アルミフレーム強度計算、耐荷重とは?

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1. はじめに

アルミフレームで車中にベッドや収納棚を

作ったときに、どれくらいの強度や耐荷重

あるか気になりますよね。

当然、アルミサイズが大きくなればそれだけ

強度的に強くなりますが、実際にどの程度の

違いがあるのかわからないかと思います。

アルミフレームで強度や耐荷重を考える場合、

次の3通りの考え方があります。

 ①アルミフレーム単体強度

 ②アルミフレームBOX強度

 ③アルミフレームどうしの結合強度

ここでは①と②について紹介します。

③については以下の記事を参照してください。

====================

(参考記事)

アルミフレーム結における耐荷重

====================

またアルミパイプやコネクタについても

同様に強度や耐荷重をまとめています。

====================

(参考記事)

アルミパイプの強度、耐荷重

パイプをつなぐコネクタの強度、耐荷重

====================




2. アルミフレーム単体強度

アルミフレーム単体強度は、フレームを

物干しにしたり、フレームにフックを掛けて

重量物をかける場合に利用します。

棚のような組んだ状態の場合にはBOX強度と

なるのでご注意ください。

アルミフレーム単体の耐荷重は次の2つの

荷重で表現されています。

2.1 たわみ量

たわみ量とは図のようにフレームの両端を

ブラケットで固定した状態で、

フレーム中心に重さをかけた場合に

どれだけ下にたわむかがたわみ量となります。

仮定としてブラケットのずれやすべりはなく、

フレーム自体の重さも無視します。

%e3%83%95%e3%83%ac%e3%83%bc%e3%83%a0%e8%8d%b7%e9%87%8d%e7%b5%b5

両端支持フレームの中心に集中荷重

メーカ推奨荷重はフレーム長さの1/1000の

たわみ量以下となる荷重です。

しかしそれ以上に荷重をかけてたわんでも

すぐに折れることはありません。

2.2 限界荷重

限界荷重とはこの荷重をかけるとフレームが

折れるとされる荷重(計算値)です。

当然、この荷重での使用はNGです。

2.3 たわみ量と限界荷重の数値

いずれもモーメントとして働くため、

フレームサイズや長さで数値が変化します。

いくつか表に数値をまとめてみました。

フレームサイズは使用頻度の高い(20×20)と

(30×30)mmとしています。

%e3%83%95%e3%83%ac%e3%83%bc%e3%83%a0%e8%8d%b7%e9%87%8d%e8%a1%a8

これを見ると、限界荷重と推奨荷重にだいぶ

違いがあります。

推奨荷重はだいぶ余裕を持たせてあるのでしょう。

そこで今度はもう少し細かく計算してみました。

ここでは下記のフレーム長さで荷重をかけた時、

どれくらいのたわみ量になるかを計算しています。

20x20%e3%83%a9%e3%83%bc%e3%83%a1%e3%83%b3%e8%a8%88%e7%ae%97%e7%b5%90%e6%9e%9c-2

(20×20)mmフレームのたわみ量[mm]

30x30%ef%bc%89%e3%81%9f%e3%82%8f%e3%81%bf%e8%a8%88%e7%ae%97%e7%b5%90%e6%9e%9c

(30×30)mmフレームのたわみ量[mm]

この表では限界荷重を無視し、公式からたわみ量を

単純に計算しています。

そのため表中の荷重を実際にかけてしまうと破断する

ケースもあるのでご注意ください。

あくまで目安はフレーム長の1/1000だけたわむ

荷重が使用荷重となります。

(30×30)mmサイズだと(20×20)サイズの

3倍ほど強そうですね。

集中荷重は最もたわむ負荷の与え方であるため、

仮にフレーム全体に荷重をかけた場合のたわみ量は

もっと少なくなると思われます。

そのためこの表は厳しい使用環境下でのたわみ量と

考えて参考程度に見てください。

3. アルミフレームBOX強度

次にアルミフレームBOX強度を紹介します。

棚のようなBOX形状をフレームで組んだ時、

荷重はフレーム単体にかかるわけではなく

全体でそれを受けることになります。

そのため単体よりも大きい荷重に耐えれます。

3.1 BOX形状とは?

ここではBOX形状を組み立てたときの強度を

計算してみました。

box

計算モデル図

計算は上記モデル図を考えました。

青い線はフレームでそれを各角で完全に固定し

ブラケットのずれや変形はなく、

純粋にフレームが変形するものとしています。

荷重は中央荷重としており、面の中心に荷重を

集中させるものです。

判りやすいイメージだと、BOXの上に板を置き

ちょうど面の中心におもりを置くものです。

この荷重の加え方は比較的厳しい条件であり、

実際の使用では荷重の分布が変わるため、

計算結果よりもよくなると考えて下さい。

%e3%81%9f%e3%82%8f%e3%81%bf%e5%9b%b3

3.2 (20×20)フレームの耐荷重

(20×20)フレームを使ってBOX形状を

作ったときの計算結果です。

この計算ではBOXの上面に中央荷重を加えて

下にたわむ量と安全係数を計算しています。

20x20%e3%80%80box

(20×20)mmフレームの計算結果

ここで安全係数とは使用中の破壊に対する

安全度のようなものです。

安全係数1はいつ壊れてもおかしくない状態で

破壊する強度と使用環境の荷重が

一致している状態です。

逆にこの数字が大きいほど同じ使用状況でも

壊れにくいことになります。

アルミフレームの場合、一般的に安全係数を

4~5以上がよいと言われています。

この計算結果からフレーム長が長くなるほど

たわみ量が大きく、安全係数が小さくなる

ことが分かります。

仮に50kgの重さを加えた場合、フレーム長は

1,000~1,500mm程度までしか選べない

ことが解ります。

3.3 (30×30)フレームの耐荷重

次に(30×30)mmフレームを使った場合も

計算してみました。

1,000mm以下は想定している使用環境下では

十分強いので割愛しています。

30x30%e3%80%80box

(30×30)mmフレームの計算結果

さすがに(30×30)mmフレームになると、

非常に強くなります。

100kg程度までであれば2,000mm以下の

BOX形状で十分いけそうです。

4. さいごに

ここではアルミフレームで耐荷重について、

説明してきました。

事前にどのような荷重がかかるか分かっていれば、

事前に強度を計算できることがアルミフレームの

特長の1つです。

木工では計算することが難しく、ほとんど経験に

なってしまいます。

もしアルミフレームでDIYされる場合は、

事前にどのような荷重がかかるかを考えて、

それが単体なのか、BOXなのかをみて

計算してみてください。

そしてフレームどうしを結合するブラケットの

耐荷重を計算していずれも許容値以内であれば

安心して使うことが出来ます。

ブラケットの耐荷重は次の記事に説明して

いますので、興味があればのぞいて見てください。

=====================

(参考記事)

 「アルミフレーム結合における耐荷重

=====================

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これまでアルミフレームを使ったことがなく、

初めて挑戦したい方にはお助けサポートも

行っていますので、気軽に御連絡ください。

Link Your Design

またこれまでのサポート事例はこちら。

 サポート事例集

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(参考ページ)

  

  1. 家庭DIYで使用する部材

  2. アルミ部品の種類

   2.1 アルミフレーム

    2.1.1 アルミフレームの加工方法

    2.1.2 アルミフレームの耐荷重

   2.2 ブラケット

    2.2.1 ブラケットの耐荷重

   2.3 組立て方法

   2.4 アクセサリ

   2.5 フレーム with 100均

   2.6 アルミパイプの種類

    2.6.1 アルミパイプの強度

   2.7 アルミパイプのコネクタ種類

    2.7.1 コネクタの強度

  3. 設計ツール 3D CAD

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