Pressure fan

図 2-2 負 圧 載 荷 の 加 圧 イ メ ー ジ

Pressure to upheave the PV

system

31

図 2-3 PV シ ス テ ム 試 験 体 概 要 （4 ユ ニ ッ ト ）

20°

x

y z

表 2-2 架 台 に 使 用 さ れ る 部 材 の 断 面 形 状

1 10×45×66.2×11.6×1.6 3986

2 L-45×45×1.6 679

3 L-45×45×1.6 1290

4 L-45×45×1.6 1319

5 L-45×45×1.6 1571

6 L-45×25×1.6 1759

7 L-45×25×1.6 1166

8 L-45×25×1.6 2027

9 L-45×25×1.6 2428

10 L-85×45×4.5 135

No Cross-section shape

[mm]

Length

[mm]

33

図 2-4 試 験 体 1 ユ ニ ッ ト お よ び 架 台 を 構 成 す る 部 材

1

2 3

4 8

6 7

5

10 9

Solar panel

x

y

z

図2-5架台の構造形式（ピン構造）

35

0250 0

500 0

750 0

1000 0

1250 0

1500 0

1750 0

2000 0

2250 0

2400 0

2750300032503500375040004250450047505000

0

1000

2 000

3000

4000

5000

6 000

Pressur e

［ p

］ Pa

Load st ep

図2-6正圧載荷の圧力ステップ

-250 -500 -750 -1000 -1250 -1500 -1750 -2000 -2250 -2400 -2750 -3000

-60 00

-50 00

-40 00

-30 00

-20 00

-10 00

0

Pressur

［ e

］ Pa

Load ste p

00000000000 図2-7負圧載荷の圧力ステップ

37

表2-3正圧の耐風圧試験における目標荷重

T arg et l o ad 3 2400 M o d u le l o ad c ap ac it y

P [ P a] T arg et E n v iro n m en ta l co n d it io n T arg et l o ad 1 1250 D es ig n w in d s p ee d : M id d le r an g e D es ig n s ta n d ar d w in d s p ee d 3 8 m /s G ro u n d r o u g h n es s c la ss if ic at io n i s Ⅲ T arg et l o ad 2 2000 D es ig n w in d s p ee d : H ig h r an g e D es ig n s ta n d ar d w in d s p ee d 3 8 m /s G ro u n d r o u g h n es s c la ss if ic at io n i s Ⅱ

表2-4負圧の耐風圧試験における目標荷重

T arg et l o ad 2 -2 4 0 0 M o d u le l o ad c ap ac it y T arg et l o ad 3 -2 4 7 5 D es ig n w in d s p ee d : H ig h r an g e D es ig n s ta n d ar d w in d s p G ro u n d r o u g h n es s c la ss if

P [ P a] T arg et E n v iro n m en ta l co T arg et l o ad 1 -1 7 5 0 D es ig n w in d s p ee d : M id d le r an g e D es ig n s ta n d ar d w in d s p G ro u n d r o u g h n es s c la ss if

39

図 2-8 正 圧 載 荷 試 験 に お け る 変 位 計 を 取 付 位 置

5 Displacement measurement point

x

y

z

図 2-9 正 圧 載 荷 試 験 に お け る 圧 力 と 変 位 の 関 係

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0.0 5.0 10.0 15.0

Displacement [mm]

Press ure [ Pa ]

Target load 3

Target load 2

Target load 1

41

図 2-10 試 験 体 座 屈 位 置

：座屈位置 Buckling position

x

z

写 真 2-7 破 壊 後 の 試 験 体 の 状 況

43

写 真 2-8 破 壊 後 の 試 験 体 の 状 況

図 2-11 支 柱 が 負 担 し て い る 圧 縮 軸 力 の 割 合

27 % 9 % 33 %

31 %

a b

1 2 3 6 4 5 _x

z

45

図 2-12 風 荷 重 の 荷 重 作 用 方 向

a b

1 2 3 6 4 5 _x

z

図 2-13 負 圧 載 荷 試 験 に お け る 変 位 計 取 付 位 置

1

Displacement measurement point

x

y

z

47

図 2-14 負 圧 載 荷 試 験 に お け る 圧 力 と 変 位 の 関 係

-5000 -4500 -4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

0.0 5.0 10.0 15.0

Target load 3 Target load 1

Displacement [mm]

Press ure [Pa] Target load 2

写 真 2-9 負 圧 載 荷 試 験 に お け る 試 験 体 の 破 壊 状 況

49

写 真 2-10 負 圧 載 荷 試 験 に お け る 試 験 体 ボ ル ト 孔 の 破 壊 状 況

表 2-5 試 験 体 の 許 容 耐 力 計 算 結 果

Positive pressure test

Negative pressure test

The allowable

stress [Pa] 2125 -2375

51

表 2-6 試 験 体 の 耐 風 性 能 計 算 結 果

Category of surface roughness

Ⅱ Ⅲ

Positive pressure

[Pa] 48 m/s 39 m/s

Negative pressure

[Pa] 45 m/s 37 m/s

現 時 点 に お い て ，PV シ ス テ ム 架 台 の 設 計 指 針 は ま だ な く ，薄 板 軽 量 形 構 造 の 架 台 に 対 し て ， 土 木 ・ 建 築 付 帯 設 備 の 設 計 手 法 が 援 用 さ れ て 設 計 が 行 わ れ て お り ， そ れ ぞ れ の 設 置 業 者 が 異 な る 設 計 基 準 に よ り 独 自 に 設 計 ・ 製 造 し ， 設 置 し て い る 状 況 に あ る ． さ ら に PV シ ス テ ム は 軽 量 か つ 安 価 な 部 材 や そ れ を 組 み 合 わ せ た 構 造 で あ る こ と か ら ， ビ ル 屋 上 や 壁 面 ， 丘 陵 地 斜 面 や 遊 休 地 な ど の 場 所 に 容 易 に 設 置 が 可 能 で あ る ． ま た ， 架 台 の 設 計 は ， 設 置 場 所 ， 環 境 ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル の 寸 法 お よ び 設 置 規 模 な ど の 状 況 を 考 慮 し て 都 度 一 か ら 設 計 を 行 う 必 要 が あ る ．こ れ ら の 点 か ら ，PV シ ス テ ム の 機 能 や 特 性 を 考 慮 し て ， 様 々 な 設 置 環 境 と 異 な る 発 電 設 備 に 対 応 で き る 安 全 性 と 保 守 性 を 確 保 し ， 架 台 設 計 の 特 徴 で あ る 都 度 設 計 に 対 応 し た 効 率 的 か つ 合 理 的 な 設 計 規 準 ・ 指 針 の 確 立 が 喫 緊 の 課 題 と し て 求 め ら れ て い る ．

本 章 で は ，PV シ ス テ ム 架 台 に つ い て 設 計 指 針 の 確 立 を 目 指 し て ，軽 量 部 材 ボ ル ト 接 合 に よ り 構 成 さ れ た PV シ ス テ ム 架 台 に つ い て ， 個 別 設 計 や 設 計 変 更 等 に よ る 現 場 で の 設 計 コ ス ト を 考 慮 し ， マ ク ロ な 視 点 の 評 価 と し て 比 較 的 簡 易 的 な 要 素 で あ る 3 次 元 弾 性 梁 要 素 を 用 い て 解 析 モ デ ル を 作 成 し ， 有 限 要 素 法 解 析 を 実 施 し た ． 解 析 モ デ ル は ， 実 際 の 接 合 部 を 可 能 な 限 り 模 擬 す る た め に ， 部 材 同 士 の 接 合 部 が 図 心 位 置 か ら ず れ て い る こ と を 考 慮 し た 偏 心 あ り

53

モ デ ル を 用 い て 行 っ た ． そ の 比 較 と し て 接 合 部 を 部 材 の 図 心 軸 上 で 接 合 し た 偏 心 な し モ デ ル を 作 成 し ，2 つ の 接 合 部 モ デ ル に よ る 試 験 結 果 を 比 較 し た ． 得 ら れ た 解 析 結 果 を ， 積 雪 荷 重 お よ び 風 圧 力 を 模 擬 し た 実 寸 大 試 験 の 実 験 結 果 と 総 合 的 に 比 較 検 討 し ， 架 台 の 力 学 的 特 性 を 評 価 し た ． そ の 結 果 か ら ， 比 較 的 簡 易 的 な 要 素 で あ る 3 次 元 弾 性 梁 要 素 を 用 い た 解 析 モ デ ル に お い て も ， 接 合 部 の 図 心 位 置 に お け る ず れ を 考 慮 す る こ と で ， 架 台 の 破 損 原 因 と な る 部 材 を 明 ら か に す る こ と が 可 能 と な り ， 全 体 構 造 の 中 で 最 も 強 度 が 低 い 破 損 部 材 に お け る 座 屈 荷 重 の 評 価 も 可 能 で あ る こ と を 検 討 し た ．

試 験 体 は ， ２ 章 ２ 節 で 記 載 し た PV シ ス テ ム と 同 様 に 縦 4 段×横 2 列 の 合 計 8 枚 設 置 し た も の を 1 ユ ニ ッ ト と す る 実 寸 大 の 地 上 設 置 型 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム で あ る ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で は 横 方 向 に 1/2 ユ ニ ッ ト を 並 べ た も の を ， 風 圧 力 を 模 擬 し た 実 験 で は 1 ユ ニ ッ ト を 並 べ た も の を 試 験 体 と し ， 図 3-1 (a), (b)に 示 す ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 に お い て は ， 試 験 体 を 1/2 ユ ニ ッ ト と す る こ と で 載 荷 す る 砂 袋 を 少 な く し ， 実 験 の 効 率 化 を 図 っ た ． 架 台 は ， 図 3-2 (a), (b), (c) に 示 す 断 面 の 薄 板 鋼 材 が 組 み 立 て ら れ た も の で あ り ， 柱 部 材 の 下 部 の み ， 図 3-2 (d)に 示 す 断 面 の 部 材 を 介 し て 基 礎 を 模 し た 試 験 装 置 の 重 量 鉄 骨 に 固 定 さ れ る ． 図 3-2 に 示 す G は 各 断 面 の 図 心 位 置 を 表 し て い る ． な お ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル は ， 部 材 1 に ボ ル ト と ナ ッ ト を 用 い て 留 め 付 け ら れ て い る ． 表 3-1 に 試 験 体 を 構 成 す る 部 材 に 用 い た 鋼 材 の 寸 法 を 示 す ． 鋼 製 架 台 の 設 計 は ， 小 規 模 建 築 物 と 同 様 に ， 各 部 材 が 弾 性 範 囲 内 と な る 許 容 応 力 設 計 法 を 用 い た^{( 1 )}． ま た ， 試 験 体 に お い て よ り 厳 し い 設 計 条 件 を 適 用 す る と し て ， 設 計 荷 重 は 太 陽 電 池 ア レ イ 用 支 持 物 の 設 計 用 荷 重 算 出 方 法(JIS C 8955:2017) ^{6 )} に し た が い ，積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で は 垂 直 積 雪 量 0.99 m 以 下 ， 積 雪 の 単 位 体 積 重 量 2.0 kN/m³を 想 定 し ， 分 布 荷 重 を 1980 Pa， モ ジ ュ ー ル 傾 斜 角 度 は 10°と し た ． 風 圧 力 を 模 擬 し た 実 験 で は ア レ イ 端 部 に 作 用 す る こ と を 想 定 し ， 風 力 係 数 は ，1.25， 基 準 風 速 38 m/s， 地 表 面 粗 度 区 分 III， モ

55

ジ ュ ー ル 傾 斜 角 度 20°に お い て 分 布 荷 重 1925Pa と し た ．

な 範 囲 で 砂 袋 を 均 等 に 配 置 し て ， 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た ． 試 験 体 へ の 載 荷 ス テ ッ プ を 図 3-3 に 示 す ． 変 位 測 定 は ， ス テ ッ プ 毎 に 行 い ， 併 せ て 架 台 の 変 形 状 況 を 目 視 観 察 し た ． 変 位 測 定 位 置 は 図 3-1 (a)に 示 す ， 部 材 No. 1 お よ び 柱 部 材 の 中 で 最 も 長 い 部 材 No. 5 の 位 置 D1, D2, D3 お よ び D4 に 着 目 し た ．1319 Pa, 2039 Pa お よ び 2399 Pa 載 荷 時 に は 除 荷 を 行 い ， そ の 後 ， 試 験 体 が 破 壊 す る ま で 砂 袋 の 載 荷 を 続 け ，試 験 体 の 破 壊 時 に お け る 強 度 評 価 を 行 っ た ．な お ， 試 験 体 の 破 壊 に よ る 変 位 計 の 損 傷 を 防 ぐ た め ， 変 位 測 定 は 2399 Pa ま で と し た ． 実 験 状 況 を 写 真 3-1(a), (b)に 示 す ．

57

３ － ２ － ３ ． 風 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 概 要

風 荷 重 に つ い て は ， 第 ２ 章 で 記 載 し た 大 型 水 平 耐 風 圧 試 験 装 置 を 用 い て 風 荷 重 の 正 圧（PV シ ス テ ム を 押 し 下 げ る 圧 力 ）を 模 擬 し た 実 験 を 行 っ た ．載 荷 ス テ ッ プ に つ い て も ２ 章 と 同 様 に 図 3-4 に 示 す ス テ ッ プ で 2400 Pa ま で 加 圧 ， 除 荷 を 繰 り 返 し ， ス テ ッ プ 毎 に 部 材 の 変 位 測 定 お よ び 架 台 の 変 形 の 様 子 を 目 視 観 察 し た ．変 位 測 定 位 置 は 積 雪 を 模 擬 し た 実 験 と 同 様 に 図 3-1 (b) に 示 す ， 部 材 No. 1 お よ び 柱 部 材 の 中 で 最 も 長 い 部 材 No. 5 の 位 置 D5, D6, D7 お よ び D8 に 着 目 し た ． 載 荷 圧 力 2400 Pa 以 降 は 試 験 体 が 破 壊 す る ま で 加 圧 を 続 け ， 試 験 体 の 破 壊 時 に お け る 強 度 評 価 を 行 っ た ． 変 位 測 定 は 変 位 計 の 損 傷 を 防 ぐ た め ， 載 荷 圧 力 2000 Pa ま で と し た ．

お い て 部 材 No. 1 お よ び No. 5 の 測 定 位 置 に お け る 載 荷 圧 力 と 変 位 の 関 係 を 図 3-6 (a), (b)に 示 す ． 図 3-5, 3-6 か ら ， そ れ ぞ れ の 実 験 に お い て ， 各 部 材 は 載 荷 圧 力 が 上 が る に つ れ て 変 位 が 大 き く な っ て い る こ と が わ か る ． 柱 部 材 の 変 形 方 向 は ， 図 3-5 (a)の D1 と D2， 図 3-6 (a)の D5 と D6 の 位 置 で そ れ ぞ れ 反 対 方 向 に 変 形 し て い る こ と が わ か る ．図 3-5 (b)お よ び 図 3-6 (b)は ，部 材 No.

1 に お け る 変 形 の グ ラ フ を 示 し ， 変 位 の 方 向 は ど ち ら も 鉛 直 方 向 に 変 形 し て い る こ と が わ か る ． 除 荷 時 の 残 留 変 位 に つ い て は ， 測 定 範 囲 内 で は ほ ぼ 0 で あ る た め ， 弾 性 変 形 で あ る こ と が わ か っ た ． 各 実 験 に お け る 部 材 No. 1 お よ び No. 5 の 変 形 方 向 は 図 3-7 (a), (b)に 赤 色 の 矢 印 で 示 す ． そ の 後 ， 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で は 5038 Pa か ら 5278 Pa へ 昇 圧 中 に 部 材 No. 5 が 座 屈 後 に 試 験 体 は 破 損 し た ．一 方 ，風 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で は 4250 Pa か ら 4500 Pa へ の 昇 圧 中 に 部 材 No. 4 が 座 屈 し ， そ の 直 後 ， 試 験 体 は 破 壊 し た ． 座 屈 が 発 生 し た 箇 所 を そ れ ぞ れ 図 3-7, 3-8 に 緑 色 の 丸 で 示 す ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 と 風 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で 破 損 し た 柱 部 材 が 異 な る の は ， 積 雪 荷 重 で は 鉛 直 下 向 き 方 向 に 荷 重 が 作 用 す る の に 対 し て ， 風 圧 力 で は ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル 面 の 法 線 方 向 に 圧 力 が 作 用 し ， 部 材 No. 4 の 取 り 付 け 角 度 と 風 圧 力 の 方 向 が ほ ぼ 平 行 で あ っ た ．こ の こ と が 原 因 と な り 柱 部 材（ 部 材 No.2-No.5）に 作 用 す る 軸 力 の な か で も 部 材 No. 4 に 作 用 す る 軸 力 の 割 合 が 大 き く な っ た と 考 え ら

59

れ る ．積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 に お け る 破 壊 後 の 試 験 体 の 状 況 を 写 真 3-2(a), (b)に 示 す ．

た が っ て ， 接 合 部 は 部 材 の 接 触 面 と な り 図 心 軸 か ら ず れ た 位 置 と な る ． 薄 板 鋼 材 を 用 い た 場 合 ， こ の 図 心 軸 が ず れ た 位 置 で 接 合 さ れ て い る こ と が 架 台 の 強 度 に 大 き く 影 響 す る と 考 え ， 接 合 部 の モ デ ル 作 成 方 法 が 異 な る 2 つ の 解 析 モ デ ル を 作 成 し ， 解 析 結 果 を 比 較 し た ．

本 解 析 で は 汎 用 有 限 要 素 解 析 ソ フ ト Marc 2018 お よ び プ リ ・ ポ ス ト 処 理 ソ フ ト Mentat を 用 い て 解 析 を 行 っ た ．実 験 で は 柱 部 材 が 突 然 に 座 屈 し ，試 験 体 全 体 が 破 損 し た こ と か ら 弾 性 解 析 を 行 っ た ． 使 用 し た 要 素 は ベ ル ヌ ー イ ・ オ イ ラ ー 理 論 に よ る 3 次 元 弾 性 梁 要 素 と し ， 微 小 変 形 を 仮 定 し た ． 梁 要 素 は ， 断 面 形 状 が ど の よ う な 形 状 で あ っ て も 点 と 線 で 表 さ れ ， 断 面 性 能 と し て の 断 面 積 ， 断 面 2 次 モ ー メ ン ト な ど で 表 現 さ れ ， 見 か け 上 は 太 さ の な い 構 造 と な る ． 材 料 特 性 は 実 験 の 試 験 体 で 用 い た 部 材 と 同 様 に 鋼 の 縦 弾 性 係 数 E=205 GPa お よ び ポ ア ソ ン 比 ν=0.3 を 使 用 し た ． 梁 要 素 モ デ ル で 解 析 を 実 施 す る た め ， 荷 重 条 件 は モ ジ ュ ー ル 面 に 作 用 す る 単 位 面 積 あ た り の 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力 か ら 式(1)を 用 い て 単 位 長 さ あ た り の 等 分 布 荷 重 を 算 出 し た ．積 雪 と 風 で は 荷 重 方 向 が 異 な る た め ， 積 雪 荷 重 は モ ジ ュ ー ル を 支 え る 部 材 No. 1 に 対 し て 鉛 直 方 向 に ， 風 荷 重 は 部 材 No. 1 に 対 し て 垂 直 方 向 に 荷 重 を 作 用 さ せ る モ デ ル を 作 成 し た ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 解 析 モ デ ル は 951 要 素 ， 風 荷 重 を 模 擬 し た 解 析 モ デ ル で は 2168 要 素 と し た ．

ドキュメント内 薄 板鋼 材を用 いた 地上設 置型 太陽光 発電 (ページ 34-135)