case03 MPねじ接合システムによるトラスの構造設計 FAP-3編

case03 MPねじ接合システムによるトラスの構造設計 FAP-3編

MPねじ接合システムを用いてトラスの構造解析を行う流れを解説します。
倉庫のような平屋に屋根架構をかけた場合について検討します。
設計マニュアルの流れに沿って検討します。
任意形状立体フレームの弾性応力解析が可能なFAP-3(株式会社 構造システム)にて解析モデルを作成します。
前回と似た条件について、FAP-3にて検討いたしました。
尚、後半❺以降の前回と被る内容は省略しています。

参考資料:

  1. 講習会テキスト 木造軸組工法 中大規模木造建築物の構造設計の手引き(許容応力度設計編) 公益財団法人 日本住宅・木材技術センターp.313 山形トラスの設計例
  2. MPねじ接合システムマニュアル
目次
  1. 講習会の受講
  2. 諸条件の整理
  3. 構造計画の確認
  4. 解析モデルの作成
  5. 最後に

❶講習会の受講

設計マニュアルの適用範囲に記載の通り、BXカネシンが認めた設計者のみ使用できます。
講習会の受講に関してはBXカネシンMP課までご相談ください。
ご要望に応じて個別に講習を行うことも可能です。
講習会では設計ツールとして接合部設計ツール・設計チェックリストを配布しております(他、ユーザーサイトにはMPねじ接合システムマニュアル、架構詳細図例、構造標準図)。下記の検討にお使い頂けます。

❷諸条件の整理

キングポストトラスを例に検討します。検討条件は下記とします。

1. 屋根勾配及びスパン4寸勾配、スパン10m
2. 屋根トラスの配置間隔3.0P(2.73m)
3. 部材断面寸法及び使用材料、
 基準弾性係数
主材及び登梁 :
 105×240(E=9500N/m㎡、G=750 N/m㎡)
束 :
 105×105(E=9500N/m㎡、G=750N/m㎡)
側材 :
 2-38×235(E=9600N/m㎡、G=640N/m㎡)
 (オウシュウアカマツ仕様とします)

4. 設計用荷重の設定

・部材重量は一律比重を5.0kN/㎥とし、解析モデル内で自動計算します。

・積雪荷重の特定緩勾配による割増には当てはまらないため考慮しません。

・固定荷重は折板屋根相当と仮定しました。

・垂直積雪量は50cmと想定しました。

・積載荷重は鉄骨体育館屋根の積載荷重を採用しました。

・風荷重は安全側にシャッター全開の場合を想定し、風上開放型で計算しました。

・安全側の配慮として、短期の風荷重時の検定においては積載荷重を除きました。

・簡単に振れ止めの荷重を入力していないため、固定荷重には予備荷重として0.1kN/㎡を加えました。

固定荷重(DL)           :                 0.3(予備荷重:0.1)  (kN/㎡) 
積雪荷重(SL)            :                 1.0                                    (kN/㎡)
積載荷重(LL)            :                 0.3                                    (kN/㎡)
風荷重 (WY)          :                 1.0、-0.5                        (kN/㎡)

解析モデル図
解析モデル図

❸構造計画の確認

スパン表を参考に今回の計画が妥当であるかの確認を行います。
スパン表は参考文献2)をご確認ください。
解析にて材端部条件をピンとして簡易に応力チェックを行う方法でも構いません。
今回はスパン表を参考にMPねじ接合システムのNJ-14を用いることとします。

❹解析モデルの作成

0)解析モデル図の作図

 ある程度納まりを想定して解析モデル図を作図します。MPねじ接合システムの架構詳細図例が参考になります。
想定する解析モデルが不安定になっていないか?を確認する意味でも必要な作業です。
住宅のプレカットラインで加工可能なよう、また、経済設計に配慮して一般流通材(集成材であれば120x450x6m以下、製材であれば、120x240x4m以下)の断面・長さの部材を用いるように計画します。

解析モデルの作成

1)CADによる解析モデルの作図とDXF変換

端部バネを設定するため、ファイル>新規作成>立体フレームより、ファイルを作成します。

CADでモデル図を作成し、DXF変換することで解析プログラムに読み込みます。

 CADによる作図>DXF変換>ファイル>CADデータファイルから読み込み

CADで作図する際には、線分は解析モデルで作成する節点ごとに配置します。
また、解析プログラム内部で部材の接合条件を設定しやすいよう、全体座標系に合わせて左から右、かつ、下から上に作図する等、一定のルールをもって作成して下さい。
また、変換の際には単位系にご注意ください。
2次元CADからDXFに変換して入力する場合、XY座標系に入力されるため、解析モデル内の節点の表にて、Y座標の入力値をZ座標に変更する必要があります。

2)部材断面・弾性係数の設定

諸条件に合わせて断面性能・弾性係数・比重を設定します。
講習会受講者に配布している“接合部検定ツール”のチェックリストより数値をコピーして入力されると簡単です。
設定後、材料・断面性能を下図のように部材に割り振ります。
上弦材は長期・中短期の検定において圧縮力のみ生じるため、小梁による断面欠損は考慮しないとします。
今回は微小な回転剛性を材端部に考慮しているため、全て梁要素でモデル化します。

3)部材の接合条件の設定・支持条件の設定

下表のように自由度を設定します。部材の接合条件は、“はり/柱/トラス”、支持条件は“節点”に設定します。

NJ14については、

  • 側材の端部接合部に軸剛性を設定します。軸剛性の値は接合部検定ツールのチェックリストより引用します。
  • 軸剛性に加えて、解析上不安定とならないように微小な回転剛性を考慮します。

※解析結果においてこの部分に曲げモーメントが生じないことを確認し、固定度を考慮しても問題ないと判断します。(こちらに関しては固定と仮定して計算する方法もあります。考え方は設計者の判断によります。)

その他の部材の接合条件は簡単にピン接合に設定します。(下表”PIN”)
設計者の判断により部材のめり込み剛性や梁端部接合部のせん断・軸ばねは必要に応じて設定してください。
支持条件はピン支持+ローラー支持の他、3次元解析を前提にされているため、トラスに直交する小梁方向に不安定にならないよう(倒れ防止として)、Y方向のみ拘束する条件を設定します。

支持条件・拘束条件の設定図
支持条件・拘束条件の設定図

また、側材は解析モデル内部で下図のように2材に分けて入力することができます。

2材に分けることでMED-3(株式会社 構造システム)とファイルを連動した際にも2材として反映されるため、吹き上げ時の座屈の検定が容易になります。

下記のように、オフセットにて主材105幅の半分と側材38幅の半分の距離を足し合わせた71.5mmを正負夫々に設定し、 はり/柱/トラス側材にて同じ節点に側材を2重で入力し、オフセットで定義した名称を夫々入力することで、2材に分けた入力が可能です。

4)荷重条件の設定

荷重は上弦材に等分布荷重として作用させます。

解析モデルでは主に全体座標系の負方向に荷重を作用させるため、荷重値(②諸条件の設定)は正負が逆転しますのでご注意ください。今回は全体座標系よりZの負方向に作用させます。

自重は解析モデル内部で自動計算するため、解析>応力解析―計算条件より設定します。

荷重ケースは以下のように設定します。

  長期荷重 (TL)                  =                  DL+LL
  中短期荷重(SL)                  =                  DL+LL+SL
  短期荷重 (WY)                =                  DL+WY

5)解析結果の確認 反力チェック/エラーチェック

検算として、手計算による反力と解析モデルの反力が釣り合うことを確認します。
また、エラー・ワーニングメッセージが表示されている場合にはすべて解消します。
特に部材の接合条件によっては不安定になってしまうことが多いので注意しましょう。
変形・応力図を確認すると、モデル化のどこに不具合があるか確認しやすいかと思います。

❺最後に

MPねじ接合システムによるトラスの検討の手順は上記の通りになります。
上記の内容に関して不明点ありましたら、BXカネシンMP課までお問い合わせください。