる。従って、今回の実験では薄板同士の接合方法の検討も兼ねて、図 3、4 に示すように試験体中央部にシーム溶接線を設けた鋼板を用いることとした。シーム溶接部は、縁部 25mm 程度を 90 度折り曲げたステンレス鋼板２枚を突合せてシーム溶接し、再度折り倒したものである。なお、試験体組み立て時には、この溶接線折り倒し部をパネルの内側に向けたものと外側としたものの、２タイプについて製作することとした。
発泡硬化性樹脂については、一般に流通している２液性の硬質発泡ウレタン樹脂とし、パネル試験体への充填は、木フレーム材の側面に設けた充填口より専用の発泡機械を用いて行った。ウレタン樹脂の充填量については、別途、実施した予備実験の結果から、パネルの内部空間をほぼ満たすことのできる下限の樹脂量（27.4N）を求め、これを目金属製薄板
金属製薄板

発泡硬化性樹脂の充填
発泡硬化性樹脂の充填25できる。空気圧の場合には、ポンディングや維持管理の問題が必ず付きまとうが、本システムではそうした配慮が不要である点においてメリットが大きいと言える。
また、発泡性樹脂を構造材料として利用する方法としては、ワイヤー材で樹脂に初期応力を与えて系の安定化を図った構造システム 4), 5)や、サンドイッチ構造 6)の心材として使用する方法等を挙げることができる。現在広く実用化されている建材用の各種サンドイッチパネル材は、一般に面外剛性が小さく、また、一枚のパネルとしての大きさも比較的小さいものに限られるため、大空間屋根の仕上げ用パネル材としては不向きな点が多い。
本研究で対象とするパネル部材は、表面膜材である金属製薄板に積極的にむくりを付けることによるシェル的な立体抵抗効果と、初期張力導入に伴う幾何剛性が付加されるため、一般のフラットなサンドイッチ平板と比較して剛性は大きく向上するものと予想される。また、パネルを大型化しても重量の増加が小さい点と、比較的容易に初期張力を導入できる生産性の高さから、大空間構造物の屋根システムへの適用性は高いと考えられる。

溶接部
折り倒しA

伏図
伏図

A-A断面図A-A断面図

図 4 シーム溶接部の概念図
表 1 試験体の諸元
試験体名
溶接線折り倒し部の方向
ウレタン樹脂充填率

In-100In-120
パネル内側
100%
120%

25.0
36.0
12.3

厚み（mm）
初期容積（㍑）
標準ウレタン重量（N）
目標ウレタン充填量（N）
目標充填量／標準重量

Out-100 Out-120
パネル外側
100%
120%

27.4
2.22

32.92.67

27.42.2232.92.67※標準ウレタン重量： 初期容積に対し、ウレタン密度を（343N/m3）とと仮定したときのウレタン樹脂重量。
※目標ウレタン充填量： 予備実験により決定した充填量。

εy501,200〃 〃 200

標充填量と定めた。なお、この基準モデル（以下 100％充ゲージ
No.4(上面)、填と呼ぶ）に対し、２割増でウレタン樹脂を充填した 120％
C.L.
充填モデルについても比較のために実験を行うこととした。 No.10（下面） 〃 〃 〃 200
従って、実験パラメータとしては、シーム溶接線の折り倒
C.L.
し部の方向２種類とウレタン樹脂充填率２種類であり、試験体数は合計４体である。
C.L.
各試験体の試験体名と諸元を表 1 に示す。
ゲージ
実験時の計測項目は、ステンレス鋼板（上下２枚）のひ変位計
No.9（下面）
ずみ 12 箇所、及び、中央点の面外変形（下面）、並びに、発泡ウレタン樹脂の化学反応時における発熱の影響を見る
シーム溶接線
伏図
側面図
シーム溶接線 充填口
充填口
伏図
側面図
ためにステンレス鋼板（上面）の温度について計測を行った。計測時間は、鋼板の温度がほぼ初期温度に下がるまでひずみ
３軸ひずみゲージ （上下面）
εxの間とした。試験体における計測箇所（３軸ひずみゲージ、成分熱電対 （上面）熱電対、変位計）を図 5 に示す。
図 5 試験体の計測
2.2 充填実験の結果
各試験体に発泡ウレタン樹脂を充填した結果について、ウレタン
表 2 発泡ウレタン樹脂の充填結果
樹脂の充填量、ステンレス鋼板の最終的な面外変位、（ケージNo.4、
試験体名
In-100In-120 Out-100 Out-120No.10）の最大主ひずみ、並びに、発生した最高時の表面温度を表2
目標ウレタン充填量（N）
27.4
32.9
27.432.9に示す。
29.932.8
30.933.8
100％充填モデルの樹脂量が目標値よりも１割程度多めとなった ウレタン樹脂充填量(N)
対 目標値比1.091.00
1.131.03が、すべての試験体において概ね良好に樹脂の充填がなされ、鋼板面外変位（mm）
27.439.0
26.940.4には相応の面外変形が生じた。例として（Out-100）試験体の樹脂 最大主ひずみ（μ）
289357251264310493203239
充填後の状況を写真 1 に示す。ただ各試験体共、写真 2 のよ
最高温度（℃）
60.457.656.457.7
うにシーム溶接線に沿って鋼板が座屈する現象がみられ、※面外変位： 下面鋼板中央部。
薄板の接合方法に関しては今後に課題を残した。
※最大主ひずみ： 上段（上面ゲージNo.4）、下段（下面ゲージNo.10）。
充填後の時間経過に対する性状として、各試験体の鋼板（上面）温度の変化を図6 に、面外変位（下面、試験体中央点）の変化を図7 にそれぞれ示す。
実験は夏季に実施したため、鋼板の初期温度は30℃程度であったが、ウレタン樹脂の充填6～7 分後に最高60℃程度まで上昇し、初期温度に戻るまでに一時間以上を要している。温度変化の性状に関しては各試験体間で差異は見られず、また、最高時の温度も 60 ㎝
サイズ試験体1)と同等であった。
面外変位量については、各試験体共に充填の 4～5 分後に一度最大値を記録するが、最終的に最大値から2mm 程度を減じた変形が残留している。溶接線の内外の違いによる有意な差はなく、最終の面外変位は、100％充填モデルで 27.4mm、26.9mm（ライズ／スパン比
写真 1 ウレタン樹脂充填後の状況（Out-100）＝0.023、0.022）、120％充填で39.0mm、40.4mm（ライズ／スパン比1)＝0.033、0.034）の結果であった。
なお、60cm サイズ試験体 の100％充填モデルについてもライズ／スパン比は 0.023～0.027 の結果であり、むくり量の１つの目安としてはスパンの2～3％程度の大きさを想定しておけばよいと思われる。
図8.a,b には、計測終了時の（Out-100）、及び、（Out-120）の鋼板最大主ひずみの分布を示す。主ひずみは全体的に見て 200～300μ程度のオーダーであるが、ゲージの位置や上下の鋼板によって、その方向や大きさにばらつきがある。また、100％充填と120％充填モデルで、60cm サイズ試験体1)の時のように明確な差異は出ていな
い。以上のように、ひずみのパネル内の位置によるばらつきやその分布性状に規則性がみられない点、並びに、樹脂充填量に対する差
写真 2 溶接線周辺の鋼板座屈（Out-100）
異があまりない点等の原因は、先述したシーム溶接線周りを中心に発生した局部的な座屈を含む、鋼板の形状不整による影響が大きいものと考えられる。
面外変位とひずみの関係について考察すると、鋼板が平板状態から円弧形状に変形したと仮定し、その長さ変化から単純に伸びひずみ量を求めると 100％充填で1,340～1,390μ、120％充填で 2,814～3,020μとなるが、
図 8a,b から実測値は 100％、120％充填共に、せいぜい200～300μ程度である。また、図 9.a,b は、（Out-100）、及び、（Out-120）のひずみ（ケージ No.4,10、εx,εy）と同時刻の中央点変位の対応を表しているが、変位が15～20mm 以下辺りまでは、ひずみ値が不安定な挙動を示している。以上より、少なくともこの 15～20mm 程度の変位は、鋼板自身の初期たるみ（遊び）に起因する、いわゆる伸びなし変形であると判断される。
温度（℃）

80706050403020100

図 10.a,b には（Out-100）、及び、（Out-120）の鋼板ひずみ（ケージNo.4,10、εx）の時間変化を温度変化と共に示す。ひずみ変化（図 10 中：実測）を見ると、ウレタン樹脂充填の 3 分後辺りで一度極大値を記録した後、10 分後辺りにかけて減少するが、その後再び増加の方向に転じ、最終的には最初の極大値よりも大きなひずみが残留していることが分かる。この現象は、図7 の面外変形が充填10 分後以降にあまり変化していない点から判断して、鋼板の温度変化によって生じたものと考えられる。すなわち温度の低下に伴い鋼板は縮まろうとするが、ウレタン樹脂が拘束境界となって自由に縮まることができず、結果として引張ひずみが増大していると解釈できる。なお、図6 の温度変化にステンレス鋼板の線膨張係数（16.2μ/℃）を乗じて求めた熱ひずみ（図10 中：熱ひずみ）は、ウレタン樹脂圧力と鋼板応力度の変化に直接関係するひずみ（図 10 中：実測）よりも、一時的には大きく上回っていることが知れる。
変位（mm）

6050403020時間（sec）

10時間（sec）

00600

1,200 1,800 2,400 3,000 3,600 4,200

In-100In-120Out-100

0205

386

203

308309

264

281

充填口
充填口

Out-120239

290

136

72
シーム溶接線
シーム溶接線

充填口
充填口

下面鋼板
下面鋼板

213164
91

充填口
充填口
単位（μ）

357

シーム溶接線
シーム溶接線

上面鋼板
上面鋼板

図 8.a 鋼板最大主ひずみの分布（Out-100）

充填口
充填口単位（μ）

下面鋼板
下面鋼板

図 8.b 鋼板最大主ひずみの分布（Out-120）

ひずみ（μ）

400

152406シーム溶接線
シーム溶接線

上面鋼板
上面鋼板

Out-100

13973-12

シーム溶接線
シーム溶接線

In-120

図 7 鋼板中央点の面外変位の時間変化

102246214

1,200 1,800 2,400 3,000 3,600 4,200

In-100Out-120

図 6 鋼板温度の時間変化
251

600

ひずみ（μ）

400

300

300

200

200

100

10000-100-100
変位（mm）-200
05No.4-εx101520

No.4-εy253035No.10-εx4045No.10-εy

図 9.a 鋼板中央点変位とひずみの関係（Out-100）50

変位（mm）-200
05No.4-εx101520No.4-εy253035No.10-εx4045No.10-εy

図 9.b 鋼板中央点変位とひずみの関係（Out-120）50温度（℃） 80
800 ひずみ（μ）
70700
全ひずみ＝
実測（ゲージ出力値）＋熱ひずみ
60
600
50500
40400303002020010
100000600 1,200 1,800 2,400 3,000 3,600 4,200時間
熱ひずみ実測No.10-εx実測No.4-εx（sec）
温度
全ひずみNo.10-εx
全ひずみNo.4-εx

温度（℃） 80
800 ひずみ（μ）
70
700
全ひずみ＝実測（ゲージ出力値）＋熱ひずみ
60
600
50500
40400303002002010010000
600 1,200 1,800 2,400 3,000 3,600 4,200時間
熱ひずみ実測No.10-εx実測No.4-εx（sec）
温度
全ひずみNo.10-εx全ひずみNo.4-εx

図 10.a 鋼板ひずみの時間変化（Out-100）

図 10.b 鋼板ひずみの時間変化（Out-120）

３．120ｃｍサイズ試験体の加力実験
3.1 発泡ウレタン樹脂の基本特性について
本研究で使用している発泡硬化性樹脂は、一般に流通している２液性の硬質発泡ウレタン樹脂の一種であるが、こうした樹脂類の力学的特性は、化学組成や発泡剤の種類、密度、気温等、非常に多くの条件が複雑に関係するため、全てを統一的に取り扱うことは困難である。しかしながら、構造材料として使用する上でおおよその剛性、強度等を把握しておくことは最低限必要であることから、
文献1)では、パネル試験体内部より切り出したウレタン樹脂単体について圧縮試験を行っている。
写真 3 は、文献 1)において実施したウレタン樹脂単体の圧縮試験の状況である。試験片は直方体形状で、100mm×100mm×30mm（6 体）、及び、100mm×100mm×50mm（10 体）の２種類、合計 16 体について実験を行った。樹脂の平均密度は 294N/m3 であった。
圧縮応力度－圧縮ひずみ関係の一例として、100×100×30mm 試験片の結果を図 11 に示す。基本性状としては、加力初期段階に剛性の小さい区間が存在するが、その後ほぼ弾性とみなせる挙動を示す。比較的明瞭な圧縮降伏点を有し、降伏後は少しずつ剛性を増しながらひずみが進行している。各試験片で性状のばらつきは非常に小さく、圧縮降
伏応力度は 0.088～0.108N/mm2 程度、圧縮弾性率は、ほぼ1.86N/mm2 前後の値であった。
3.2 加力実験の概要
前章において発泡ウレタン樹脂を充填した 120cm サイズのパネル試験体について、基本構造特性を把握するために、面外荷重を与える静的加力実験を行った。
実験方法は、パネル試験体の外周境界枠のボルト頭部を鉄骨梁上に直接置いた４辺単純支持の条件とし、加力用ジャッキ（100kN 級）を用いて、最大荷重値を 1kN ピッチで漸増させながら載荷と除荷を繰り返した。なお、面外荷重としては、パネル全面に等分布荷重を与えることが理想的ではあるが、パネル表面は曲面状になっており、また、ウレタン樹脂充填実験時にひずみゲージを添付してあることから、ジャッキ先端部には、ひずみゲージを避けた位置に高さの異なる木片（一辺 100×100mm、

写真 3 ウレタン樹脂単体の圧縮試験
0.14

圧縮応力度（N/mm2）0.120.100.08

試験片サイズ
100×100×30mm

0.060.040.02

圧縮ひずみ（％）

0.00
-0.02

05101520253035404550

図 11 ウレタン樹脂 圧縮応力度－圧縮ひずみ関係12 個）を設置して加力面の水平度を保ち、鋼製プレートを介して荷重を与えることとした。従って、実際に荷重が作用する木片の接触面積（10×10×12＝1,200cm2）は、パネル試験体の面積（120×120＝14,400cm2）に対して 1/12、木片の外周線で覆ったグロス面積（30×30＋4×30×20＝3,300cm2）で考えると 1/4.4 程度の面積比率となる。
加力方法の概念図を図 12 に、加力状況（Out-100）を写真 4 にそれぞれ示す。
計測項目としては、前章のウレタン樹脂充填実験時の３軸ひずみゲージをそのまま利用して、上下２枚の鋼板ひずみを計測すると共に、加力用ジャッキの荷重とストローク量、及び、下面鋼板中央点の面外変位を計測した。

C.L.
ひずみ
ひずみゲージ
ゲージ

1,200〃 〃 200〃 〃 200
C.L.
加力
C.L.

シーム
シーム
溶接線
溶接線
： 加力点（木片：100mm×100mm）
伏図
伏図

鋼製プレート鋼製プレート（ｔ=20）（ｔ=20）木片
木片

外周フレーム（ボルト頭部）
単純支持

図 12 パネル試験体への加力方法
3.3 加力実験の結果
載荷荷重と鋼板中央点の面外変位関係の代表例として、
図 13.a,b に（Out-100）、及び、(Out-120)試験体の結果をそれぞれ示す。上面鋼板の変位は、加力用ジャッキのストローク量を読み替えている。図示はしていないが、（In-100）と（In-120）も、ほぼ同様の結果であった。
同図より、10～15kN 程度以下の荷重の小さい範囲では概ね弾性とみなせる挙動を示し、除荷すれば変形、及び、後述の鋼板ひずみも、ほぼ初期値に復元することが確認された。また、上面鋼板と下面鋼板の変位の差は比較的小さく、概ね一枚の板構造として一体的に挙動していることが分かる。初期面外剛性は、100％充填に対して 120％充填モデルは 40％程度大きい結果であった。
ここでパネルの面外剛性に関して、一般のフラットなサンドイッチ平板との概略比較を考える。検討条件は、一辺長さ（L）が 1,200mm、厚さ（d）が一様に 25mm の正方形サンドイッチ平板で、材料諸元は以下とする。
○上下表面材（ステンレス鋼板） 板厚：tf＝0.4mm、弾性率：Ef＝193×103N/mm2、ポアソン比：νf＝0.3○芯材（硬質発泡ウレタン樹脂） 厚さ： tc＝25mm、弾性率：Ec＝1.86N/mm2、ポアソン比：νc＝0.1、せん断弾性率：Gc＝0.85N/mm2
上記サンドイッチ平板の場合、芯材のせん断剛性が非常に小さいため、せん断変形は無視できず、板の変位（δ）は次式で表される。
δ＝δb＋δs・・・（1）
ここに、δb：曲げ変形、δs：せん断変形
４辺単純支持で一様等分布荷重（p）が作用する場合、板の最大変形 6)は、

δb =α

pL4
Dbδ s = 20α

pL2
Ds

写真 4 加力実験の状況（Out-100）

側面図
側面図・・・（2）・・・（3）

ここに、α＝0.00406 で与えられ、Ｄb とＤs は板の曲げ80 荷重（kN）
7060504030201000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
下鋼板
上鋼板
サンドイッチ平板 変位（mm）

図 13.a 荷重－中央点面外変位の関係（Out-100）
80 荷重（kN）
7060504030201000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
下鋼板
上鋼板
サンドイッチ平板 変位（mm）

図 13.b 荷重－中央点面外変位の関係（Out-120）
剛性、及び、せん断剛性をそれぞれ示す。サンドイッチ板の場合、次式 6)が実用上よく用いられる。

Db =(Ef

8 1 −υ

D s = Gc t c2f)

t f (d + t c )2・・・（4）・・・（5）（1）～（5）式より上記サンドイッチ平板を解くと、荷重（一様等分布荷重の合計値）と変形の関係は、図13.a,b 中の鎖線となる。同図より、本研究のパネル部材は、一般のサンドイッチ平板に対して４～６倍程度の初期面外剛性を有していることが推察される。

荷重レベルが（Out-100）で 15kN、（Out-120）で 20kN程度を超えてくると、剛性が低下すると共に残留変位も急激に増大するが、その後また剛性が増加し始める現象が見られる。これは、当初上向きに凸であった上面鋼板の曲率が徐々に減少することに対応して面外剛性も減少するが、さらなる変形の進行で曲率方向に反転が生じ、上面鋼板が引張材として機能し始めることで全体剛性の増加につながったものである。
最終的には、上面鋼板がウレタン樹脂にめり込む形で大きく陥没し、外周フレーム材の内側への湾曲変形と押えプレートの座屈や破断を伴って破壊するに至った。なお、実験終了後に試験体を解体したが、ウレタン樹脂と鋼板との接着性は、ほぼパネルの全面で残されており、また鋼板のボルト穴部におけるめり込み現象も、あまり見られなかった。
上面鋼板と下面鋼板の変位については、図 13.a,b に示した通り若干の差を生じているが、この差異は基本的にはウレタン樹脂層の変形に拠るものと考えられる。この上下鋼板の変位差と荷重（15kN 以下の範囲）との関係について、図 14.a に（Out-100）、及び、（Out-120）
試験体の結果を示す。また図 14.b は、上下鋼板の変位差がウレタン樹脂層の圧縮変形量に相当すると仮定して同変位差をウレタン樹脂の厚み（試験体初期厚さ25mm＋２×ウレタン樹脂充填時の鋼板中央面外変位）で除した圧縮ひずみと、荷重の作用範囲を木片グロス面積（3,300cm2）として算出したウレタン樹脂層の圧縮応力度との関係で表現したものである。同図より、ウレタン樹脂層の剛性は初期段階では小さいが、荷重の増加と共に徐々に硬化していることが分かる。ウレタン樹脂層の圧縮弾性率は、初期勾配から計算すると 0.2～0.3N/mm2 程度と小さいが、応力度が 0.02～0.03 N/mm2 の区間で計算
すると 6.0～7.0 N/mm2 程度となる。検討の前提条件が違うので単純には比較できないが、3.1 節で述べたウレタン樹脂単体では 1.86N/mm2 であり、数値的にこの範囲にあることは認めることができる。
次に荷重と鋼板ひずみ（εx,εy）の関係の代表例として、（Out-100）の上面（ゲージ No.4）、及び、下面（ゲージ No.10）の結果を図 15.a、及び、図 15.b にそれぞれ示す。ただし、上面のひずみゲージは、加力点の木片に近く、鋼板の局所的な変形の影響を受けやすいため、特に荷重レベルの大きい範囲におけるゲージ出力値の信頼性は高いとは言えない。
図 15.a,b より加力の初期段階では、上面鋼板のひずみ

20 荷重（kN）

0.05 ウレタン樹脂層
圧縮応力度20.04 （N/mm ）15は荷重の増加に対して減少する方向に、一方の下面鋼板のひずみは増加する方向に変化しており、上下面で逆対称的な挙動を示していることが分かる。なお、ステンレス鋼板の降伏ひずみを 1,200μ程度と考えると、下面鋼板の最大主 ひ ず み が 降 伏 域 に 入 り 始 め る の は 、（ Out-100 ）、（Out-120）共にケージ No.9（図 5 中）の位置で、20～25kN程度の荷重レベルからであった。
パネル中央部
ウレタン樹脂厚Out-100： 78.8mm
Out-120： 105.8mm

0.03
100.02500.0

上下鋼板変位差（mm）

ウレタン樹脂層
圧縮ひずみ（％）

0.01
0.000.5

1.01.52.02.5Out-100

3.0

3.5

4.0

4.55.0

図 14.a 荷重－上下面変位差の関係（Out-100、120）

Out-1000250 500 750 1,000 1,250 1,500
No.4-εx No.4-εyひずみ（μ）

図 15.a 荷重－鋼板ひずみの関係（Out-100、上面）

Out-120

図 14.b ウレタン層応力度－ひずみ関係（Out-100、120）

荷重（kN）

80706050403020100-500 -2500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0Out-120荷重（kN）

80706050403020100-500 -2500250 500 750 1,000 1,250 1,500No.10-εx No.10-εy
ひずみ（μ）

図 15.b 荷重－鋼板ひずみの関係（Out-100、下面）

４．まとめ本研究では、発泡硬化性樹脂の充填時に作用する膨張圧力を意図的に利用して表面の金属膜にむくりと初期張力を導入した、一種の金属張力膜パネル部材の提案を行い、小規模な試験体を用いていくつかの基礎的実験を行った。各実験から得られた主な知見を、以下に要約する。
（1）一辺 120cm サイズの小規模試験体による発泡ウレタン樹脂充填実験を実施した結果、本研究の基本コンセプトである「発泡硬化性樹脂の膨張圧力を意図的に利用して表面の金属膜にむくりと初期張力を与える」、という基本原理が成立することを確認した。
（2）上記（1）の実験の結果、鋼板の面外変位量に対して、ひずみのオーダーは比較的小さく、鋼板自身の初期たるみ（遊び）に起因する、伸びなし変形の影響がかなり大きいことが明らかとなった。
（3）発泡ウレタン樹脂を充填したパネル試験体に対して加力実験を行った結果、面外荷重に対してパネル全体が概ね一枚の板構造として、一体的に挙動することが確認された。また、一般のサンドイッチ平板と比較して、概略４倍程度以上の初期面外剛性を有していることを把握した。
なお、本パネル部材の数値解析的検討については、文献
1）の 60cm サイズ試験体も含め、機会を改めて報告したいと考えている。

【謝辞】
各実験を行うにあたり、アキレス（株）、住友金属建材（株）の関係者各位には多大な御協力、御助言を頂きました。記して謝意を表します。
【参考文献】
1）宮崎賢一、岡日出夫：初期張力を導入したサンドイッチ
パネルに関する基礎的研究、（その１）研究概要、及び、発泡ウレタン樹脂の圧縮特性、（その２）発泡ウレタン樹脂の充填実験、日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道）、
pp.977-980、2004.8
2）川口衛、阿部優、竹山祐成：金属膜空気構造、日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）、pp.1111-1112、1980.9
3）岡松眞之、中道高之、橋本潔、上遠野明夫、岩田衛、佐伯英一郎、原田昭穂：ステンレス空気膜構造、季刊カラム、
No98、pp.73-79、1985
4）小熊有希子、安宅信行：フォームプラスチックを用いた空間構造の構造システムについて、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）、pp.1079-1080、1999.9
5）小熊有希子、安宅信行：発泡材料を用いた構造システムについての基礎的研究、日本建築学会大会学術講演梗概集（東北）、pp.1093-1094、2000.96）島村昭治、宮入裕夫：サンドイッチ構造、日刊工業新聞社、1974.5

A study on a metal membrane panel filled up with hardening foam-resin－ Experimental study of small-scale model －Hideo Oka *)Ken’ichi Miyazaki **)SYNOPSIS
In this paper, we propose a panel component for a roof finishing system of space structures, which consists of pre-stressed metal
membrane and hardening foam-resin. The feature of this system is that an initial tensile force is introduced to the surface metal
membrane, utilizing an expansion pressure of a form-resin under its chemical reaction process intentionally. In order to confirm
a possibility of realization and fundamental behaviors of this system, we performed some experimentation of pouring urethane
resin and static loading test on the small-scale model.
*) M.Eng., Research & Development Institute, Takenaka Corporation**) Dr.Eng., Research & Development Institute, Takenaka Corporation