薄 板鋼 材を用 いた 地上設 置型 太陽光 発電

薄 板鋼 材を用 いた 地上設 置型 太陽光 発電 シ ステ ム架台 の力 学的評 価に 関する 研究

前 田 泰 宏

第２章 耐風圧試験 8

２－１． 緒 言 8

２－２． 耐風圧試験装置概要 10

２－３． 耐風圧試験に供した試験体 11

２－４． 耐風圧試験方法 12

２－５． 耐風圧試験結果 14

２－５－１．耐風圧試験の正圧試験結果 14

２－５－２．耐風圧試験の負圧載荷試験結果 16

２－６． PVシステム架台の耐風性能評価 18

２－７． 結 言 20

参 考 文 献 第３章 梁要素モデルを用いた架台全体FEM解析と実寸大実験の比較 52

３－１． 緒 言 52

３－２． 設計荷重を模擬した実験方法 54

３－２－１．試験に供した試験体の諸元 54

３－２－２．積雪荷重を模擬した実験 56

３－２－３．風荷重を模擬した実験 57

３－３． 実寸大実験の結果 58

B

３－４． 梁要素モデルを用いた架台全体のFEM解析方法 60

３－５． 梁要素モデルを用いた架台全体のFEM解析結果 62

３－６． 実物大実験結果と梁要素解析モデルのFEM解析結果の比較 64

３－６－１．変形モードの評価 64

３－６－２． 破壊部材の判定および座屈荷重の評価 66

３－７． 結 言 68

参 考 文 献 第４章 シェル要素を用いたFEM解析と実験の比較 94

４－１． 緒 言 94

４－２． シェル要素モデルを用いた架台全体の解析方法 96

４－３． シェル要素モデルを用いた架台全体の解析結果 98

４－３－１．変形における評価 99

４－３－２．破壊部材における評価 101

４－１． 結 言 104

参 考 文 献 第５章 柱部材の弾塑性解析における変形挙動 118

５－１． 緒 言 118

５－２． 座屈挙動確認のためのシェル要素を用いた柱部材の解析方法 120

５－３． 座屈挙動確認のためのシェル要素を用いた柱部材の解析結果 122

５－４． 解析結果と耐風圧試験結果のまとめ 124

６－１． 緒 言 135

６－２． 山型鋼の圧縮実験方法 137

６－３． マルチスケール解析による柱部材のFEM弾塑性解析方法 138

６－３－１． ソリッド要素を用いたFEM解析モデルについて 138 ６－３－２． シェル要素を用いたFEM解析モデルについて 140

６－４． 実験結果およびFEM解析結果の比較 141

６－５． 破壊部材におけるモニタリングの可能性 143

６－６． 破壊部材の座屈荷重に関する評価 148

６－５． 結 言 150

参 考 文 献 第７章 結 論 170 謝 辞

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第 １ 章 緒 論

近 年 ， 地 球 温 暖 化 の 深 刻 な 影 響 は 世 界 各 国 で 認 知 さ れ て お り ， 世 界 全 体 の 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 量 を 2050 年 ま で に 少 な く と も 50%削 減 す る と い う 目 標 が 掲 げ ら れ て い る ． こ れ ま で 我 が 国 の エ ネ ル ギ ー 資 源 と し て 貢 献 し て き た 基 幹 電 源 は ， 石 油 ・ 石 炭 を エ ネ ル ギ ー 源 と し た 火 力 発 電 や 原 子 力 発 電 が あ る ． し か し ，2011 年 3 月 11 日 に 発 生 し た 東 日 本 大 震 災 に 伴 う 福 島 第 一 原 子 力 発 電 所 事 故 に よ っ て ほ と ん ど が 停 止 し た た め ， 日 本 の エ ネ ル ギ ー 問 題 は さ ら に 深 刻 と な り ， 原 子 力 発 電 に 代 わ る エ ネ ル ギ ー 源 と し て 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー が 注 目 さ れ て い る^{( 1 )}．

わ が 国 の 主 要 な エ ネ ル ギ ー 源 の 石 油 ・ 石 炭 な ど の 化 石 燃 料 は 限 り が あ る エ ネ ル ギ ー 資 源 で あ る ． こ れ に 対 し ， 太 陽 光 や 太 陽 熱 ， 水 力 ， 風 力 ， バ イ オ マ ス ， 地 熱 な ど の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー は ， 一 度 利 用 し て も 比 較 的 短 期 間 に 再 生 が 可 能 で あ り ， 資 源 が 枯 渇 し な い エ ネ ル ギ ー で あ る ． ま た ， 温 室 効 果 ガ ス を 排 出 せ ず ， 国 内 で 生 産 で き る こ と か ら ， エ ネ ル ギ ー 安 全 保 障 に も 寄 与 で き る 有 望 か つ 多 様 で ，重 要 な 低 炭 素 の 国 産 エ ネ ル ギ ー 源 で あ る ．我 が 国 で は 2012 年 7 月 に 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 価 格 買 取 制 度 （ 以 下 ，FIT 制 度 ） が 実 施 さ れ た ． こ れ は 太 陽 光 ， 風 力 ， 水 力 ， 地 熱 ， バ イ オ マ ス の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 源 を 用 い て 発 電 さ れ た 電 気 を ，国 が 定 め る 価 格 で 一 定 期 間 電 気 事 業 者(電 力 大 手 10 社)が 買 い 取 る こ と を 義 務 付 け る 制 度 で ， 発 電 す る 事 業 者 は あ る 期 間 ， 一 定 の 価 格 で 電 力 の 販 売 が 可 能 と な る ．さ ら に ，福 島 県 で は 2040 年 ご ろ を 目

と し て 着 目 さ れ て い る ． 太 陽 光 発 電 の エ ネ ル ギ ー 源 は 太 陽 光 で あ る た め ， 基 本 的 に は 設 置 す る 地 域 に 制 限 が な く 基 幹 電 源 と し て 期 待 さ れ て い る ． ま た ， 発 電 時 に CO2 を 排 出 し な い た め ， 環 境 問 題 の 観 点 か ら も 注 目 を 浴 び て い る ． 太 陽 光 発 電 技 術 の 開 発 ・ 普 及 は 我 が 国 の 重 要 な 政 策 と し て 進 め ら れ て い る た め ， 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム （ 以 下 ，PV シ ス テ ム ） の 導 入 量 は 2013 年 ご ろ か ら 非 常 に 増 加 し て き て い る^{( 9 )}．

PV シ ス テ ム の 普 及 に 伴 い ，台 風 ，積 雪 な ど の 自 然 災 害 に よ っ て PV シ ス テ ム は 破 損 し ， 場 合 に よ っ て は 他 の 建 築 物 を 損 傷 さ せ る 事 故 も 発 生 し て い る ． PV シ ス テ ム と は 基 礎 ，太 陽 光 発 電 架 台（ 以 下 ，架 台 と す る ）お よ び 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル か ら 成 る 構 造 物 を 指 す ．最 近 で は ，市 街 地 や 住 宅 地 に ，多 く の PV シ ス テ ム が 設 置 さ れ る よ う に な っ た た め ，自 然 災 害 の た び に ，PV シ ス テ ム の 破 壊 お よ び 飛 散 な ど の 被 害 が 発 生 し て は ，PV シ ス テ ム の 信 頼 性 は 下 が り ，普 及 を 遅 ら せ る 結 果 と な る ．し た が っ て ，PV シ ス テ ム 架 台 の 適 切 な 設 計 お よ び 施 工 を 行 い ， 基 幹 電 源 と し て PV シ ス テ ム を 残 す こ と は 非 常 に 重 要 で あ る ．

架 台 は 建 築 物 と 比 較 し て 構 造 は 比 較 的 簡 易 で あ り 設 計 ・ 設 置 に 高 度 な 技 能 は 必 要 と し な い ． 架 台 は JIS C 8955 :2017^{( 1 0 )}を 用 い て 設 計 荷 重 が 算 出 さ れ る が ， 大 き な 問 題 点 と し て 架 台 の 設 計 指 針 が 存 在 し な い こ と が 挙 げ ら れ る ． 現 状 で は ， 薄 板 軽 量 形 鋼 造 の 架 台 に 対 し て 土 木 ・ 建 築 付 帯 設 備 の 設 計 手 法 が 援

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用 さ れ て 設 計 が 行 わ れ て お り ， 設 置 場 所 や そ の 環 境 ， お よ び 設 置 規 模 な ど の 状 況 を 考 慮 し て ， そ れ ぞ れ の 設 置 業 者 が 異 な る 設 計 基 準 に よ り 独 自 に 架 台 を 設 計 ・ 製 造 し ，設 置 し て い る 状 況 に あ る ．一 方 で ，PV シ ス テ ム が 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 で き る こ と か ら ， 軽 量 か つ 安 価 な 部 材 や そ れ を 組 み 合 わ せ た 構 造 に よ り 設 置 さ れ て い る こ と も ， 先 に 述 べ た 破 損 事 故 の 一 因 と な っ て い る こ と が 指 摘 さ れ て い る ． 現 状 で の 架 台 の 構 造 設 計 手 順 は ， 発 注 す る 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル と 設 置 場 所 の 初 期 条 件 を も と に 設 計 を 行 な う が ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル を 製 造 す る 各 メ ー カ ー で 寸 法 の 違 い が あ り 統 一 さ れ た 規 格 が な い こ と ， さ ら に は 設 置 場 所 に よ っ て 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル が 最 も 電 力 を 発 電 で き る よ う に 角 度 を 変 更 し な け れ ば な ら な い こ と な ど か ら ，初 期 条 件 が 変 更 さ れ る 度 に 個 別 に 架 台 の 設 計 を す る 必 要 が あ る ．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 個 別 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 論 文 に お い て は ， 薄 板 鋼 材 を 用 い た 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム 架 台 に お け る 効 率 的 か つ 合 理 的 な 設 計 規 準 ・ 指 針 構 築 の 設 定 の 必 要 性 か ら ， 風 お よ び 積 雪 の よ う な 自 然 外 力 を 考 え ， 架 台 の 力 学 的 評 価 を 行 っ た ．

架 台 の 力 学 的 評 価 を 行 う た め に は ， 実 寸 大 の 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム を 用 い た 実 験 を 実 施 し ，FEM 解 析 結 果 と 実 験 結 果 を 総 合 的 に 比 較 検 討 し て い く 必 要 が あ る ． 本 論 文 で は ， 実 寸 台 の PV シ ス テ ム を 用 い て 風 お よ び 積 雪 を 模 擬 し た 実 験 を 実 施 し た ． 特 に ， 風 圧 力 を 模 擬 し た 実 験 で は ， 新 た に 水 平 型 耐 風

ス ケ ー ル 解 析 は ， 架 台 全 体 に つ い て は 比 較 的 簡 易 な 要 素 で 解 析 モ デ ル を 作 成 し マ ク ロ な 視 点 の 評 価 と し て FEM 解 析 を 実 施 し ， 破 壊 す る と 予 測 さ れ る 部 材 に つ い て は ， 緻 密 な 要 素 で 解 析 モ デ ル 作 成 し 、 ミ ク ロ な 視 点 の 評 価 と し て FEM 解 析 結 果 か ら 破 壊 や 変 形 に つ い て の 評 価 を 行 う 手 法 で あ る ．こ の 解 析 結 果 を 組 み 合 わ せ た 手 法 に よ っ て ， 個 別 設 計 に 対 応 し た 合 理 的 ， 効 率 的 な 架 台 の 設 計 が 可 能 に な る と 考 え ら れ る ． そ こ で ， マ ル チ ス ケ ー ル 解 析 手 法 に よ っ て FEM 解 析 を 実 施 し ， そ れ ぞ れ の 解 析 結 果 か ら ， 架 台 を 設 計 す る 上 で 合 理 的 ， 効 率 的 な 解 析 モ デ ル の 提 案 を 行 う ． ま た ， モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 評 価 を 実 施 し ， 架 台 の 設 計 だ け で な く ， 維 持 管 理 に 重 要 な 変 形 の 基 準 値 の 提 案 や 破 損 を 防 ぐ た め に 重 要 な 知 見 に つ い て も 報 告 す る ．

本 論 文 は ， 全 文 ７ 章 か ら 成 る ．

第 １ 章 は 緒 論 で あ り ， 太 陽 光 発 電 の 現 状 と 問 題 点 に 基 づ き 本 論 文 の 目 的 と 背 景 を 明 ら か に し た ．

第 ２ 章 は ， 水 平 型 耐 風 圧 試 験 装 置 を 用 い て 今 ま で 困 難 で あ っ た 風 圧 力 を 模 擬 し た 実 寸 大 の 実 験 を 行 っ た ． こ こ で は ， 試 験 装 置 を 用 い て 架 台 の 耐 風 圧 性 能 を 評 価 す る た め の 試 験 方 法 と ， 試 験 結 果 か ら 耐 風 圧 性 能 の 評 価 方 法 を 提 案 し た ．

第 ３ 章 で は ， 風 圧 力 と 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 と FEM 解 析 結 果 を 総 合 的

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に 比 較 し ， 架 台 の 力 学 的 評 価 を 行 っ た ． こ こ で は ， マ ク ロ な 視 点 の 評 価 と し て 架 台 全 体 の 強 度 評 価 を 実 施 し た ． 解 析 モ デ ル は 比 較 的 簡 易 的 な 3 次 元 弾 性 梁 要 素 を 使 用 し た ． 薄 板 鋼 材 で 構 成 さ れ る 架 台 を モ デ ル 化 す る に あ た り ， 部 材 同 士 の 接 合 部 に お い て ， 図 心 軸 の ず れ を 考 慮 し た 偏 心 あ り モ デ ル を 使 用 す る こ と で ， 架 台 の 変 形 に お け る 定 性 的 な 評 価 ， 破 壊 部 材 の 判 定 ， 座 屈 荷 重 の 算 出 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し た ．

第 ４ 章 で は ， 第 ３ 章 で 示 し た 実 験 結 果 と FEM 解 析 結 果 の 比 較 か ら 架 台 の 定 量 的 な 変 形 の 評 価 に お い て 課 題 が あ っ た た め ， シ ェ ル 要 素 モ デ ル に よ る FEM 解 析 を 実 施 し た ．３ 章 と 同 様 に 実 験 結 果 と 解 析 結 果 を 比 較 し ，架 台 の 変 形 に お い て 定 量 的 な 評 価 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し た ．

第 ５ 章 で は ， こ れ ま で の 実 験 結 果 と マ ク ロ な 視 点 の 解 析 結 果 か ら ， 架 台 の 破 壊 原 因 お よ び 破 壊 部 材 を 想 定 し ， ミ ク ロ な 視 点 の 評 価 と し て 柱 部 材 の 山 型 鋼 の み の FEM 弾 塑 性 解 析 を 行 い ， 山 型 鋼 が 座 屈 す る ま で の 変 形 挙 動 を 観 察 し た ． 解 析 モ デ ル の 拘 束 条 件 は 架 台 を 構 成 す る 柱 部 材 の 拘 束 条 件 と 多 少 異 な っ て い た が ， 薄 板 山 型 鋼 材 の 座 屈 ま で の 変 形 挙 動 を 把 握 す る 上 で 重 要 な 知 見 で あ る こ と を 示 し た ．

第 ６ 章 で は ， ミ ク ロ な 視 点 の 評 価 の 正 確 性 を 高 め る た め 、架 台 の 柱 部 材 と 同 様 の 拘 束 条 件 で 圧 縮 試 験 を 実 施 し 、 試 験 結 果 と ， そ の 試 験 と 同 様 の 状 況 を 模 擬 し た FEM 解 析 結 果 の 比 較 検 討 を 行 っ た ． 解 析 モ デ ル はソ リ ッ ド 要 素 お よ び シ ェ ル 要 素 を 用 い て 行 い ，FEM 解 析 結 果 か ら ， ソ リ ッ ド 要 素 を 用 い た FEM 解 析 結 果 は ， シ ェ ル 要 素 を 用 い た FEM 解 析 結 果 と 比 較 し て ， 安 全 に 変 形 に お け る 評 価 が 可 能 で あ る こ と を 示 し ， さ ら に モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 評 価

よ る 架 台 設 計 フ ロ ー の 提 案 を 行 っ た ． マ ク ロ な 視 点 の 評 価 と ミ ク ロ な 視 点 の 評 価 を 組 み 合 わ せ て 設 計 を 実 施 す る こ と で 初 期 設 計 段 階 に お け る 部 材 の 配 置 決 め や ， 架 台 を 構 成 す る 部 材 断 面 の 検 討 お よ び 最 適 化 を 可 能 に す る だ け で な く ， 破 損 部 材 に つ い て 破 壊 過 程 を 詳 細 に 調 査 し ， 個 別 設 計 に 対 応 可 能 か つ 安 全 で 合 理 的 な 架 台 設 計 が で き る こ と を 示 す 。 さ ら に 架 台 保 守 時 の 健 全 性 評 価 に も 適 用 可 能 で あ る こ と を 示 す 。

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参 考 文 献

(1) 環 境 省, 2050 年 を 見 据 え た 温 室 効 果 ガ ス の 大 幅 削 減 に 向 け て, (2017) (2) 植 松 康, 太 陽 光 発 電 設 備 の 構 造 設 計 に 関 す る 安 全 性 向 上 へ の 取 り 組 み 太

陽 光 発 電 シ ス テ ム の 構 造 安 全 性 向 上 に 向 け て, 太 陽 エ ネ ル ギ ー, No. 44 (2018), pp.5–8.

(3) 新 エ ネ ル ギ ー 総 合 開 発 機 構, NEDO NEWS, No. 1 (1988), pp.5–6.

(4) 新 エ ネ ル ギ ー 総 合 開 発 機 構, NEDO NEWS, No. 6 (1988), p19.

(5) 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 ホ ー ム ペ ー ジ,

http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/renewable/out

line/index.html#outline, (2018).

(6) 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 耐 風 設 計 マ ニ ュ ア ル, 一 般 社 団 法 人 日 本 風 工 学 会 (2017).

(7) 鈴 木 伸 一, 日 本 に お け る 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム の 今 と 未 来, 環 境 管 理, Vol.51, No. 4, (2015), pp. 31-35.

(8) 福 島 県, 福 島 県 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 推 進 ビ ジ ョ ン, (2012).

(9) 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 ホ ー ム ペ ー ジ,

http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/renewable/sol

ar/index.html, (2018).

(10) 一 般 社 団 法 人, 日 本 規 格 協 会, JIS C 8955:2017 太 陽 電 池 ア レ イ 用 支 持 物

設 計 標 準

(11) 奥 地 誠, 高 森 浩 治, 構 造 設 計 の 基 本 と NEDO 設 計 ガ イ ド ラ イ ン の 解 説,

太 陽 エ ネ ル ギ ー, No. 44 (2018), pp.9–16.

再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 普 及 に 伴 い ， 写 真 2-1, 2-2, 2-3 に 示 す よ う に ， 台 風 や 突 風 な ど の 強 風 災 害 や 積 雪 に よ る PV シ ス テ ム 架 台 の 構 造 的 な 事 故 が 散 見 さ れ て い る ． こ の 理 由 と し て ， コ ス ト 削 減 を 考 慮 し た PV シ ス テ ム 架 台 の 構 造 に あ る と 考 え ら れ る ． 架 台 の 構 造 は 通 常 の 建 築 物 と 比 較 し て ， 使 用 さ れ る 部 材 は ， 板 厚 の 薄 い 部 材 （ 板 厚 1.6mm や 2.3mm） が 多 く 用 い ら れ ， 部 材 数 は 少 な い ． 接 合 部 も 簡 易 的 で あ る た め 冗 長 性 が 低 く ，1 本 の 部 材 が 破 損 ， ま た は ， 接 合 部 が 1 箇 所 破 断 す る と ， 瞬 時 に 構 造 物 全 体 の 破 壊 に 至 る 可 能 性 が 高 い ． こ の よ う な 破 壊 を 防 ぐ た め に ， 部 材 ま た は 接 合 部 の 耐 力 を 十 分 に 上 げ る 必 要 が あ る が ， 架 台 の 部 材 は 様 々 な 材 質 や 断 面 が 使 用 さ れ て お り ， 部 材 同 士 の 接 合 部 も 多 種 多 様 で ， 荷 重 の 伝 達 も 複 雑 で あ る た め ， 構 造 計 算 に よ っ て 接 合 部 の 破 断 耐 力 を 推 定 す る こ と は 困 難 で あ る ． こ の よ う な 場 合 ， 実 寸 大 の 試 験 体 を 用 い た 載 荷 試 験 を 実 施 し ， 耐 力 評 価 を 行 う こ と が 最 も 有 効 で あ る と 考 え ら れ る ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 す る 載 荷 実 験 は 砂 袋 を 雪 と 仮 定 し て 等 分 布 載 荷 を 行 う よ う な 実 験 方 法 が あ る が ， 風 圧 力 を 模 擬 す る 実 験 に つ い て は ， ほ と ん ど の PV シ ス テ ム が 傾 き を 持 っ て い る こ と や ， 風 圧 力 が 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル 面 に 対 し て 法 線 方 向 に 作 用 す る こ と か ら ， 載 荷 実 験 を 実 施 す る こ と は 非 常 に 困 難 で あ る ．

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本 章 で は ，NEDO(国 立 研 究 開 発 法 人 新 エ ネ ル ギ ー・産 業 技 術 総 合 開 発 機 構) の 「 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 効 率 向 上 ・ 維 持 管 理 技 術 開 発 プ ロ ジ ェ ク ト 」 の 一 環 と し て ， 水 平 型 耐 風 圧 試 験 装 置 （ 以 下 ， 耐 風 圧 試 験 装 置 と す る ） を 開 発 し ， こ れ ま で 困 難 で あ っ た 実 物 大 の PV シ ス テ ム を 用 い た 耐 風 圧 試 験 が 可 能 と な っ た ． こ の 耐 風 圧 試 験 装 置 を 用 い て 実 寸 大 の 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム の 耐 風 圧 試 験 を 実 施 し ，耐 風 圧 性 能 を 評 価 す る た め の 試 験 方 法 を 提 案 す る と と も に ， 耐 風 圧 性 能 の 評 価 方 法 が 適 切 で あ る こ と 明 ら か に し た ．

の 大 型 水 平 耐 風 圧 試 験 装 置 で あ る ． 表 2-1 に 本 試 験 装 置 の 仕 様 を ， 写 真 2-4, 2-5, 2-6 に 装 置 の 外 観 を 示 す ． 写 真 2-4 に 示 す よ う に 圧 力 チ ャ ン バ ー の 2 つ の 壁 は 可 動 式 と な っ て い る た め ， 標 準 的 な 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル 1 枚 の 試 験 体 サ イ ズ か ら 最 大 60 枚 （6 段×10 列 ） 程 度 の 試 験 体 サ イ ズ ま で 調 整 す る こ と が 可 能 で あ る ． 圧 力 チ ャ ン バ ー の 最 大 有 効 寸 法 は 幅 16 m, 奥 行 6 m, 高 さ 4 m で あ る ． ま た ， こ の 装 置 は 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル を 下 向 き に 押 さ え つ け る 方 向 の 風 圧 力 を 模 擬 し た 「 正 圧 」 と 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル を 上 向 き に 持 ち 上 げ る 方 向 の 風 圧 力 を 模 擬 し た「 負 圧 」の 載 荷 が 可 能 で あ り ，最 大 加 圧 能 力 は±15000 Pa で あ る ． し た が っ て ， 設 計 荷 重 以 上 の 風 荷 重 を 容 易 に 載 荷 す る こ と が 可 能 で あ る ． 装 置 の 正 圧 お よ び 負 圧 の 加 圧 イ メ ー ジ を 図 2-1 お よ び 図 2-2 に 示 す ． 耐 風 圧 試 験 装 置 は 試 験 体 の 架 台 や 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル を 破 壊 す る ま で 加 圧 が 可 能 で あ る た め ， 試 験 体 の 破 壊 モ ー ド や 設 計 荷 重 に 対 す る 構 造 的 な 余 裕 度 の 確 認 も 可 能 で あ る ．

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２ － ３ ． 耐 風 圧 試 験 に 供 し た 試 験 体

試 験 体 の PV シ ス テ ム は ，モ ジ ュ ー ル 8 枚 を 4 段 ，2 列 ，モ ジ ュ ー ル 傾 斜 角 度 θ を 20°で 架 台 に 取 り 付 け た も の を 1 ユ ニ ッ ト と し ， 図 2-3 の よ う に 横 方 向 に4ユ ニ ッ ト が 並 べ ら れ て い る ．架 台 は 表 2-2に 示 す 部 材 で 組 み 立 て ら れ ， モ ジ ュ ー ル は 架 台 の 構 成 部 材 で あ る モ ジ ュ ー ル 受 け に ボ ル ト に よ っ て 固 定 さ れ て い る ． 試 験 体 1 ユ ニ ッ ト お よ び 架 台 を 構 成 す る 部 材 を 図 2-4 に 示 す ． 本 試 験 で は ， 4 ユ ニ ッ ト で 試 験 を 実 施 し ，試 験 装 置 の 構 造 壁 に よ る 影 響 を 少 な く す る た め 中 央 部 の ユ ニ ッ ト を 測 定 の 対 象 と し た ． 試 験 に 供 し た モ ジ ュ ー ル の 外 形 寸 法 は 長 さ 1650 mm, 幅 991 mm, 厚 さ 40 mm, 公 称 質 量 は 19.5 kg， メ ー カ ー 保 証 の 耐 荷 重 は 2400 Pa で あ る ． ま た ， 架 台 の 構 造 形 式 は ， 図 2-5 に 示 す ピ ン 構 造 で あ る ． 試 験 体 の 設 計 条 件 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 ， 設 計 基 準 風 速 V0を 38m/s， 地 表 面 粗 度 区 分 を Ⅲ と し た ． 本 試 験 体 は ア レ イ 端 部 に 設 置 し て い る PV シ ス テ ム を 想 定 し ，風 力 係 数 は ，順 風 で 1.25，逆 風 で-1.61 を 採 用 す る こ と で よ り 危 険 側 の 荷 重 を 設 定 す る こ と と し た ． ま た 用 途 係 数 は 1 と す る ．

て 余 裕 度 が あ る こ と を 確 認 し た ．

耐 風 圧 試 験 は ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル を 下 向 き に 押 さ え つ け る 方 向 の 風 圧 力 を 再 現 し た 正 圧 載 荷 と ， モ ジ ュ ー ル を 上 向 き に 持 ち 上 げ る 方 向 の 風 圧 力 を 再 現 し た 負 圧 載 荷 で 行 っ た ． 圧 力 を 作 用 さ せ る 際 に 装 置 内 部 の 漏 気 を 防 止 す る た め ， 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル 間 お よ び 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル と 試 験 装 置 の 壁 と の 隙 間 は ビ ニ ル シ ー ト(t = 0.1 mm)を 用 い て 塞 ぎ ， ビ ニ ル シ ー ト は 適 度 に た る ま せ る こ と で 試 験 体 の 変 形 を 拘 束 し な い よ う に 取 り 付 け た ． 耐 風 圧 試 験 装 置 に よ る 正 圧 載 荷 お よ び 負 圧 載 荷 の 圧 力 ス テ ッ プ を 図 2-6 お よ び 2-7 に 示 す ． こ こ で 示 す 載 荷 圧 力 は モ ジ ュ ー ル 面 に 作 用 す る 圧 力 と し た ． 環 境 条 件 と 試 験 体 の 設 計 条 件 を も と に 正 圧 お よ び 負 圧 の 風 荷 重 を 算 出 し ， 表 2-3 お よ び 2-4 に 正 圧 お よ び 負 圧 の 耐 風 圧 試 験 に お け る 目 標 荷 重(Target load)を 示 す ．ま た ，モ ジ ュ ー ル メ ー カ ー が 示 す モ ジ ュ ー ル の 耐 荷 重 2400 Pa に つ い て も 目 標 荷 重 と し て 追 加 し た ． た だ し ， モ ジ ュ ー ル メ ー カ ー が 示 す モ ジ ュ ー ル の 耐 荷 重 は ， モ ジ ュ ー ル の 破 壊 荷 重 を 表 す 数 値 で は な く ， モ ジ ュ ー ル メ ー カ ー が 示 す 発 電 性 能 を 保 証 す る 荷 重 で あ る ．

試 験 体 へ の 載 荷 ス テ ッ プ は ，目 標 荷 重 を 含 め て 250 Pa 刻 み で 段 階 的 に 設 定 し ， 設 定 し た 圧 力 に 昇 圧 し た 後 ，30 秒 間 保 持 し た ． 変 位 測 定 は ， 試 験 体 の 各 部 材 で 載 荷 ス テ ッ プ 毎 に 実 施 し て い る が ， 目 標 荷 重 3 以 降 は ， 試 験 体 の 破 壊

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に 伴 う 変 位 計 の 破 損 を 防 ぐ た め ， 正 圧 載 荷 試 験 で は 支 柱 部 材 ， 負 圧 載 荷 試 験 で は ， モ ジ ュ ー ル 受 け 部 材 の 変 位 が 大 き く な る と 考 え ら れ る 部 材 の 変 位 を 終 局 耐 力 ま で 測 定 し た ． 試 験 体 の 許 容 耐 力 の 確 認 は ， 圧 力 と 変 位 の 関 係 と 除 荷 後 の 残 留 変 位 に よ っ て 行 う た め ， 目 標 荷 重 3 ま で は 昇 圧 ス テ ッ プ 毎 に 除 荷 ス テ ッ プ を 挿 入 し て い る ． 目 標 荷 重 3 以 降 は 除 荷 ス テ ッ プ を 削 除 し ， 試 験 体 が 破 壊 す る ま で 段 階 的 な 昇 圧 を 続 け ， 試 験 体 が 破 壊 し た と き の 載 荷 圧 力 を 終 局 耐 力 と し た ．

図 2-8 に 示 す 位 置 に 変 位 計 を 取 り 付 け ，x 軸 方 向 の 変 位 に 着 目 し ， そ の 位 置 に お け る 圧 力 と 変 位 の 関 係 を 図 2-9 に 示 す ．図 2-9 よ り ，目 標 荷 重 1 の 1250 Pa ま で の 圧 力 と 変 位 の 関 係 は 線 形 で あ り ，除 荷 時 に 測 定 し た 残 留 変 位 も 0.04 mm と 非 常 に 小 さ い 値 で あ る た め 支 柱 部 材 は 弾 性 変 形 の 範 囲 で あ る と 考 え ら れ る ． 目 標 荷 重 2 の 2000 Pa ま で の 圧 力 と 変 位 の 関 係 は ， 非 線 形 と な っ て い る こ と が わ か る ． た だ し ， こ れ は ， 実 験 中 の 観 察 で 大 き な 音 が 生 じ た こ と か ら ， 載 荷 圧 力 の 上 昇 に よ る ボ ル ト 孔 の ク リ ア ラ ン ス の ズ レ が な く な っ た こ と に よ っ て 生 じ た 非 線 形 挙 動 の 可 能 性 が あ る と 考 え ら れ る ． 載 荷 後 の 残 留 変 位 は 0.6 mm で あ っ た ．目 標 荷 重 3 の 2400 Pa ま で 載 荷 し た が 試 験 体 は 破 壊 し な か っ た ． た だ し ， 除 荷 後 の 残 留 変 位 は 1.9 mm で あ っ た た め 目 標 荷 重 3 で は 変 位 測 定 を 行 っ た 部 材 は 弾 性 変 形 を 超 え て い た と 考 え ら れ る ． そ の 後 も 加 圧 を 継 続 し ，4250 Pa か ら 4500 Pa の 昇 圧 中 に 支 柱 が 座 屈 し ， 試 験 体 は 破 壊 し た ． し た が っ て ， 正 圧 載 荷 に 対 す る 試 験 体 の 終 局 耐 力 を 4250 Pa と し た ． 試 験 体 の 座 屈 位 置 を 図 2-10 に ， 破 壊 後 の 試 験 体 の 状 況 を 写 真 2-7, 2-8 に 示 す ．

構 造 解 析 の 結 果 か ら^{( 2 )}， 4 本 の 支 柱 部 材 が 負 担 し て い る 圧 縮 軸 力 の 割 合 を 図 2-11 に 示 す ．ま た 図 2-12 に ，試 験 で 座 屈 し た 支 柱 a，試 験 前 に 座 屈 す る と 予 想 し て い た 支 柱 b を 示 す ． 計 算 で は ， 座 屈 に 対 す る 部 材 検 定 比 は ， 材 長 が 最 長 と な る 支 柱 b で 一 番 大 き い 結 果 が 得 ら れ た ． し か し ， 試 験 で は ， 支 柱 a

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の 座 屈 が 先 行 し ， 試 験 体 は 破 壊 し た ． こ れ は ， 風 荷 重 が 作 用 す る 方 向 と 支 柱 の 取 り 付 け 角 度 に 関 係 す る と 考 え ら れ る ．図 2-12 に 示 す よ う に ，風 荷 重 は モ ジ ュ ー ル に 対 し て 垂 直 方 向 に 作 用 す る ． し た が っ て ， 風 荷 重 が 作 用 す る 方 向 と ほ ぼ 平 行 に 取 付 け て い る 支 柱 a で 圧 縮 軸 力 が 最 大 と な り ， こ の 影 響 が 大 き く 作 用 し た た め ，予 想 さ れ る 支 柱 b と 異 な り ， 支 柱 a で 座 屈 が 生 じ た と 考 え ら れ る ．

荷 重 3 の-2475 Pa ま で の 圧 力 と 変 位 の 関 係 は 直 線 的 に 変 化 し て お り ， ま た 残 留 変 位 も 最 大 で 0.18 mm と 非 常 に 小 さ い こ と か ら 試 験 体 は お お む ね 弾 性 範 囲 に あ る こ と が わ か る ． さ ら に ， 加 圧 を 継 続 し ， -4750 Pa か ら-5000 Pa の 昇 圧 中 に 試 験 体 が 破 壊 し た こ と か ら ， 試 験 体 の 終 局 耐 力 を-4750 Pa と し た ．

構 造 解 析 の 結 果 か ら ， モ ジ ュ ー ル 受 け の 曲 げ 破 壊 が 発 生 す る と 予 想 し て い た が ， 試 験 で は ， 作 用 す る 負 圧 に よ っ て モ ジ ュ ー ル が 持 ち 上 げ ら れ る よ う な 力 が 作 用 し ， モ ジ ュ ー ル の ア ル ミ フ レ ー ム 部 の ボ ル ト 孔 周 辺 で は ， ボ ル ト が 負 圧 作 用 方 向 へ 移 動 し た こ と で 円 周 方 向 の 引 張 破 壊 が 発 生 し ， モ ジ ュ ー ル が 離 脱 後 ，飛 散 し て 試 験 体 は 破 壊 し た ．試 験 体 の 破 壊 状 況 を 写 真 2-9, 2-10 に 示 す ． モ ジ ュ ー ル 受 け 部 材 で ね じ れ 座 屈 が 発 生 し な か っ た 理 由 と し て ， モ ジ ュ ー ル に よ る 補 剛 効 果 が 考 え ら れ る ． モ ジ ュ ー ル 受 け 部 材 は 非 対 称 断 面 か つ 薄 板 鋼 材 で あ る た め ， ね じ れ が 発 生 し や す い が ， モ ジ ュ ー ル 受 け 2 本 と モ ジ ュ ー ル で 構 成 さ れ た 複 合 体 と し て 荷 重 を 負 担 し て い る た め ，ね じ れ は 拘 束 さ れ ， モ ジ ュ ー ル 受 け 部 材 の 破 壊 に 至 ら な か っ た と 考 え ら れ る ．

次 に ， モ ジ ュ ー ル 固 定 用 ボ ル ト 孔 部 の ア ル ミ フ レ ー ム で 引 張 破 壊 が 発 生 し た 理 由 は ， モ ジ ュ ー ル 受 け 部 材 と 比 較 し て モ ジ ュ ー ル の ア ル ミ フ レ ー ム の 剛 性 が 低 い た め ， モ ジ ュ ー ル の ア ル ミ フ レ ー ム 部 の 変 形 が 大 き く な り ， モ ジ ュ ー ル 固 定 用 ボ ル ト 孔 付 近 に 応 力 集 中 が 発 生 し た こ と が 原 因 で あ る と 考 え ら れ

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る ． 別 途 実 施 し た モ ジ ュ ー ル 単 体 の 耐 風 圧 試 験^{( 3 )}で は モ ジ ュ ー ル の 終 局 耐 力 は-6000 Pa以 上 で あ っ た ．

こ れ ら の 結 果 か ら ， 負 圧 載 荷 試 験 で は ， モ ジ ュ ー ル 固 定 用 ボ ル ト 孔 付 近 に 偏 荷 重 が 作 用 し た こ と が 原 因 で 応 力 集 中 が 発 生 し ， モ ジ ュ ー ル の ア ル ミ フ レ ー ム で せ ん 断 破 壊 が 発 生 し た と 評 価 し た ．

2500 Pa 付 近 で 圧 力 と 変 位 の 関 係 が 非 線 形 と な り ， 構 造 物 中 に お け る 部 材 の 弾 性 限 度 を 判 定 す る こ と が で き る ． 一 方 ， 正 圧 載 荷 試 験 で は ， 図 2-9 に 示 す 圧 力 と 変 位 の 関 係 は ， 負 荷 の 初 期 段 階 か ら 非 線 形 で あ り ， 残 留 変 位 も 負 圧 載 荷 試 験 と 比 較 す る と 大 き い 値 を 示 し て い る た め ， 図 2-9 か ら 支 柱 の 弾 性 限 度 を 判 定 す る こ と は 困 難 で あ る ． 一 般 的 に ， ア セ ン ブ リ 試 験 を 実 施 し た 時 ， 圧 力 と 変 位 の 関 係 が 非 線 形 に 変 化 す る こ と や ， 各 接 合 部 に お け る ボ ル ト 穴 で の 僅 か な ズ レ が 蓄 積 す る こ と で 残 留 変 位 が 大 き く な る 場 合 が あ る と 報 告 さ れ て

い る^{( 4 )}． こ れ ら が 原 因 と な り 正 圧 載 荷 試 験 で は 圧 力 と 変 位 の 関 係 か ら 弾 性 限

度 の 評 価 が 困 難 で あ る と 考 え ら れ る ． 圧 力 と 変 位 の 関 係 か ら ， 弾 性 限 度 を 判 定 で き な い 場 合 ，建 築 物 の 外 装 材 に お け る 耐 力 試 験 で は 一 般 的 に 式(1)を 用 い て 試 験 体 の 許 容 耐 力 Paを 算 出 す る こ と が で き る^{( 4 )}．

𝑃_𝑎= 𝑃_𝑚𝑎𝑥⁄𝑆_𝑓 (1)

こ こ で Pm a x :終 局 耐 力[Pa]お よ び Sf :安 全 率[-]を 表 す ．式(1)を 使 用 す る 場 合 の 安 全 率 と し て 1.5～3.0 が 推 奨 さ れ て い る ^{5 )} ． 本 試 験 で は 安 全 率 に 関 す る 詳 細 な 検 討 結 果 が な い た め 2.0 以 上 の 安 全 率 を 採 用 す る 必 要 が あ る が ， 試 験 体 は 実 寸 大 の PV シ ス テ ム を 用 い て い る た め ，安 全 率 は 2.0 を 採 用 ^{5 )}し ，許 容 耐

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力 を 計 算 し た ． 表 2-5 に 許 容 耐 力 の 計 算 結 果 を 示 す ． 負 圧 載 荷 試 験 の 許 容 耐 力 は ， 図 2-14 に 示 す 荷 重-変 形 曲 線 か ら 考 え ら れ る 弾 性 限 度 内 で あ る こ と か ら ，妥 当 な 結 果 で あ る こ と が 確 認 で き た ．そ こ で ，算 出 し た 許 容 耐 力 Paか ら (2), (3)に 示 す JIS C 8955:2017^{6 )}の 設 計 荷 重 の 算 定 式 を 用 い て ， 設 計 用 基 準 風 速 Voの 適 用 範 囲 を 検 討 し た ．

𝑊𝑝= 𝐶𝑤× 𝑞𝑝× 𝐴𝑤 (2) 𝑞𝑝= 0.6 × 𝑉₀²× 𝐸 × 𝐼 (3)

こ こ で Wp:設 計 用 風 圧 荷 重[N], Cw:風 力 係 数[-], qp:設 計 用 速 度 圧[Pa], Aw:受 風 面 積[m2], E:環 境 係 数[-]お よ び I:用 途 係 数[-]を 表 す ．

設 計 用 基 準 風 速 の 算 出 に は ， 地 表 面 粗 度 区 分 や 風 力 係 数 の 設 定 が 必 要 と な る ．PV シ ス テ ム が 設 置 さ れ る 地 域 は ほ と ん ど の 場 合 に お い て 地 表 面 粗 度 区 分 が II お よ び III で あ る た め ， 地 表 面 粗 度 区 分 は II と III で 検 討 し ， 風 力 係 数 と 用 途 係 数 は 試 験 体 の 設 計 条 件 に 用 い た 値 と 同 様 の 値 を 用 い た ． 表 2-5 の 数 値 か ら 式(2)お よ び(3)を 用 い て 設 計 用 基 準 風 速 を 計 算 し ， そ の 結 果 を 表 2-6 に 示 す ．

試 験 体 の 設 計 条 件 は ， 地 表 面 粗 度 区 分 III, 設 計 用 基 準 風 速 38 m/sで あ り ， 設 計 条 件 を 上 回 る 耐 風 性 能 を 有 し て い る こ と が 確 認 で き た ．

算 に よ っ て 接 合 部 の 破 断 耐 力 を 推 定 す る こ と は 難 し い ． し た が っ て ， 実 寸 大 の 試 験 体 を 用 い て 載 荷 試 験 を 実 施 す る こ と が 望 ま し い が ， こ れ ま で 適 切 な 試 験 装 置 や 試 験 方 法 が な く ， 特 に 耐 風 性 能 を 評 価 す る こ と は 困 難 で あ っ た ． 本 章 で は 耐 風 圧 試 験 装 置 に よ っ て こ れ ま で 困 難 で あ っ た 実 物 大 の 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム を 試 験 体 と し て 耐 風 圧 試 験 を 実 施 す る こ と が 可 能 と な っ た ． 本 装 置 を 用 い て 実 施 し た 耐 風 圧 試 験 か ら 以 下 の こ と が 明 ら か と な っ た ．

I. 世 界 最 大 規 模 の 耐 風 圧 試 験 装 置 を 使 用 し ，地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム の 耐 風 性 能 を 評 価 す る た め の 試 験 方 法 を 示 し た ．

II. 実 物 の 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム を 試 験 体 と し て 用 い た 耐 風 圧 試 験 を 実 施 し ， 試 験 結 果 の 終 局 耐 力 か ら PV シ ス テ ム の 許 容 耐 力 を 求 め た ．

III. 求 め た 許 容 耐 力 か ら 試 験 体 で あ る 地 上 設 置 型 PV シ ス テ ム の 耐 風 性

能 を 評 価 す る こ と が 可 能 と な っ た ．

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参 考 文 献

(1) 川 上 暢 喜, 鍵 谷 俊 樹, 徳 原 功 載, 載 荷 実 験 に よ る 農 業 用 パ イ プ ハ ウ ス の 鉛 直 雪 荷 重 に 対 す る 耐 力 評 価, 岐 阜 県 中 山 間 農 業 研 究 所 研 究 報 告, Vol. 6 (2010), pp.18–25.

(2) 斧 出 雄 太, 伊 藤 隼 人, 高 森 浩 治, 前 田 泰 宏, 地 上 設 置 型 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 架 台 の 耐 風 性 能 評 価 そ の 2 載 荷 試 験 結 果 お よ び 性 能 評 価 ，日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集 構 造 I (2018), pp.66–67.

(3) 高 森 浩 治, 染 川 大 輔, 植 松 康, 太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル の 耐 力 評 価 に 関 す る 研 究 そ の 2 耐 力 評 価 結 果, 日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集 (2017), pp.169–170.

(4) 実 務 者 の た め の 建 築 物 外 装 材 耐 風 設 計 マ ニ ュ ア ル, 日 本 建 築 学 会 (2013).

(5) 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 耐 風 設 計 マ ニ ュ ア ル, 一 般 社 団 法 人 日 本 風 工 学 会 (2017), p.125.

(6) 前 田 泰 宏, 斧 出 雄 太, 竹 鼻 直 人, 伊 藤 隼 人, 地 上 設 置 型 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 架 台 の 設 計 に お け る FEM 解 析 モ デ ル の 提 案, 日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集 解 析 モ デ ル (2018), pp.455–456.

(7) 前 田 泰 宏, 小 沢 喜 仁, 高 森 浩 治, 竹 鼻 直 人, 斧 出 雄 太, 伊 藤 隼 人, 大 型 水 平 耐 風 圧 試 験 装 置 を 用 い た 実 物 大 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム の 耐 風 圧 試 験, 日 本 建 築 学 会 技 術 報 告 集, (2019,6)

写 真 2-1 強 風 災 害 に よ る PV シ ス テ ム 架 台 の 構 造 的 な 事 故

23

写 真 2-2 強 風 災 害 に よ る PV シ ス テ ム 架 台 の 構 造 的 な 事 故

写 真 2-3 積 雪 に よ る PV シ ス テ ム 架 台 の 構 造 的 な 事 故

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表 2-1 水 平 型 耐 風 圧 試 験 装 置 の 仕 様

Name Large air pressure chamber

The size of the pressure chamber

Width: 1.5 to 16.0 m, Depth:1.0 to 6.0 m, Height:1.0 to 4.0 m.

Pressure capability

Positive: 0 to 15,000 Pa, Negative: 0 to -15,000 Pa

Positive, Negative: ± 7,500 Pa Pressurized fan Sirocco fan 55 kW

(200 m

/min, 8,500 Pa) × 2

写 真 2-4 耐 風 圧 試 験 装 置 の 外 観

40 00 max

Fixed wall

PV system

27

写 真 2-5 耐 風 圧 試 験 装 置 の 外 観

写 真 2-6 耐 風 圧 試 験 装 置 の 外 観

29

図 2-1 正 圧 載 荷 の 加 圧 イ メ ー ジ

Pressure fan Pressure to depress the PV

system

図 2-2 負 圧 載 荷 の 加 圧 イ メ ー ジ

Pressure to upheave the PV system

Pressure fan

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

-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

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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

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

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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

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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 ．

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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

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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 ．

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𝑤 = 𝑝 × 4𝐴 2𝑙⁄ (1)

こ こ で ，w は 解 析 モ デ ル に 適 用 し た 単 位 長 さ あ た り の 等 分 布 荷 重[N/m]，p は 実 験 の 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力[Pa]，A は モ ジ ュ ー ル の 面 積[m²]お よ び l は 部 材 No. 1 の 長 さ[m]を 示 す ． 図 3-1 中 の 部 材 No. 1 お よ び No. 2 の 接 合 部 の 様 子 を 図 3-9 に 示 す ． 試 験 体 の 全 て の 接 合 部 は 図 3-9 に 示 す よ う に ， 部 材 同 士 は 山 形 鋼 の 接 触 面 で 接 合 さ れ ， 図 心 軸 か ら ず れ た 位 置 で 接 合 さ れ て い る (Matsuura et al., 2012)．薄 板 鋼 材 を 用 い た 場 合 ，こ の 影 響 に つ い て 詳 し く 検 討 す る た め に ，図 3-10(a), (b)に 示 す 2 つ の 接 合 部 モ デ ル を 作 成 し た ．図 3-10 (a) に 示 す 接 合 部 モ デ ル は ， 部 材 の 図 心 軸 か ら ず れ た 位 置 で 接 合 さ れ て い る こ と を 考 慮 し ， 部 材 を そ の ず れ の 分 だ け オ フ セ ッ ト し ， 剛 体 ピ ン で 結 合 し た ． な お ， 結 合 点 を 結 ぶ 要 素 に つ い て は ， 図 3-10 (a)に 示 す 節 点 A,B を 結 ぶ 要 素 の 長 さ 方 向 を 局 所 座 標 系 z’ 軸 と し て ， 局 所 z’ 軸 周 り の モ ー メ ン ト の み 伝 達 せ ず ， 局 所 x’, y’ 軸 の 荷 重 お よ び モ ー メ ン ト を 伝 達 す る も の と し て モ デ ル 化 し た ． こ の モ デ ル を 実 際 の 接 合 状 況 に 近 い 偏 心 あ り モ デ ル と す る ． 比 較 す る モ デ ル と し て ， 図 3-10 (b)に 示 す 接 合 部 を 図 心 軸 で 結 ん だ 偏 心 な し モ デ ル を 作 成 し ，2 つ の 接 合 部 モ デ ル を 用 い て 架 台 の FEM 解 析 を 実 施 し ，解 析 結 果 を 比 較 し た ．

の 変 位 測 定 位 置 と 風 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 で 座 屈 が 発 生 し た 部 材 No.4 に お け る FEM 解 析 で 風 荷 重 を 作 用 し た 時 の 載 荷 圧 力 と 変 位 の 関 係 を そ れ ぞ れ ， 図 3-12 (a), (b)お よ び(c)に 示 す ．ま た ，積 雪 荷 重 お よ び 風 荷 重 を 作 用 さ せ た 時 の 偏 心 あ り ， 偏 心 な し モ デ ル に よ る 架 台 の 変 形 の 様 子 を そ れ ぞ れ ， 図 3-13 (a), (b)お よ び 図 3-14 (a), (b)に 示 す ． 図 3-5 (a)に 示 す よ う に ， 積 雪 荷 重 が 作 用 し た 時 の 位 置 D1 お よ び D2 に お け る 変 位 δyの 解 析 結 果 に 着 目 す る と ， 偏 心 あ り モ デ ル で は ， 載 荷 圧 力 p が 上 が る に つ れ て 位 置 D1 お よ び D2 に お け る δy

が 大 き く な っ て い る こ と が わ か る ． さ ら に ， 偏 心 あ り モ デ ル で は ， 左 右 の 柱 部 材 の 変 形 方 向 は 反 対 で あ る が ， 偏 心 な し モ デ ル で は ， 載 荷 圧 力 p が 上 が る に つ れ て 位 置 D1 に お け る δyは 大 き く な る が ，D2 の 変 位 は ほ ぼ 0 で あ る ．ま た ， 図 3-11 (b)お よ び 図 3-12 (b)に 示 す よ う に ， 部 材 No. 1 の 変 形 は 載 荷 圧 力 が 上 が る に つ れ て D3, D4, D7, D8 位 置 に お け る 変 位 は 大 き く な っ て い る こ と が わ か る ． 図 3-13 お よ び 図 3-14 の 変 形 の 様 子 か ら ， 部 材 No. 1 お よ び No. 5 は 赤 色 の 矢 印 で 示 す 方 向 に 変 形 し て い る こ と が わ か る ． 部 材 No. 1 の 変 形 は 偏 心 あ り モ デ ル と 偏 心 な し モ デ ル で 同 様 の 変 形 を 示 し て い る が ， 部 材 No. 5 で は ， 異 な る 向 き に 変 形 を し て い る こ と が わ か る ． 図 14 (a)お よ び(b)に 示 す よ う に ， 風 荷 重 が 作 用 し た と き の 変 形 の 様 子 は 積 雪 荷 重 が 作 用 し た と き の 変 形 の 様 子 と 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る こ と が 分 か る ．ま た ，図 3-12 に 示 す ，偏

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心 あ り ， 偏 心 な し モ デ ル ど ち ら も 部 材 No. 4 の 変 形 の 様 子 は 部 材 No. 5 と 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る が ， 同 じ 荷 重 の と き ， 部 材 No. 4 左 側 の 変 位 量 δyは 右 側 の そ れ に 対 し て 大 き い こ と が わ か る ． な お ， 座 屈 し た 部 材 は 部 材 No. 4 の 右 側 で あ っ た ．

試 験 体 が 破 壊 す る ま で の 柱 部 材 に お け る 変 形 方 向 に つ い て 実 験 結 果 と 解 析 結 果 を 比 較 し た ． 積 雪 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 結 果 と 解 析 結 果 の 部 材 No. 1 に お け る 載 荷 圧 力 と 変 位 の 関 係 を 比 較 し た ．図 3-5 お よ び 図 3-11 か ら ，部 材 No.

1 の 変 形 は 偏 心 あ り モ デ ル お よ び 偏 心 な し モ デ ル と も に 実 験 と 同 様 の 変 形 を 示 し て い る こ と が わ か る ．た だ し ，部 材 No. 5 の 変 形 は 偏 心 あ り モ デ ル で は ， 実 験 と 同 様 の 変 形 を 示 し て い る が ， 偏 心 な し モ デ ル で は ， 実 験 と 異 な る 変 形 を 示 し て い る こ と が わ か っ た ． こ れ は ， 変 形 の 様 子 を 示 す ， 図 3-13, 図 3-14 か ら も 偏 心 あ り モ デ ル の 解 析 結 果 は 実 験 と 同 様 の 変 形 モ ー ド を 示 し て い る が ， 偏 心 な し モ デ ル は 実 験 結 果 と は 異 な る 変 形 モ ー ド を 示 し て い る こ と が わ か る ． こ の 結 果 は 風 荷 重 を 模 擬 し た 実 験 お よ び 解 析 の 結 果 で も 同 様 の 傾 向 で あ っ た ． し た が っ て ，偏 心 あ り モ デ ル の FEM 解 析 結 果 で 得 ら れ た 変 形 挙 動 は ，実 験 結 果 の 変 形 挙 動 と 比 較 す る と ， 変 位 の 定 量 的 な 評 価 に は 課 題 が あ る が ， 実 験 に お け る 架 台 の 変 形 を 定 性 的 に 表 し て い る こ と が わ か っ た ． し た が っ て ， 偏 心 あ り モ デ ル の 解 析 結 果 は 部 材 間 の 荷 重 伝 達 も 適 切 に 表 現 し て い る と 考 え ら れ る ． た だ し ， 実 験 結 果 と 解 析 結 果 で 圧 力 と 変 位 の 関 係 に お け る 変 位 の 定 量 的 な 評 価 に 差 が 生 じ た 理 由 と し て は ， 実 験 で は ， ボ ル ト 軸 に 垂 直 方 向 の 荷 重 に よ る ね じ 山 の 変 形 ，ボ ル ト と ボ ル ト 孔 の ク リ ア ラ ン ス に よ る ズ レ が 生 じ る が ， 解 析 で は こ の 影 響 が 考 慮 さ れ て い な い た め 柱 部 材 の 変 位 の 大 き さ に 差 が 生 じ

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た と 考 え る ．

荷 重 お よ び 風 荷 重 を 適 用 し た 時 に ，解 析 モ デ ル に お い て 比 較 的 長 い 柱 で あ る ， 部 材 No. 4お よ び No. 5 に 作 用 す る 軸 力 Pzと 曲 げ モ ー メ ン ト𝑀_𝑦の 解 析 結 果 を 表 3-2 に 示 す ． 式(2)を 用 い て ， 表 2 の 数 値 か ら 算 出 し た 柱 部 材 に 作 用 す る 圧 縮 力 PTと 柱 部 材 の オ イ ラ ー 座 屈 荷 重 を 比 較 し た と こ ろ ，実 験 で 座 屈 が 発 生 し た 部 材 が 最 も 小 さ い 荷 重 で 座 屈 す る こ と が わ か っ た ． し た が っ て ， 偏 心 あ り モ デ ル の 解 析 結 果 か ら 得 ら れ た ， 軸 力 Pyと 曲 げ モ ー メ ン ト Myの 値 を 用 い る こ と で ， 実 験 で 座 屈 が 発 生 す る 部 材 を 明 ら か に す る こ と が で き る ．

𝑃_𝑇 = 𝑃_𝑧+ 𝑀_𝑦𝐴 𝑍⁄ (2)

こ こ で ，𝐴は 断 面 積[m²]，𝑍は 断 面 係 数[m³]を 示 す ．

実 験 で 座 屈 し た 柱 部 材 に つ い て以 下 に 示 す よ う な 手 法 で座 屈 荷 重 を検 討 し た． 柱 部 材 の 圧 縮 力𝑃_𝑇と 実 験 の 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力𝑝の 関 係 を 図 3-15 (a), (b)に 示 す ． 次 に ， 部 材 No. 5 と No. 4 の オ イ ラ ー 座 屈 荷 重𝑃_𝑐𝑟[N]は ， 式(3) を 用 い て 求 め ら れ る ．

𝑃_𝑐𝑟= 𝜋²𝐸𝐼 𝑙⁄² (3)

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こ こ で ，𝐸は ヤ ン グ 率[Pa], 𝐼は 断 面 二 次 モ ー メ ン ト[m⁴], 𝑙は 梁 の 長 さ[m]で あ る ． 部 材 No. 5 と No. 4 の 座 屈 荷 重 Pc r( 5 ), Pc r( 4 )を ， そ れ ぞ れ ， 図 3-15 (a), (b) 中 に 赤 線 で 示 す ． 偏 心 あ り モ デ ル と 偏 心 な し モ デ ル の 解 析 結 果 が 示 す 直 線 と 座 屈 荷 重 を 示 す 赤 色 の 実 線 と の 交 点 で 座 屈 が 生 じ る と 仮 定 す る ． 実 験 で 座 屈 が 発 生 し た 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力 と 解 析 結 果 か ら 座 屈 す る と 予 想 さ れ る 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力 に つ い て 表 3-3 に 示 す ．表 3-3 か ら ， 座 屈 が 発 生 し た 載 荷 面 荷 重 お よ び 載 荷 圧 力 の 実 験 結 果 と 偏 心 あ り モ デ ル の 解 析 結 果 は 良 い 一 致 を 示 し て い る ． こ れ ら の 結 果 よ り ， 偏 心 あ り モ デ ル を 用 い た 梁 要 素 に よ る FEM 解 析 を 行 う こ と で 効 率 的 に 破 壊 部 材 を 明 ら か に す る こ と が 可 能 と な り ，さ ら に ，座 屈 荷 重 の 評 価 に つ い て も ，偏 心 あ り モ デ ル を 用 い た FEM 解 析 結 果 は 実 験 結 果 と よ い 一 致 を 示 し て い る こ と か ら 座 屈 荷 重 の 予 測 も 可 能 で あ る こ �