JP4245531B2 - パネル構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両などの機械構造物や、土木・建築構造に使用される床、壁などのパネル構造に関する。

上記パネル構造の一例として、２枚の板の間に補強用の形材を配置したものが知られている。このパネルでは、補強用の中間形材を入れることで、パネル構造に要求される剛性を確保している。

しかしながら、上記のように補強用の中間形材が設けられると、パネルに使用する材料が増加し、また、板と形材及び形材と形材の接合部が増加するため、材料コストや製造工数が増加してしまう。また、中間形材を設けることにより重量が増加することから、車両の床や可動式の壁など、軽量化が要請される構造に向いているとは言いがたい。

なお、剛性向上のためのアプローチとしては板の板厚を増加させることも考えられるが、結局、材料コストや重量の点で不利になってしまう。

本発明は以上の点に鑑みてされたものであり、その目的は、複数枚の板とその間に骨組み状に配置される形材とを有するパネル構造において、コストや重量の増加を小さく抑えながら剛性を向上することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

◆本発明の第１の観点によれば、以下のように構成する、構造体に固定されるパネル構造が提供される。複数枚の板とその間に骨組み状に配置される形材とを有する。前記構造体は、矩形状に配置された外梁と、前記外梁の内側に配置される中間梁を有している。前記パネル構造は、前記外梁に対応する位置に矩形状に配置される外側形材と、その外側形材に両端を連結されつつ前記外側形材の内側に配置される少なくとも１本の中間形材と、を有し、かつ前記中間梁に対応する位置には前記中間形材が配置されないように構成されている。

これにより、中間梁の位置の中間形材を省略することで、剛性を殆ど減少させることなく、製造コストや重量を低減できる。また、形材を省略した場合、その分だけ接合部が減少するから、製造工数を減少でき、また、疲労強度上有利である。あるいは、中間梁の位置の中間形材を他の位置へ移動させることで、コストや重量の増加を抑えつつ剛性を効果的に向上できる。

◆前記のパネル構造においては、以下のように構成することが好ましい。前記中間形材は前記中間梁と交差するように設けられている。前記パネル構造は、前記外側形材の位置のほか、前記の交差位置で前記構造体に固定されている。

これにより、コストや重量の増加を抑えつつ、剛性を一層効果的に向上できる。

◆前記のパネル構造においては、前記中間形材には、前記中間梁に平行な向きの少なくとも１本の平行中間形材が含まれることが好ましい。

これにより、剛性を効果的に向上できる。

◆前記のパネル構造においては、前記平行中間形材が前記外側形材に連結されている部分において、当該パネル構造が前記構造体に固定されていることが好ましい。

これにより、剛性を一層向上させることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１〜図３には、本発明の３つの実施形態（１−１〜１−３）が平面模式図で示されている。図４は比較例１のパネル構造の平面模式図である。
また、図５〜図７には、本発明の更に３つの実施形態（２−１〜２−３）が平面模式図で示されている。図８は比較例２のパネル構造の平面模式図である。

〔実施形態１−１〕
図１に示す実施形態１−１においては、構造体（パネル構造Ｐが取り付けられる側の物体）は、水平で且つ矩形状（一辺の長さが２０００ｍｍの正方形状）に配置された外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、その囲まれた内側に配置される中間梁１ｅを備えている。中間梁１ｅは外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで形成される正方形を横に２等分するように縦方向に配置され、その両端が横方向の外梁１ａ，１ｄに連結されている。なお中間梁１ｅは外梁１ａ，１ｄに連結されている必要は必ずしもなく、何らかの方法で中間梁１ｅが固定されていれば十分である。

上記の構造体に固定されるパネル構造Ｐは、パネル床を想定したものであって、水平に骨組み状に配置したアルミ形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆと、そのアルミ形材を挟むように上下両面に取り付けられるアルミ板（図示略）と、を有している。具体的には、前記アルミ形材は、矩形状に配置される外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、その内側に配置される３本の中間形材２ｆ，２ｆ，２ｆと、によりなる。アルミ板をアルミ形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆに固定する手段としては、例えば、リベット、ビス、ボルト或いは接着剤を用いることが考えられる。

外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、図１に示すように長さが２０００ｍｍとされており、一辺が２０００ｍｍの正方形の４辺をなすように配置されている。また、中間形材２ｆ，２ｆ，２ｆも同様に長さが２０００ｍｍとされており、外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで形成される正方形を縦に４等分するように、横方向に向けて配置される。それぞれの中間形材２ｆ，２ｆ，２ｆの両端は、縦方向の外側形材２ｂ，２ｃに連結されている。

そして上記パネル構造Ｐは、外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対応するように位置を合わせて、図１の黒丸で示した１５箇所で、ボルトにより構造体側の梁外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに固定される。この取付箇所とは、横方向のアルミ形材２ａ，２ｄ，２ｆの両端が縦方向のアルミ形材２ｂ，２ｃと接続している部分（１０箇所）、中間形材２ｆ，２ｆ，２ｆが中間梁１ｅと垂直に交差している部分（３箇所）、及び、中間梁１ｅが横方向の外梁１ａ，１ｄに連結している部分（２箇所）である。

即ち、図１の実施形態１−１のパネル構造Ｐは、図４に示す比較例１のパネル構造Ｐ’の中間形材２ｅを取り除いたものに相当する。即ち、実施形態１−１のパネル構造Ｐは、構造体側の前記中間梁１ｅに対応する位置には中間形材が配置されない構造である。

〔実施形態１−２〕
図２に示される実施形態１−２のパネル構造Ｐは、前記した実施形態１−１の構成に、２本の縦方向の平行中間形材２ｅ，２ｅを付加したものである。この平行中間形材２ｅ，２ｅは、構造体側の中間梁１ｅとは横方向にズレた位置で当該中間梁１ｅと平行となるよう縦に向けて配置されるとともに、その両端を外側形材２ａ，２ｄに連結している。平行中間形材２ｅと中間形材２ｆとは、その交差箇所で互いに固定されている。

〔実施形態１−３〕
図３に示される実施形態１−３のパネル構造Ｐは、上記実施形態１−２の構成と同じである。ただし実施形態１−３では、前記平行中間形材２ｅ，２ｅが外側形材２ａ，２ｄに連結されている部分（計４箇所）においても、パネル構造Ｐがボルトにより構造体に固定されている。

〔シミュレーション実験１〕
以上の実施形態のパネル構造の剛性を調べるために、以下のシミュレーション実験を行った。即ち、実施形態１−１〜１−３のパネル構造Ｐ、及び、図４の比較例１のパネル構造Ｐ’を有限要素法モデル化したものを用いて、たわみ解析を実施し、たわみ量の変化を計算した。

この有限要素法モデルでは、アルミ形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを挟む２枚の板を１枚の板要素で置き換えるとともに、アルミ形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを梁要素でモデル化した。板要素の厚みは３．５ｍｍ、形材の断面二次モーメントは５０２３ｍｍ⁴、断面定数は５９８ｍｍ³、ねじり剛性は８６５５ｍｍ⁴とした。また、図で黒丸で示すボルト固定位置ではパネル構造Ｐ（Ｐ’）は完全拘束されるものとし、また、前記外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及び中間梁１ｅ上ではパネル構造Ｐ（Ｐ’）が梁でサポートされて紙面直交方向のたわみが生じないものとして計算した。また、板要素と梁要素は一体であるとして計算した（即ち、板と梁とが滑らないものとして計算した）。

たわみ解析は、各図に示すＡ点、Ｂ点に、１００ｋｇｆ（９．８ｋＮ）の紙面直交方向の点荷重を載荷したときの当該点のたわみ量を計算することで行った。このたわみ解析結果を表１に示す。なお、表１では、比較例１のたわみ量に対する各実施形態のたわみ量の比率をパーセントで併せて示してある。

以上の実験結果に示すように、比較例１の中間形材２ｅを省略した実施形態１−１の場合、Ａ点、Ｂ点のいずれに載荷しても、比較例１に対してのたわみ量の増加は１％にとどまる。これから、比較例１の中間形材２ｅはパネル構造Ｐ’の剛性に殆ど寄与していないという知見が得られた。言い換えれば、中間梁１ｅの部分の中間形材を省略したとしても、中間梁１ｅがパネル構造Ｐを支持する形となるので、剛性の低下は小さく抑えられる。従って、図１の実施形態１−１は、図４の中間形材２ｅを省略できる分だけ、比較例１に対しコストや製造工数の点で有利である。

また、実施形態１−１では中間形材２ｅを省略できるので、形材同士の接合部も減少し、その意味でもパネル構造Ｐの製造工数の低減が図れる。また、繰返し荷重が作用する用途の場合には接合部の疲労強度が問題となることがあるが、実施形態１−１では、そのように強度上弱い部分である接合部の数を少なくすることで、疲労に対しても有利な構造とできる。

２本の平行中間形材２ｅ，２ｅを追加した実施形態１−２（図２）の場合、Ａ点、Ｂ点に載荷した場合のいずれも、たわみを良好に低減できており、特に、（比較例１や実施形態１−１ではたわみ量の大きかった）Ｂ点に載荷した場合のたわみ量を２５％程度低減できる。即ち、比較例１に比べて形材が１本増えるだけで、剛性の増大が顕著に現れる。また、固定箇所を増やした実施形態１−３（図３）の場合、Ａ点に載荷した場合のたわみ量も効果的に低減できている。

〔実施形態２−１〕
図５に示す実施形態２−１は車両用の床を想定して設計されたものである。図５において、構造体は、水平で且つ矩形状（長辺が２０００ｍｍ、短辺が１０００ｍｍの長方形状）に配置された外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、その内部に配置される２本の中間梁１ｅ，１ｅを備えている。

中間梁１ｅ，１ｅは、長辺方向の中央（横方向中央）寄りの位置に縦に２本平行に配置されている。中間梁１ｅ，１ｅの両端は、外梁１ａ，１ｄに連結されている。なお、この実施形態２−１の構造体及びパネル構造Ｐは、当該パネル構造Ｐとしての床の上面の横方向中央位置に幅４００ｍｍ程度の縦方向の通路を形成することを想定しており、その通路の幅方向端部に相当する位置に中間梁１ｅ，１ｅを配置するレイアウトとなっている。このレイアウトは、後述する実施形態２−２，２−３，比較例２も同様である。

上記構造体に固定されるパネル構造Ｐは、水平に骨組み状に配置したアルミ形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆと、そのアルミ形材を挟むように上下両面に取り付けられるアルミ板（図示略）と、を有している。具体的には、前記アルミ形材は、矩形状に配置される外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、４本の中間形材２ｅ，２ｅ，２ｆ，２ｆと、によりなる。

外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、図５に示すように長さが２０００ｍｍ又は１０００ｍｍとされており、長辺が２０００ｍｍ、短辺が１０００ｍｍの長方形の４辺をなすように配置されている。２本の中間形材２ｆ，２ｆは、長さが２０００ｍｍとされており、上記長方形を短辺方向（縦方向）にほぼ３等分するように、２本平行に横方向に配置される。２本の平行中間形材２ｅ，２ｅは、長さが１０００ｍｍとされており、上記中間梁１ｅから横方向にズレた位置で縦に向けて配置される。中間形材２ｆ，２ｆと平行中間形材２ｅ，２ｅとは、その交差箇所において互いに固定される。なお、パネル構造Ｐを構造体に取り付けたとき、２本の平行中間形材２ｅ，２ｅと２本の前記中間梁１ｅ，１ｅとは、上記長方形を５等分するように等間隔で配置される。

そして上記パネル構造Ｐは、外側形材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが外梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対応するように位置を合わせて、図５の黒丸で示した１６箇所で、ボルトにより構造体側へ固定される。この取付箇所とは、横方向のアルミ形材２ａ，２ｄ，２ｆ，２ｆの両端が縦方向のアルミ形材２ｂ，２ｃと接続している部分（８箇所）、中間形材２ｆ，２ｆが中間梁１ｅ，１ｅと垂直に交差している部分（４箇所）、及び、中間梁１ｅ，１ｅが横方向の外梁１ａ，１ｄに連結している部分（４箇所）である。

即ち、図５の実施形態２−１のパネル構造Ｐは、図８に示す比較例２のパネル構造Ｐ’の中間形材２ｅ，２ｅの位置を横方向外側へズラしたものに相当する。即ち、実施形態２−１のパネル構造Ｐは、構造体側の前記中間梁１ｅ，１ｅに対応する位置には中間形材が配置されない構造である。

〔実施形態２−２〕
図６に示される実施形態２−２のパネル構造Ｐは、上記実施形態２−１の構成と同じである。ただし実施形態２−２では、前記平行中間形材２ｅ，２ｅが外側形材２ａ，２ｄに連結されている部分（計４箇所）においても、パネル構造Ｐがボルトにより構造体に固定されている。

〔実施形態２−３〕
図７に示される実施形態２−３では、前記実施形態２−２の横方向の中間形材２ｆを２本から１本に減らし、その代わりに縦方向の平行中間形材２ｅを１本追加した構成に相当する。この平行中間形材２ｅは、前述の２本の中間梁１ｅ，１ｅの間の、丁度中央の位置に配置される。

〔シミュレーション実験２〕
以上の実施形態のパネル構造の剛性を調べるために、上記と同様のシミュレーション実験を行った。即ち、実施形態２−１〜２−３のパネル構造Ｐ、及び、図８の比較例２のパネル構造Ｐ’を有限要素法モデル化したものを用いて、たわみ解析を実施し、たわみ量の変化を計算した。条件は上記のシミュレーション実験と全く同じである。各図のＡ点とＢ点に載荷した場合のたわみ量を表２に示す。

以上の実験結果に示すように、比較例２の中間形材２ｅ，２ｅの位置を横へズラした実施形態２−１の場合、Ａ点に載荷した場合のたわみは比較例２の場合の約７０％に低減できる。一方、中間形材２ｅ，２ｅの位置が変更になったことにより、Ｂ点載荷時のたわみは増加するが、この増加量はＡ点載荷時のたわみ低減効果に比較して小さく、全体としては剛性は向上していると言える。即ち、実施形態２−１（図５）の構成は、最も大きなたわみが発生するＡ点での剛性を、重量増加なしに効率的に改善できている。

なお、実施形態２−１におけるＢ点のたわみ量増加の対策としては、Ｂ点付近に例えば中子（図略）などを設け、その中子の部分でパネル構造Ｐを構造体へ固定することが考えられる。

また、固定箇所を増やした実施形態２−２（図６）の場合、Ａ点に載荷した場合のたわみ量を一層低減できている。

比較例２の横方向の中間形材２ｆを減らして縦方向の平行中間形材２ｅを追加した実施形態２−３（図７）の場合でも、たわみ量を比較例２よりも低減できている。即ち、比較例２の構成に比べたところでは、実施形態２−３では長い中間形材２ｅが１本減って短い平行中間形材２ｅが１本増えているので、パネル構造Ｐ全体としては軽量化を実現できているのであるが、それと同時に剛性の向上も実現されているのである。

以上に本発明の実施形態を示したが、パネル構造Ｐの形材や板の素材としては、アルミに限定されず、例えば鉄などが考えられる。また、パネル構造Ｐを構造体側に固定するための手段としては、ボルトに限定されず、他の固定手段を採用できる。

本発明は、車両などの機械構造物や、土木・建築構造などに使用されるパネル構造全般に適用でき、上記実施形態に示すような床としてのパネル構造だけでなく、例えば壁（可動式の壁を含む）としてのパネル構造にも適用することができる。

実施形態１−１のパネル構造の平面模式図。 実施形態１−２のパネル構造の平面模式図。 実施形態１−３のパネル構造の平面模式図。 比較例１のパネル構造の平面模式図。 実施形態２−１のパネル構造の平面模式図。 実施形態２−２のパネル構造の平面模式図。 実施形態２−３のパネル構造の平面模式図。 比較例２のパネル構造の平面模式図。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 外梁（構造体側の梁）
１ｅ 中間梁（構造体側の梁）
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ アルミ形材（外側形材）
２ｅ アルミ形材（平行中間形材，中間形材）
２ｆ アルミ形材（中間梁と交差する中間形材）
Ｐ パネル構造

Claims (4)

1. 構造体に固定される、複数枚の板とその間に骨組み状に配置される形材とを有するパネル構造であって、
   前記構造体は、矩形状に配置された外梁と、前記外梁の内側に配置される中間梁を有しており、
   前記パネル構造は、前記外梁に対応する位置に矩形状に配置される外側形材と、その外側形材に両端を連結されつつ前記外側形材の内側に配置される少なくとも１本の中間形材と、を有し、かつ前記中間梁に対応する位置には前記中間形材が配置されないように構成されていることを特徴とする、パネル構造。
2. 請求項１に記載のパネル構造であって、
   前記中間形材は前記中間梁と交差するように設けられており、
   前記パネル構造は、前記外側形材の位置のほか、前記の交差位置で前記構造体に固定されていることを特徴とするパネル構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のパネル構造であって、前記中間形材には、前記中間梁に平行な向きの少なくとも１本の平行中間形材が含まれることを特徴とするパネル構造。
4. 請求項３に記載のパネル構造であって、前記平行中間形材が前記外側形材に連結されている部分において、当該パネル構造が前記構造体に固定されていることを特徴とするパネル構造。
   
   
   

Images