日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道） 2004年 8 月

22530

アルミニウムラチスパネル構造システムの開発
―

正会員
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藤本 効*2
川口 有子*4

正会員
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はめあい接合部

十文字押出形材

FEM 解析・実験領域

52.5 2.5 2.5363

図１ 十文字押出形材による斜め格子構造

ステンレスネジ埋め込み穴
2.2 2.55

1231.45

2.5 2.2a) 原案モデル

r=1.0
2.2 2.65

11.8
31.4

r=1.0

r=1.0

2.5 2.5 2.5
r=1.0

r=1.0
r=1.056

r=1.0
r=1.0

13

r=1.0

3

r=1.0

r=1.01

アルミニウム合金
はめあい接合FEM 解析
剛性
耐力
１．はじめにアルミニウム合金 （以下、アルミ） 部材を接合する手法の１つに「はめあい接合」というアルミ押出形材特有の接合手法がある。はめあい接合は、押出形材同士をボルト接合せずに容易に組み立てることが可能である利点があるが、応力伝達機構が複雑であり、一般的な設計式を確立することが困難で、実験により確認する必要がある。
よって、はめあい接合の開発には、数多くの実験を必要とし、地震力や風圧力を伝達する建築構造材の接合手法として使用されることは稀となっている。
本報では、図１に示す十文字形状の単位要素（アルミ押出形材）をはめあい接合による組立て耐震パネル開発の一環として行ったはめあい接合部（図２）を、数値解析による形状検討と実大モデルによる検証実験結果を報告する。
本はめあい接合に要求とされる力学的性能は、作用する軸力（圧縮力・引張力）に対する十分な伝達能力である。本接合システムは、はめあい接合部中心穴にステンレスネジ（M6）を埋め込むことにより、はめあい接触部のガタツキを解消し、応力伝達を行う機構となっている。
２．数値解析によるはめあい接合形状開発
2.1 数値解析概要
はめあい接合部の形状設計にあたり、図３に示す板要素による有限要素法を用いた数値解析により接合部の応力分布を把握し、各部形状寸法を決定した。形材間およびネジ−形材間との接触面は離間現象を考慮したモデル化し、幾何学的非線形解析を行った。解析モデル化領域は、図１に示すように直交する形材板芯間とした。引張、圧縮方向に関して、それぞれ板部分断面に等分布荷重を加え非線形増分解析を行った。
数値解析には MSC/NASTRAN を使用した。
2.2 接合部の数値解析
図４に引張加力時の数値解析結果（Von Mises 応力分布図）を示す。
原案形状では、接合部がネジ部を中心に回転変形が発生し、接触面を支持する部分に板部平均軸応力に対して約３倍を超える応力が広く分布して発生している。
改良形状では、はめあい接触部の離間を抑制する機構を設けているため、原案形状と比較して回転変形が小さく、応力の高い部分が減少している。

○前田 佐登男*1
山本 理顕*3
飯嶋 俊比古*51

数値解析によるはめあい接合形状決定と接合部実験1―r=1.0252.6 2.2b) 改良モデル（実験モデル）

図２ はめあい接合部詳細
ステンレスネジ部
等分布荷重

図３ FEM 解析モデル（接合部拡大）
離間発生a) 原案モデル

離間止め溝b) 改良モデル（実験モデル）
濃い部分が応力集中部

図４ FEM 解析結果（接合部拡大）

Development of Aluminum Lattice Panel Structure System
The Determination of the Shape of Peculiar Joint for Aluminum Alloy by Numerical Analysis and the Test on the Joint
MAEDA Satoo, FUJIMOTO Isao, YAMAMOTO Riken, KAWAGUCHI Naoko, IIJIMA Toshihiko̶1059̶

度になっているが、第２勾配部剛性は、約 75％程度となった。これは、はめあい接合部のメタルタッチ部分が、載荷を増す毎に増大し、応力伝達面積が増え、剛性が平板に接近したと考えられる。
接合部の初期等価剛性は、板厚 5mm の平板とした場合の理論値に対して、引張：20％ 圧縮：約 45％となった。
４．考察
4.1 数値解析結果との比較
1) 図４に示す数値解析で得られた変形モードは、ほぼ引張実験結果（図７）と一致するが、軸剛性は、数値解析の方が約 2 倍程度硬めに評価している。引張実験により破断した部位（図８）は、数値解析結果で得られた局部応力が大きい部位で発生しており、数値解析により接合部の力学的性状をほぼ推測できたと考えられる。
2)圧縮座屈実験の軸剛性に関して、はめあい接触面部が密着したと考えられる第２勾配領域での剛性が数値解析結果とほぼ同じ結果が得られた。
4.2 設計規準との比較
表４にアルミ設計規準 1)により算定されるアルミ平板の座屈・引張降伏耐力（短期）と接合部耐力との比較を示す。実験座屈耐力は、設計値と比較して約３倍の安全率を有するが、引張降伏耐力に対して接合部破断耐力が下回り全強接合が成立していない。しかしながら、斜め格子の力学的特性上、各要素の応力分布は引張・圧縮共理論上同じになる。よって、引張耐力は座屈耐力の 2 倍以上有し、座屈が先行するため、耐震要素全体の設計において全強でないことは問題とならないと考えられる。

３．実大接合部実験
3.1 実験概要図４ b)に示す数値解析により検証したはめあい接合形状について、引張実験および圧縮座屈実験を行った。試験体は、図５に示すはめあい接合部を有するアルミ合金平板とし、試験体長さは、十文字押出形材を組み合わせた際に形成される座屈長さ寸法とした （図１）。試験体はワイヤーカット法により製作した。試験体の仕様を表１に示す。加力は 50kN スクリュー型試験機を使用し、単調載荷した。測定項目は、荷重および部材間変位であり、部材間変位は、接合部を中心とした 100mm の検長間を2 台のクリップゲージを用いて測定した（図 5）。
3.2 実験結果
図６ a)に引張実験、図 6 b)に圧縮座屈実験の荷重―変位関係の一例を示す。変位は、2 台の変位計出力の平均値である。表２に引張実験における各試験体の軸剛性ならびに破断耐力を、表３に圧縮座屈実験における各試験体の軸剛性ならびに座屈耐力を示す。
引張力を受けるはめあい接合部は、1.3kN 程度の引張力まで初期剛性を保ち、その後、約 1／2 程度に剛性が低下し、10kN 程度まで線形を保っている。線形領域を超えると、接合部は回転による接合部変形が顕著となり、徐々に剛性が低下する。接合部の溝が離間するとほぼ引張剛性がなくなり、はめあい取合い部で破断する（図８）。
圧縮力を受けるはめあい接合部は、11kN 程度の圧縮力まで、初期剛性を保ち、その後、約 1.5 倍程度に剛性が増加し、ハードニング型の挙動を示した。載荷初期の圧縮剛性は、接合部なしの平板軸剛性と比較して約 50％程
113.4

参考文献
1)
アルミニウム建築構造協議会：アルミニウム建築構造設計規準･同解説，
平成 15 年 5 月

荷重 [kN]4040

荷重 [kN]
部材座屈35355

数値解析結果E =82.2 kN/mm

E2 =113.3 kN/mm

301 0 030

接合部 破断：変位測定点

Ej =80.26 kN/mm

2525
Ei =38.06 kN/mm

8 4

1 6168 42 001515

図５ 試験体寸法

短期設計荷重（剛支持）2020

短期設計荷重（ピン支持）

弾性限界 9.5kN

1010

短期設計荷重表１ 試験体仕様

00.0

試験体名

応力状態

試験体幅D [mm]材質

PC1〜PC3

圧縮

100A5083-H112

PT1〜PT3

引張50A5083-H112

表２試験体初期軸剛性
Ei [kN/mm]

PT1PT2PT358.960.659.9

550.20.40.60.8

1.01.2a)

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6
2.8
3.03.2変形 [mm] (歪量 [%]弾性限界荷重[kN]（応力度 [N/mm2] ）

図６

Ei／Eo

Ej／Eo

38.428.3 (33.2)
21.9
0.65
0.22
38.06
9.5 (38.0)
22.5
0.63
0.22
34.02
9.3 (37.2)
22.7
0.57
0.20
初期剛性 Ei ：初期載荷時（P=1.0kN 程度）の接線剛性
初期等価剛性 Ej：短期設計荷重時の割線剛性
Eo：アルミ平板(PL-5×50)の理論軸剛性

図７

実験変形モード

表３ 圧縮座屈実験結果
第２勾配軸剛性 E2[kN/mm][kN/mm]

[kN]

E2／Eo

Ej／Eo

PC183.19

158.39

32.8

0.93

0.448

PC280.26113.3633.50.670.471

PC376.17

110.2835.50.650.447

座屈荷重

破断部

図８

初期等価剛性 Ej：短期設計荷重時の接線剛性
第２勾配剛性 E2：（P=15〜25kN 程度）の接線剛性
Eo：アルミ平板(PL-5×100)の理論軸剛性*1*2*3*4*5

飯島建築事務所、工修（財）ﾍﾞﾀｰﾘﾋﾞﾝｸﾞ筑波建築試験センター、工修
山本理顕設計工場、芸術修
山本理顕設計工場
飯島建築事務所、工博

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.61.8
軸変形 [mm]

圧縮座屈実験

荷重―変位関係
設計耐力

実験耐力

No [kN]

Nexp [kN]

圧縮

11.1

33.9

引張

27.5

22.4

応力状態
破断荷重
Nju [kN]

0.4

表４ 設計耐力と実験耐力

初期等価軸剛性 Ej

試験体0.2b)

引張実験結果

初期等価軸剛性Ej [kN/mm]

00.0

引張実験

実験破壊モード

3.050.82（2.02）

謝辞
本はめあい接合システムの開発
は、㈱SUS （社長 石田保夫）
エコムスハウス＆ファクトリーの設計の一環として行われたもの であ る。試験 体の 製作お よび、押出形材設計に関して、㈱ SUS 宗 像 剛 氏 , 長 谷 川 毅 氏に 、助 言とご協 力を 賜りま した。ここに記して深く感謝致します。

*1：IIJIMA Structural Design Office*2：Center for Better Living Tukuba Building Test Labo.
*3：Riken Yamamoto & Field Shop
*4：Riken Yamamoto & Field Shop
*5：IIJIMA Structural Design Office, Dr. Eng.

̶1060̶

Nexp／No