筐体の構造(1)

検査装置や加工処理装置などの自動機械を設計にするにしても、まずは強靭な土台から。

構造力学や材料力学は、機械設計においてもその土台を支える重要な学問です。

今日は筐体設計の構造形式について。

ラーメン構造とブレース（トラス）構造

主に2種に大別されます。

〈ラーメン構造〉

柱と梁を剛強に接合した構造で、外力が作用したときに一体化した柱と梁で骨組の変形を防ぐ構造。

柱や梁それぞれ単体の強度に注目しがちですが、この構造の中で一番応力の集中する（壊れやすい）部分は

柱と梁の接続部分。いかにしてひし型変形をさせない、強固な剛体接続ができるかが重要だと思っています。

〇部材断面･･･大きくなりがち　〇部材の数･･･少なくて済む

〈ブレース構造〉

柱と梁にブレース(筋かい)が入った構造で、各部材の接合はラーメン構造ほど剛強ではない場合が多いでしょう。（理屈上はピン接合で十分。）

外力が作用したときに柱・梁・ブレースが構成する三角形（トラス）で骨組の変形を防ぎます。このとき三角形の三本の部材に働く力は、ほとんどが軸力のみとなる点が最大のメリット。つまり、曲げや剪断ではなく、引張と圧縮の強度で使用部材を選定することができます。（※このあたりは奥が深いので後日後述）

〇部材断面･･･小さくできる　〇部材の数･･･多くなる

ラーメン構造

ラーメン構造には、主に長方形ラーメンと山形ラーメンがあります。画像の通り、柱を嫌がるかどうかでどちらの構造となるか決まることが多いでしょう。

建築分野においては、長方形ラーメンが事務所建築・商店建築など中低層の建築物、一室が小さなマンションなど高層建築物まで、多層多スパンの建築物に広く用いられています。また、梁を山形に屈曲させた山形ラーメンは、ひとつひとつの部材断面は大型化するものの、工場や体育館など大空間を必要とする建築物に用いられています。

(2)ブレース構造

プレース構造は筋かい構造ともいい、柱や桁などに囲まれた面に筋かいを入れて組み立てられます。前述のトラス構造の利点（部材にはほとんど軸力しか働かない）のお陰で、部材の断面積は小さく済むことが殆どです。使用される先は、やはり重荷重の条件となりがちな、屋根部分を支える部分にトラス部材を用いることが多いでしょう。

トラス構造をもう少し掘り下げてみると、下の画像の通り、同一平面に組み立てた平面トラスと、立体的に組み立てて骨組を構成する立体トラスがあります。

立体トラスは大空間を覆う場合には、恐らく最軽量で構築できる優れた構造形式ですが、構造が複雑で、平面トラスに比べて構造解析の難易度は上がります。また、実際の施工には高度な技術が必要とされるでしょう。