道垣内・小松原・福田・椋・佐藤・石津：パイプハウスの仕様検討に向けた構造解析事例資料

パイプハウスの仕様検討に向けた構造解析事例
道垣内将司*・小松原

1．目聡*・福田健一*・椋

重芳**・佐藤㝣ᱱ

的響太**・石津文人***Ჷ

県産業の重要な柱のひとつである農業は，島根創生計画に基づき，魅力向上に向けた取り組みが進められている . 県産農作物として，例えばトマトやメロンなどはハウス栽培による年間を通じた計画生産が行われ，近隣都市圏に通年出荷されている．これらは現状でも優れた評価を受けてい䝍䜲䝞䞊㻌

る一方，さらに価値を高めるため，商標登録による県産品種のブランド化や，栽培方法の改良が進められている１）．

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農業の振興に向けては，これら特色ある作物の育成を生産性・収益性高く行う必要がある．

図1

島根県農業技術センターでは，ハウス栽培作物の収量のパイプハウス 3 次元モデル

表1

向上を目的として，“トマト・イチゴの収量を飛躍的に高め

高収益ハウス

従来型ハウス

間口［m］

8.0

7.2

肩高［m］

2.1

1.9

軒高［m］

4.1

3.7

パイプ間隔［m］

0.60.5る栽培技術の確立（H30 〜 R 4 ）” を戦略的研究と位置づけ，作付面積の拡大，栽培条件の検討および制御技術の確立を進めている．これらの取り組みの一環として，ハウス間口を従来の 7.2 ｍから 8.0 ｍに拡張する新たな構造のハウスを検討しており，高収益ハウスとして標準化を目指している．

パイプハウスの寸法

しかしながら既存の設計基準や指針には 8.0 ｍ間口ハウスの設計手法は記載されていない．そのため，本設計にあたり構造物としての強度を事前に評価することは困難である．
島根県産業技術センターでは，コンピュータシミュレーションを用いた各種解析技術を有しており，本技術の活用により県内企業の高付加価値なものづくりの実現を支援している２）．その解析のひとつに，構造物に荷重を付加することで生じる力学性状を計算する “構造解析” があり，これにより構造物の強度を評価できる．そこで，この構造解析を高収益ハウスの 3 次元モデルに適用して積雪荷重と風荷重を付加した際のシミュレーションを行い，パイプハウス

図2

パイプ締結部分の各部材にかかる応力を計算した．本報告では，それらの2.2 モデル形状うち積雪荷重の解析事例について報告する．

2．方パイプハウスの建設では，アーチ，棟，筋交，妻柱など法で外郭を形成し，使用環境に応じて陸梁などの補強が行わ

2.1 構造解析に用いたソフトウェア

れる．これらは全て鋼材パイプが使用され，各パイプを締解析には，ANSYS Inc. 製の有限要素法解析ソフトウェ
アである ANSYS Mechanical R19.2 を用いた .

結部品で固定することで骨組みが造られる．この骨組みに扉などを取り付け，農業用ビニールを張ることでハウスとして完成する．そこで，仕様検討段階の高収益ハウス平面図* シミュレーション・可視化技術応用プロジェクトチーム** 島根県農業技術センター，*** 元 島根県農業技術センター

をもとに，図 1 に示す 3 次元モデルを作成した．表 1 に従来型のハウスと高収益ハウスの骨組みの寸法を示す．今回は，― 15 ―

島根県産業技術センター研究報告第57号 （2021）

解析に要する時間を短縮するためパイプ材はビーム要素とし，円筒断面を定義してモデル化した．なおビーム要素は計算負荷低減には有効である一方、パイプの潰れのような断面の変形には対応できないなど，結果が現実と乖離する部分があることに注意が必要である．またモデル化にあたって
は，農業用ビニールを省略したほか，パイプ交差部分は十字溶接のように交点で一体化した状態と設定し，図 2（矢印）で示す締結部分の固定具を省略した．さらに実際の筋交は直管をハウスの内側に沿わせるように押し当てて変形させた状態で骨組みと締結されるため，ハウスを持上げる向きの内部応力が掛かっているが，3 次元モデルではハウス内面に陸梁：ピン支持

沈下止め：これ以下を固定（a）支持条件沿った曲線として作図するため，内部応力は再現されない．
2.3 構造解析条件
図 3 に積雪荷重を受ける場合の解析モデルの境界条件を示す．アーチ材，妻間柱，筋交の地中部分は固定とし，陸梁は地面に接地させたうえでピン支持とした．積雪荷重は積雪
深 1 ㎝あたり 10 N/㎡を屋根部面積に乗じて算出し，屋根部のパイプに均等に負荷した . 強度の計算方法については，園芸用施設安全構造基準３）を参考にした．積雪量の設計用数値も本基準の付表に示されている値を用いた．この値は各地の最大積雪深の観測記録を基に再現期間毎に記載されている．例えば再現期間 15 年とすると，浜田で 26 ㎝，松江で（b）積雪荷重52 ㎝，横田で 114 ㎝といった積雪深が得られる．これらをも

図3

境界条件

3. 結

果とに今回は，積雪深 30，50，100 ㎝の 3 条件で構造解析を行い，計算結果としてパイプに加わる曲げモーメントと変形量を得た．メッシュサイズはいずれの解析も 50 ㎜とした．
2.4 座屈解析条件

3.1 構造解析

座屈が起こった場合，材料強度より小さい荷重であって

図 4 に積雪深 50 ㎝の場合の積雪荷重による変形量と曲も大きな変形が引き起こされ，ハウスが倒壊に至る可能性げモーメントの分布を示す．なお変形量については，原寸を有している．本条件では積雪荷重による座屈も懸念され表示では変化がわかりにくいため，変形量を 20 倍に誇張ることから，前項の構造解析に加え，同じく Workbenchして表示している．図示は行わないが，積雪深 30㎝の場合

R19.2 を用いて座屈解析も実施した．解析モデルも前項とも変形や曲げモーメントの分布は図 4 と同傾向であった．

同じものを使用した．なお今回行った線形座屈解析は，座図（4 a）から棟間のアーチおよび筋交にたわみが発生し屈が起こるときの荷重である座屈荷重を求めるための解析であり，計算結果として荷重係数を出力する．荷重係数は，解析時の設定荷重と座屈荷重ていることが確認され，変形量としては積雪深 30㎝で約23 ㎜，50 ㎝で約 39 ㎜であった．の比率を表すもの

図（4 b）
から，棟とアーチの接続部分（矢印位置）に最大であり，設定荷重に荷重係数を乗じることで座屈荷重の曲げモーメントが発生していることが確認された．このが求まる．以上の関係から，通常は線形座屈解析では単位ときパイプに発生する応力値はσ：曲げ応力， ：曲げモー荷重が用いられる．ここでは積雪荷重を 1 N と設定して解メント， ：断面係数として（1）式で算出される．

㸻 /析を行った．
2.5 材料物性値

なお丸パイプの場合の断面係数

すべてのパイプは鋼材が使われることから，ヤング率径を203 GPa，ポアソン比 0.3 を用いた．なお仕様案では使用部は，パイプ内径を（1），外として（2）式で求められる５）．

鋼材などが割り当てられており，出力した曲げモーメント（2）
32式（1）によって算出した最大曲げモーメントによる応力から算出した応力値と材料の降伏値を比較することで破壊

値は，積雪深 30 ㎝で 145 MPa，50 ㎝で 239 MPa であった．の可能性を検討した . 破壊の検討方法については，森山のこれらの応力値は，一般的な高張力鋼の降伏強さ（≧ 500

位によって構造用鋼，一般高張力鋼，高張力農業用パイプ４）

報告を参考にした.

MPa）と比較しても半分以下の負荷であることから，50 ㎝― 16 ―

道垣内・小松原・福田・椋・佐藤・石津：パイプハウスの仕様検討に向けた構造解析事例
以上の積雪が稀な沿岸部でのハウス設置では，材料強度にる応力を 1/3.4 に抑える効果が期待される . 変更したモデル

おいては従来から使用されているパイプ材でも間口の拡張で解析を行ったところ，計算は収束して最後まで完了した．に耐えるものと考えられる .

追加計算における変形量の結果を図 6 に示す．アーチ材の同条件で積雪深を 100 ㎝とした解析を行った．すると計

たわみ量は図 5 と比べて変化ないものの，陸梁およびタイ算が収束せず，途中で停止する事態が発生した．そこで積バーに発生していた変形が抑制されており，ハウス全体と雪深を 98 ㎝に変更して再度解析を行ったところ，計算はして積雪深 100 ㎝の垂直荷重を支えることができている．

収束した．図 5 は，このときのハウスの変形量である．今

なお図は省くが，このとき曲げモーメントの最大値は図 （4 b）

回も変形量は 20 倍に誇張してある．図 （4 a）と同様に棟間と同じくアーチと棟の接合部に発生した．この曲げモーメのアーチ材にたわみが発生しているのに加え，陸梁とタイントを応力に変換すると 478 MPa であり，一般的な高張力バーも大きく変形しており，構造物として不安定な状態と鋼の降伏強さと同等となった．この結果からアーチ材に関なっていることがわかる．なお今回のモデルでは，積雪深しては設計上の余裕がないと考えられ，100 ㎝を超える積98 ㎝で計算が収束する上限であった．積雪深 100 ㎝では垂雪が発生しうる山間部での本仕様のパイプハウスの設置に直荷重を支持できなくなり，ハウス全体が短時間で大きくあたっては，アーチに使用する材質にも注意が必要である．

変形することで，計算が発散したと推測される．この結果

3.3 座屈解析
図 1 のモデルに対し，図 （3 b）で表した積雪荷重を 1N とから，積雪深が 98 ㎝を超えるとハウス全体が急激に変形設定して座屈解析を行った結果を図 7 に示す．座屈解析でし倒壊する危険性が示唆される．
3.2 構造解析による改善検討

は，荷重係数および座屈する際の形状特性が得られる．図

一般的に，従来から積雪対策として陸梁の管径を拡大す

７では陸梁に高い値が表示されていることから，座屈するることが行われている . そこで仕様案に記載された材料リ際の変形箇所は陸梁であると予測でき，図 5 で示した構造ストの範囲で変更を考えることとし，φ 31.8 × t1.6 ㎜から，解析とも一致する結果が得られた．また単位荷重を用いた

φ 48.6 × t2.3 ㎜に断面形状を変更して積雪深 100 ㎝での追本計算では荷重係数 44720 がそのまま座屈荷重を表し4加計算を行った．本変更により，（2）式による断面係数がており，4.47 × 10 N が座屈の起こる限界荷重であると予測

約 3.4 倍大きくなることから，（1）式に従いパイプに発生すできる．この荷重を積雪深に変換すると 30㎝にも満たない（a）変形量（20倍誇張）

図5

図6（b）曲げモーメントの分布
図4

積雪深 50 ㎝の解析結果― 17 ―

積雪深 98 ㎝変形量

積雪深 100 ㎝変形量（陸梁変更後）

島根県産業技術センター研究報告

図7

座屈解析結果第57号 （2021）

図8

座屈解析結果（陸梁固定変更後）

量であり，今回の条件では島根県の沿岸部の積雪量であっジャッキを用いた場合を想定した座屈解析を実施した．結ても座屈が起こる可能性がある .

果を図 8 に示す．陸梁の支持条件を変更したことで荷重係3.4 座屈解析による改善検討

数は 1.0066e + 5 となり，座屈強度としては図 7 と比較して高収益ハウスは間口の拡大を設計方針とするため，同時2.25 倍程度大きく見積もれる結果となった．なお，このとに全高も高くなり，従来型ハウスと比較して座屈の懸念がきの座屈荷重を積雪深に換算すると 60 ㎝強に相当するこ大きくなると予想される．積雪荷重を支持する目的で設置とから，慣例通りの設置方法であれば陸梁のパイプ径を拡される陸梁は，これまでの計算結果からも特に座屈の懸念大せずとも沿岸部での使用で座屈が起こる可能性は低いとが大きい部材である．陸梁の変形に対し，3.2 項ではパイプ推測される．他方で山間部での設置にあたっては，パイプ径の拡大による改善を検討し，断面係数の増加による応力径を太めにするなどの検討が必要と考えられる．
座屈による変形は，図 7 では妻面に近い矢印で指した値の低減効果を見積もったが，本項では座屈の点からも陸陸梁ほど変形が大きくなる結果であったが，図 8 では矢印梁の改善案の検討を行う．
今回の陸梁部のパイプのように，単純な棒状部材に圧縮荷重が加わる際の座屈荷重は式（3）にて計算される５）．

で指したハウス中央の陸梁の変形が大きく，それを受けるタイバーが座屈する結果となった．このことから，過大な（3）
ここで， ：ヤング率， ：断面二次モーメント， ：部材長さである．また ：部材の端末状態による係数であり，積雪荷重がハウスに加わった場合，当初モデルのようなピン支持の陸梁では妻面付近から倒壊が起こると考えられるが，接地点の回転が拘束された陸梁の場合はハウス中央から破壊が起こる可能性が示された．

両端とも回転支持の場合は 1，両端とも固定支持に場合は以上，大型構造物であるパイプハウスの構造解析に向け，4 などと与えられる．丸パイプの断面二次モーメント はビーム要素を用いて変形量と曲げモーメントを求め，設計式（4）で表される .

段階で強度を評価する手法を検討した．モデル作成や解析
64（4）条件の設定において複数の仮定を含むため，出力した数値を設計に反映することはできないが，全体的な傾向を掴む式（3）から，パイプ径およびパイプ肉厚の拡大は断面二ことは可能であり，負荷が高い部位や変形量の大きな箇所次モーメント を大きくする方向に作用する．3.2 項での検を事前に把握することで，実際の設置前に部材選定などの討と同様のパイプ径変更を行った場合，断面二次モーメン対策が検討できた．

トが約 5 倍に大きくなり，座屈荷重を 5 倍大きくとること文ができることから，座屈の防止策としても有効である．また同じく式（3）から，座屈荷重は部材長さの 2 乗に反比例することがわかる．今回のモデル化では陸梁を接地のピン支持としたが，冬場のみ取り付けられる陸梁は，実際は固定治具を装着したうえでジャッキアップさせて使用するのが慣例である．このことから，図 7 の境界条件は実際よりも陸梁が長いほか，接地部の回転を拘束する治具を考慮していないため，実際よりも座屈しやすい条件と言える．
以上を踏まえ，陸梁の支持位置を地面から 300 ㎜の高さとし，ピン支持から固定支持に変更することで，固定治具と献1 ）椋重芳，石津文人．島根県オリジナルメロン ʻ 島交１号 ʼ の果実
肥大に及ぼす植物成長調整剤の影響．島根県農業技術センター
研究報告．2020，47，p.23-28
2 ）小松原聡，福田健一，江木俊雄，中島剛，清水一郎．応力解析を活用した平板瓦の高強度化の検討．島根県産業技術センター
研究報告．2018，54，p.19-22.
3 ）園芸用施設安全構造基準 平成 28 年度版．一般社団法人 日本施設園芸協会．20174 ）森山英樹．風害および雪害に対する温室設計技術の高度化に関する研究．20085 ）機械実用便覧 改定第 6 版．日本機械学会．1990― 18 ―