月糞ヰ膏 i蜜豆塞賓直孝勿o:> i言*頁寸生 t こ ~9ξb 奇汗ヲ宅〈そ:‑0:> 2 )(膜材料の破嬢力学的考察)

小 松 清 志1
石井一夫同梗 相E

現在、膜繍造建築物の大規機化、多棟化に伴い情造破織の予 i
Al!、防止、検証をするための工学的手法の確立が望まれている。しかし、この分野は、膜傭造が恒久的な漣築物として利用されるようになってからまだ歴史が浅いということからそれらを論ずる際に必要とされる十分なデータがないのが現状である。

本報は、このことをふまえ膜徳造建築物を情成する主要なる惰這材料である膜材料の破援性状に関しミクロ、マクロの両面からの研究したもので、膜材料の破損に関する惨控訴のための基礎データカ〈得られたことも特色のーっと言える。

̲L̲孟孟必主
膜4荷造 1;1、歴史的に数千年と R C造や S造等の建築を究明することが出来れば、その原因に対応した処置工法と比較し非常に古いものであり、また世界のいたを取ることが可能となる。また、それらの破織原因のる所で使用されてきている。その長い歴史において膜データを膜符の製作、加工、そして樋造物の絞計、施構造の摘i
貨安全性は、他の建築工法と比較しても優れ工段階にフィードパックすることにより、より信頼性ていることが実証されている。の高い樋造物を設計することが出来る。

近年、特にこの優れた情造安全性と、さらには軽く

本稿 i
草、破1I
t
生状を体系的に論じるためにミクロ的て高強度で耐久性の高い膜材料の開発により徳造物もそしてマクロ的なもの、さらには人の自ではとらえらfから数万 nfのものが建怨が可能となっており、数千 nれない高速な現象をもとらえれるため、近年性能向上、人の経験だけは情透物の安全性の杷纏は図書量なほど大が著しい電子顕微鏡、高速度カメラ、レーザー筏術を規機化、多織化してきている。

利用し、いくつかの破懐原因についての膜材料の被告裏

このことから矯造破織の予測、防止、検証のための工学的手法の確立が望まれてきている。

性状を、図 ‑1(跡、 (c)のスケールでの一軸方向引張による結果について報告している。

腹+荷造建築物の破疲についての研究は、対象とする

なお、今回は前述のごとく基礎的データを報告するこ傷遣のスケールが、原子、分子レベルから実際の摘造とを主眼にしているための、破蟻力学に関する数式モ物まで広い旋回わたっており、また、膜材料の種類もデルと計算織による解析手法等は、f1J愛している。

近年制加してきていること等からかなり多くのデータの蓄積が必要とされる。(図‑1)
傭造物が、なんらかの原因"で破湿した時、あらかじめ量産理されたデータを利用することにより、原因*1 太陽工業胸 膜梅造建築物筏術室課長*2 機浜国立大学工学部建設学科教授‑5
7ーE
式験は以下の膜材料 {多考文献 2)と同仕様)を使用した。
1)ガラス織維織物

2)四ふ っ化エチレン術脂コーテイングガラス繊維布

横浜国立大学工学部建段学科樽士課程

3)纏化ビニールコーテイングガラス繊維布に引張られて破断するものとの比較するために行った

4)塩化ビニールコーティングポリエステル繊維布

特異なケースの③である。
履材料は、実際の徳造物においては一般に 2軸引張

2. 路面(柑}の磁筆原因状惣となる。しかし、破断性状がタテ、ヨコの引張力の大小により変化し復維となることが惣定されるため、膜面(材}の被告書原因として一般に以下の事項が考えられる。

勅号￨張状態の破断性状についニ軸引張の 1つである 1①て行ったものである。

雷、または、雨水のボンデイングにより怨計荷量以上の荷量が加わった渇合の被援。

②3. 臆併料の磁断力学

膜面にき裂があり、それからの段計荷量以下、ま語、 それ以上の荷重による破媛。
たl

現在、膜柵遣の応力・変形解析は、膜面を小さい膜③

人為的にナイフ等での副賞者度。

④

飛来物による衝墜荷重による破電車。

る本重量の膜材総維を 1本に束ねたものを 1つの線要素⑤

施工時の風等によるバタツキによる衝墜荷重によとしてみて解析する方法の 2つが主としてある。

面(三角形、四角形)の集合として解釈する方法とあ

図 ‑2、 3は、膜面を三角形要素で分割し、解析しる破懐。

2種類の欠損を有する膜初猷験片の変形、膜材の簸合強度不足による簸合部分からの破担。

たもので、繰り返し荷重による疲労被告車。

及び応力分布を表している。これは、静的な弾性解析⑥

E
量計計画上の欠陥により臆面と支待傭造、又は、でありこれを破犠力学的な機々なファクターを厳密に{也の段置物との1妾触による摩耗破織。

考慮すると膜材料の織布の後何学的な大変形を考慮し⑨

薬品等により緩材が化学的に侵食されることによた様性破題解析が必要となる。この解祈で重量しい点は、る破捜。

膜符料の負荷荷重の大きさにより、膜材料緩継とコー⑩

火災などによる高温状態での溶融による破織。

テイング材とが一体に挙動したり、また、別々に挙動⑪

耐候性劣化による強度低下による寿命破筆。

したりするために徳造のモデル化が複雑となることでその他a)部とあ る 。 図 ‑4と図 ‑5は そ れ ぞ れ 図 一 2の (⑥⑫2の①一⑪の内、発生確率が高いと恩われるもの
上1

図 ‑3のω部の紘大図で、斜線部にIlも大きな応力がとして、①、②、⑤、⑥、⑧等があり、また③の人為生じている。図 ‑6と 7
は欠損の形状による応力集中的なものが特異なケースとして考えられる。

皮を表したもので、欠鍋先封書部の応力は、他と比較し、これらの内、本報で取り上げているのは、①と②それ2倍以上の値を示している。

何) 原子・分子レベル

守t，語~(b) f
湾!+o
10・、‑‑.
J(輔}成材料や)試

1 tt t験片I I物大tt
1パ
ふ.
.

.
.

(ゆ実hlH'
日 1L
一‑'{圃}

o30o3000(酬}{闘}

L‑ー」

図 ‑1 膜術造建築物の破媛研究モデルの大きさ‑58‑」ー」

図 ‑2 変形、応力分布図(fsIJ部に欠鋼)

図一 3 変形、応力分布図(中心に欠損)

図 ‑4 図ー 2の(a)部のt
広大図

図
布分中集力
応︽hu図

図 ‑5 図ー 3の(同部の j広大図

図 ‑7 応力集中分布図

ph d円同υ

4l繁キズの g材の破断現象

4. 高速度カメラによる破断性状の健認
膜材の破断スピードの差により破断面に違いが出て

写真一 1から 101草、キズのない A穫膜材のき裂伝}蓄くるかどうかを確認すること、さらには動的被緩解析を表しており、き~発生後約 12.3msec の間の現象であに必要とされる破断スピード vとその長さ S、また、る。無キズの場合のき裂伝矯の特徴 1語、キズがあるも各荷量下の変形量を求めるために高速度カメラによるのより高速であることと、破媛ラインカ〈水平の糸方向}撮影を試みた。

0。程度の角度で生じることである。
に対し、約 6

写真一 1 揮者キズ

{き裂伝活スター卜}写真一 2
1.36msecf:
垂

写真一 6

写真一 76.B
msecl
垂B.1
6msec後

写真一 3

写真一 4

写真一 5

2.72msecl
象

4.
0
Bmsect象

5.44msec後

写真 ‑89.
52msecl~

写真一 90
写真一 1
12.
3msec後‑60一10.B
Bmsec
1量42 1回続り腫材の破断現象

くなる。これは、ガラス繊維が折られるというよりね

写真一 11から 20は A種膜材を 1回だけ 60 kgのカでじられるだけで、それほど大きなダメージが生じない

3秒間街ったtI合のき裂伝熔を表しており、き裂発生

ため、無キズのものと同じような被告裏性状を示すと考3.75msecの閉の現象である。特徴としては、後、約 4えられる。き裂伝活時の角度は、大きくなったり小さ破断ラインが締り幽げたラインと一致することで、こくなったりのくり返しで変化することが見られる。

0の現象は折り幽げ角度が 45。を越えるとこの傾向はな

写真一 1
11回街り

写真一 12(き裂伝情スタート}

4.38msec後

写真一 1624.31msec
後

29.17msec
後

写真一 17

写真一 14

写真一 154.‑13
9.72msec
後14.58msec
後

19.44msec
後8
写真一 134.
03ms
e
c後

写真一 19象
38.89msecl

写真一2043.75ms
ec
後

一 61‑

5. 臆併磁断形状
表 ‑2は、四ふっ化エチレン樹脂コーテイングされ4。となっている。
はZ形でその角度は約 2たガラス織鯵布破断形状を膜材料の損傷の形状別にま試験片 Fから HI草、緩材が強制的に街られた場合のとめたものである。膜材料の破断モードについては、

時り角度 45。以外はほとん
破断形状を表したもので町、 t

橋本(1)ら により報告されているが、本穏においてはさどすべて抗り幽げたラインで破断している。

1を含めたものについて実施したのでいらに、vi'り幽 145。折りの破断ラインは、無傷のものと同様に V形と Z形が表れる。このことは、論文山にのべられていくつか新しいものについてのみ述べる。

2式験片 C穫の無キズの膜材料の破断形状を哀しているように、 45。以上になると、繊維には析れというる。このケースでは、破断ラインは V形のものと Z形よりねじれが生じるためそれほど織継には大きなダメのものが表れているが、その角度は引張方向に直角なージがないようで強度低下もあまり見られないため、軸(水平)から約 60。でそれぞれ破断が進行してい無傷のものと閉じような破断形状とあるようである。

る。試験片 Dは、膜材中心の 2本の繊維をあらかじめこのこと は、E式験片 lのある大きさをもっ芯棒に巻き破断してあるもので、破断形状は Z形のものとー形つけられた膜材の破断形状についても問機の傾向がみ(水平)が表れている。試験片 EI
羊膜材の片側の 2本られる。の総事監をあらかじめ破断してあるもので、破断ライン

妻賢一一

1̲本オ牢斗高度隣府軍式馬食一一x 翠畏{単位:./・)

DC￨縦 方 向 糸
破断形扶

無傷I;
t

一

真中 2本欠FE
縦方向糸縄2本欠

磁断形状

一破断形状

r‑破断形状
r‑ー，

験トー

片百5
技」ーー・

平均破断角度約 12・G

平均破断角度約 24・平均破断角度約 0・

H8・ 1回析

真中 1
80・ 2固j/jI;t」ーー」ー一破断形状

真中 φ 1回折り破断形状

一一

15・1.
5・30・45・破断形状.
‑‑

蛾副総~片O'百5状a」

平勾破断角度約 0・

00 = 1.
5・. 15. 平均破断
平均破断
平鈎破断
30・. 45・ 角 度 約1.
5・ 角 度 約15. 角 度 約30・

一平鈎破断

字句磁断

角 度 約45・角度約 36~J

円ノ臼

FHU

2(司、写真一 22(b)は、膜材料 B種{糧化ビニ
写真一 2

膜材料のき裂伝熔速度と膜材料の主情造材である総事監の破断面形状との相関関係の有無を確認する為に電ールコーテイングガラス繊維布、無キズ)のガラス繊子顕微鏡により写真煩影を行った。

維の破断面を表している。

表 ‑1の民験片 c(無キズ、四ふっ化エチレン樹脂

本試験片は、四ふっ化エチレン樹脂と異なりかなりコーテイングガラス繊維布)における破断形状は軟らかい塩化ビニールでコーティングされたガラス繊

写真一 21(a)、(b)のごとく破断開始点と終了点との差は維布であるため、破断ラインは、試験片 c(無キズ)ほとんどなく、繊維方向に対し直角に近い面で破断し00 以内となっている。また破断面には大と異なり約 2ている。写真一 21伊)、(b)との差は破断面の表面に少しきな差は見られない。

遣いがあるが、それが開始点と終了点との遣いであるということまでは断定できない.

円ハハ明円

ill!
1i形状

黒傷

破断形状

(司被断開始点lun nn(b) 破断終了 J
煮

図 ‑9

図 ‑8:
ij:;
a‑22(a)

写真一 21(b)

写真一 22(b)

FO

写真ー2H
司写真一 23、24は、図 ‑10のO印の部分の鎗維の破断

写真一25、261草、コ ーティングされていないガラス草、前述の民験片 Cと異な面である。この破断面形状 l

塁手方向に対繊継布の引張破断による破断面で、繊事候Zり破断面には凸凹がほとんどないのが特徴で、引張りし、角度をもった面となっている。

により破断したものでなく、ナイフ等の鋭利なものにより人為的に破断したものである。
縦方向糸真中 2本 欠破断形状

破断形状

図 ‑1

図 ‑10

写真一 25 コーティングされていない

写真一 23 図ー 10、(a)部の繊緩 (
X700l

X
3700l
ガラス織緩布 (写真一 26 コーティングされていない

写真ー 24 図一 10、(a)部の繊緩破断面 (X3700)

X3700l
ガラス織総布 (‑64ー写真一 27刷、。b)は、 ij化ビニールコーティングされ写真一 281誌、 1回街りされたコーティングされていたポリエステル繊維{膜材料 C種)の破断面である。

ないガラス線総布の線維先織を表している。また、写ポリエステルは、ガラス織継と異なり破断跨に発生

9は、四ふっ化エチレン樹脂コーテイングされた
真一21団訴られたものを引張賦験したもする熱により溶けてしまい、キノコ霊の形状となってガラス繊維布で、いる。このことから、総事匪の歪エネルギーが急激な収式閉じような形状となっている。
ので、両方とも破断面 l

縮により熱エネルギーに変わることがわかる。

ただ、異なる点はコーテイングされたものの破断面は孟、膜材料 A種と比聖堂しほ
膜材料 C穫の破断ライン l
ま水平に破断している。
とんど角度がなく、ほ I，*，本方向がほぼそろっているのに対し、コーティ
グされていないものの方向は、様々ぱらついているこ

これは、コ ーティング材料の硬度がかなり影響していることがわかる。とである。

d子妥

破断形状

10 ・折 1
11げ 1
11Jl.
， 3抄

折11Iげ 柑 値 段 び '.
HI:60k図ー 13図ー 12

写真一 2
8 コーティングされていないガラス繊継布の折り幽げられた破断菌
写真一 27(a)9 四ふっ化エチレン樹脂コーティ ングガラ
写真一 2
写真一 27(b)ス繊絞布の街り曲げられた破断面‑65‑

事実一一2

コーティングしていないガラス繊維

見莫本司『*斗議離'笹否醍

隊府直吾

四ふつ化エチレン樹脂コーテ竺空ラス酬布 1
tiitt:-J~

破断側面概略図口d 口 口 コ
ベ
塩化 t こー J~ ]‑ティンヲ百ラ Z総経布

鋭利なナイフE
よる
百ラZ繊維の破断面

破断側面領略図

口口口・

8) .~科 B 糧、 C 纏の破断ライン l革、事 l 張..に対5.. I

本研究で得られた結果の主な司p頁を列挙すると以下し、ほ{ま直角となる。のようになる。

7)ポリエステル繊維の破断面は破断時の熱で溶けて

1)無キズの四ふっ化エチレン樹脂コーテイングガラ

キノ コ形となる。

ス総事陸布の破断速度は、高速破控訴する。

その他、今回の試験により得られた動的破壕力学デその破断ラインは、 V形と Z形となる。

ータに関しては破織力学的評価に基づき、より良き数

ま平坦になる。
ガラス繊維の破断面は、{ま I式モデル、解析モデルを今後明らかにしていく予定でである。

ガラス鎗鯵布の破断速度は、低速となる。
組一一霊本研究において、術戸商船大学の橋本教授に信続性について、西岡助教授には{動的}破織力学についての御指導をいただいたことに心から感謝いたします。

その破断ラインは、ほ{ま折られたラインと一致す笠笠玄&る。ガラス級車監の破断面は無キズの場合と同織と，) I!
本、鳥居、盟国;テフロン膜材の破断モードとその寿命なる。

に関する考案、第 19回目科妓速{君事jjl
生・保全性シンポジウ

ム、平成元年 6月

4) ガラス鎌維がナイフ等で切断された場合の破断面

2)小441;緩 l
書道主霊祭物の信頼性に関する研究代別)(膜材料の破主要性状の研究)、 ω
日本腹情這惚会論文集、 1988l
草、平面となる。
5) コーテイングの有無にかかわらず、ガラス繊緩布

poが街られた場合の破断面は V形となる。

3) B.
Lomas，J.W.S.Hearle; Failure 01libersusedinRubber，RubberWorId(USAl、 19B74)西岡 S.
U，Atluri ;動的破i
車力学問題の有限要素法シミュ
レーション、日本縄線学会i
車、第 B
5巻、第 759号

咽テイングガラス後継布の破断速度は低速となり、︐3) 1圏、 2回続りされた四ふっ 化ヱチレン樹脂コー

・・

車震の画聖断面は無キズの犠合と同僚となる。

11:・
f・
sJ11 17

その破断ラインは逆 Z形とー形となり、ガラス総・
噌2)キズを有する四ふっ化エチレン樹脂コーティングS t u d y o n Rel iabi Iity o f Structures o f M e m b r a n e
C o n str u ct io n(No̲ 2)(study on membrane materials in terms of breaking dynamics)

KIYOSI KOHATSU ，.
KAZUO ISHII'2Outline

Calls are mounting for the establishment of breaking dynamics design for the prevention of structural
breaking amidthe growing scale anddiversification of structure
sof membrane construction.
However，itis only recently that membrane construction have been put int
o practical use for durablestructures.
Therefore，data are not sufficient for the evaluationof soundness of overalIstructures，making it
necessary to continue a steady study onmembrane structure.
ainbuilding materialfor
This study is designed to analyze breaking pheno
mena of membra
nematerials，amstructures of membrane construction， through experimental and theoretical methods on the basis of break‑in
gdynamics technique.

寧1 EngineeG Taiyo Kogy
ロ CorporationIDoctoral course，Engineering Department，Yokohama NationalhUniversi
寧2 P
rofessor，Department of Architecture，Faculty of Engineering，Yokohama National University‑67‑