JP4163881B2 - 中空形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体及び構造体を構成する中空形材に関するものである。例えば、アルミニウム合金製の鉄道車両や建築物等の構造体及びそれらを構成する中空形材に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
中空形材は、二枚の面板と該面板を接続する複数のリブによって構成されている。この一例は、特開平１１−５８５６４号公報に示されている。この文献の図１には、中空形材の剛性と強度を向上させることを目的とした面板とリブの結節領域に関する形状が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
中空形材から構成される構造体の一例として鉄道車両を考えた場合、中空形材には主に引張り、面外曲げ、面外せん断の各荷重が単独でもしくは複合して作用する。これらの荷重が作用したときの中空形材の変形や応力の発生状況は、作用する荷重の種類、大きさやその組み合わせに依存する。
【０００４】
引張荷重や面外曲げ荷重が中空形材に作用した場合には、面板とリブの結節領域近傍の面板に最大応力が発生する。該部位に発生する局部的な大変形や高応力が、構造体全体の剛性や強度を低下させる一因となっている。
【０００５】
面外せん断荷重が中空形材に作用した場合には、面板とリブの結節領域近傍のリブに最大応力が発生する。該部位に発生する局部的な大変形や高応力が、構造体全体の剛性や強度を低下させる一因となっている。
ここで、前記特開平１１−５８５６４号公報では、面板とリブの結節領域におけるオフセット量を適切な値にすることで中空形材の剛性と強度を向上させている。
【０００６】
しかし、我々の研究によれば、理想的な寸法であるオフセット量を０とした場合でも、依然として面板とリブの結節領域近傍の面板やリブに局部的な大変形や高応力が発生し、構造体の剛性や強度を低下させている。
本発明の目的は、軽量でかつ高剛性、高強度な構造体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、二枚の面板と、二枚の面板の間をトラス状に接続した複数のリブと、から構成された中空形材同士を接合した構造体において、前記面板と前記リブが接続される部位である結節領域近傍の前記リブ（または一方の面板）の板厚は該リブ（面板）の他の部位の板厚と比較して厚くなっており、該厚くなった部分は前記リブ（面板）の両面に厚くなっており、該両面の厚くなった部分の厚さは両面において実質的に同一であり、該厚くなった部分の端部と前記リブ（面板）とはそれぞれ円弧で接続されており、該円弧は前記リブ（面板）側に向けて凸の円弧状であり、該円弧によって前記リブ（面板）の板厚は前記結節領域に近づくに従って徐々に増加しており、前記二つの円弧は径が実質的に等しいこと、によって達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１〜３により説明する。車体１００は、床を構成する台枠１０１、屋根を構成する屋根構体１０２、側面を構成する側構体１０３、長手方向の端部を構成する妻構体１０４から成る。台枠１０１、屋根構体１０２、側構体１０３は、それぞれ複数の押出形材を接合することにより製作される。押出形材の長手方向は、車体の長手方向と一致している。押出形材は、アルミニウム合金製である。
【０００９】
側構体１０３を構成する中空形材１０の構成を説明する。他の中空形材も同様の構成である。
【００１０】
中空形材１０は、二枚の面板１１，１２とトラス状に配置した複数のリブ１３から成る。二枚の面板１１，１２は、実質的に平行である。リブ１３のピッチは、同一である。面板１１，１２の板厚は、同一である。リブ１３の板厚は、同一である。
【００１１】
面板１２とリブ１３の結節領域２０近傍の構成を説明する。面板１１とリブ１３の結節領域近傍も同様の構成である。
【００１２】
面板１２とリブ１３の間には円弧Ｒ１が存在する。リブ１３とリブ１３の間には、円弧Ｒ２が存在する。リブ１３と円弧Ｒ１の間には、円弧Ｒ３が存在する。リブ１３と円弧Ｒ２の間には、円弧Ｒ４と直線１４が存在する。直線１４は円弧Ｒ２と円弧Ｒ４の間に位置する。直線１４は、リブ１３と実質的に平行であり、リブ１３の内面側（中空形材１０の板厚方向中央側）の直線よりも内面側に位置している。面板１２、円弧Ｒ１、Ｒ３、リブ１３は、滑らかに接続されている。リブ１３と円弧Ｒ４は、滑らかに接続されている。直線部１４と円弧Ｒ２は、滑らかに接続されている。円弧Ｒ３は、円弧Ｒ１より径が大きい。円弧Ｒ４は、円弧Ｒ２より径が大きい。円弧Ｒ３と円弧Ｒ４は、径が等しい。リブ１３と円弧Ｒ３の接続部１５とリブ１３と円弧Ｒ４の接続部１６におけるリブ１３の長手方向の位置は、実質的に一致する。
【００１３】
以上の形状をした中空形材から構成される構造体に面外せん断荷重が作用した場合、面板１２とリブ１３の結節領域２０近傍のリブ１３に発生する局部的な大変形や高応力が低減されるため、構造体の剛性と強度が向上する。この主な理由は、円弧Ｒ３、Ｒ４をリブ１３の板厚中心軸に対象な形状として付加することにより結節領域２０近傍のリブ１３の曲げ変形が抑制されたこと、リブ１３と径の大きな円弧Ｒ３、Ｒ４を滑らかに接続することにより結節領域２０近傍のリブ１３に発生する応力集中が低減されたこと、にあると考える。
【００１４】
本発明の他の実施例を図４により説明する。これは、図１〜３で示した実施例において、面板１２とリブ１３の結節領域２０近傍の構成が異なる例である。
【００１５】
面板１２とリブ１３の結節領域２０近傍の構成を説明する。面板１１とリブ１３の結節領域近傍も同様の構成である。
【００１６】
面板１２とリブ１３の間には、円弧Ｒ１が存在する。リブ１３とリブ１３の間には、円弧Ｒ２が存在する。面板１２と面板１２の間には、直線１４が存在する。面板１２と円弧Ｒ１の間には、円弧Ｒ３が存在する。面板１２と直線１４の間には、円弧Ｒ４が存在する。直線１４は、面板１２と実質的に平行であり、面板１２の外面側（中空形材１０の板厚方向外側）の直線よりも外面側に位置している。面板１２、円弧Ｒ３、Ｒ１、リブ１３は、滑らかに接続されている。面板１２と円弧Ｒ４は、滑らかに接続されている。円弧Ｒ３は、円弧Ｒ１より径が大きい。円弧Ｒ３と円弧Ｒ４は、径が等しい。面板１２と円弧Ｒ３の接続部１５と面板１２と円弧Ｒ４の接続部１６における面板１２の長手方向の位置は、実質的に一致する。
【００１７】
以上の形状をした中空形材から構成される構造体に引張荷重もしくは面外曲げ荷重が作用した場合、面板１２とリブ１３の結節領域２０近傍の面板１２に発生する局部的な大変形や高応力が低減されるため、構造体の剛性と強度が向上する。この主な理由は、円弧Ｒ３、Ｒ４を面板１２の板厚中心軸に対象な形状として付加することにより結節領域２０近傍の面板１２の曲げ変形が抑制されたこと、面板１２と径の大きな円弧Ｒ３、Ｒ４を滑らかに接続することにより結節領域２０近傍の面板１２に発生する応力集中が低減されたこと、にあると考える。
【００１８】
上記図４の実施例は一方の面板１２の結節領域の近傍の面板１２の板厚を増加させるものであったが、両面の面板１１、１２の板厚を上記のように増加させることができる。
【００１９】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲に及ぶものである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、中空形材に発生する局部的な大変形や高応力を有効に低減でき、軽量で高剛性、高強度な構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の結節領域近傍の断面図。
【図２】本発明の一実施例の中空形材の断面図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の結節領域近傍の断面図。
【符号の説明】
１０ 中空形材
１１，１２ 面板
１３ リブ
１４ 直線
１５，１６ 接続部
２０ 結節領域
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 円弧
１００ 車体
１０１ 台枠
１０２ 屋根構体
１０３ 側構体
１０４ 妻構体

Claims (2)

1. 二枚の面板（１１，１２）と、二枚の面板（１１，１２）の間をトラス状に接続した複数のリブ（１３）と、から構成された中空形材（１０）において、
   前記面板（１２）と前記リブ（１３）が接続される部位である結節領域（２０）近傍の前記リブ（１３）の板厚は該リブ（１３）の他の部位の板厚と比較して厚くなっており、
   該厚くなった部分は前記リブ（１３）の両面において厚くなっており、
   前記リブ（１３）とリブ（１３）との間の前記結節領域（２０）は第１の円弧（Ｒ２）で接続してあり、
   前記第１の円弧（Ｒ２）の両端と前記リブ（１３）との間は、該リブ（１３）に平行な直線（１４）があり、
   該直線（１４）と前記リブ（１３）とは第２の円弧（Ｒ４）で接続されており、該第２の円弧（Ｒ４）は前記リブ（１３）に対して凹であり、
   該第２の円弧（Ｒ４）の反対側の前記リブ（１３）の面と第２の面板とは、第３の円弧（Ｒ３）と第４の円弧（Ｒ１）を介して接続されており、
   前記第３の円弧（Ｒ３）は前記リブ（１３）に対して凹であり、
   前記第３の円弧（Ｒ３）によって、該リブ（１３）の板厚は前記結節領域に行くにしたがって、徐々に増加しており、
   前記第２の円弧（Ｒ４）と前記第３の円弧（Ｒ３）との径は等しく、
   前記第３の円弧（Ｒ３）と前記リブ（１３）との接続部（１５）は、前記第２の円弧（Ｒ４）と前記リブ（１３）との接続部（１６）に対して直交する箇所にあること、
   を特徴とする中空形材。
2. 第１の面板（１２）と第２の面板（１１）と、該第１の面板（１２）と第２の面板（１１）との間をトラス状に接続した複数のリブ（１３）と、から構成された中空形材（１０）において、
   前記第１の面板（１２）と前記複数のリブ（１３，１３）とが接続される部位である結節領域（２０）近傍の前記第１の面板（１２）の板厚は該面板（１２）の他の部位の板厚と比較して厚くなっており、
   該厚くなった部分は前記第１の面板（１２）の両面において厚くなっており、該両面の厚くなった部分の厚さは両面において同一であり、
   該厚くなった部分は、前記複数のリブ（１３，１３）を第１の円弧（Ｒ２）で接続しており、該第１の円弧（Ｒ２）は前記第１の面板（１２）側に向けて凹の円弧状であり、該第１の円弧（Ｒ２）によって前記第１の面板（１２）の板厚は前記結節領域に近づくに従って、徐々に増加しており、
   さらに、前記リブ（１３）と前記第１の面板（１２）とは、第１の面板（１２）側から第２の円弧（Ｒ３）、第３の円弧（Ｒ１）を介して接続されており、該第２の円弧（Ｒ３）によって、該第２の円弧（Ｒ３）の箇所は徐々に板厚が増加しており、
   さらに、前記第２の円弧（Ｒ３）から同一の結節領域（２０）の第３の円弧（Ｒ１）までの前記第１の面板（１２）は外側には他の箇所の第１の面板（１２）に平行な直線（１４）があり、
   該直線（１４）の端部と前記第１の面板（１２）とは、第４の円弧（Ｒ４）で接続されており、
   前記第３の円弧（Ｒ１）、前記第２の円弧（Ｒ３）によって、前記第１の面板（１２）の板厚は前記結節領域に近づくに従って徐々に増加しており、
   前記第２の円弧（Ｒ３）、第４の円弧（Ｒ４）は第１の面板（１２）側に凹であり、
   前記第２の円弧（Ｒ３）の径と前記第４の円弧（Ｒ４）の径とは等しいこと、
   を特徴とする中空形材。

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