空き缶を利用した衝撃緩衝工の開発(その 2) - 土木学会

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土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
空き缶を利用した衝撃緩衝工の開発(その 2)
JR 東日本
正会員 ○ 川人
飯嶋
１．はじめに
（その１）で述べた角型管軸圧壊の衝撃実験を踏まえ，
橋桁への自動車の衝撃に対して，より現実的な荷重・ｴﾈ
ﾙｷﾞを試算した結果，直径 60mm 程度の薄肉円筒シェルが
妥当と判断し，空き缶を TP に採用した．本稿ではスチー
ル缶の実験について述べる．
２．シェル側面の加工および配置の効果
以下，面積，缶の形状，軸方向の積み重ね（直列配置）
，
水平面への配置個数（並列配置）の影響を取り上げる．
なお図－１のように TP の吸収ｴﾈﾙｷﾞに対して入力が過大
な場合，錘は缶の高さ内で静止せずにﾛｰﾄﾞｾﾙを叩く．こ
れは変形のｽﾄﾛｰｸ不足が原因であり，TP の高さを増すこ
とで解消されるが，このような計測ﾃﾞｰﾀを一律に比較す
るため，TP の高さに対して 75%までの変位を解析の対象
とした．
0.50
利夫
栗田
淳
0.4677
0.45
0.40
0.3541
0.35
0.2804
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
しぼり＋ﾍﾞﾛｰｽﾞ
し　ぼ　り
ストレート
図－３
平均荷重/A
ﾋﾟｰｸと平均の差
kN/mm2
0.25
0.224
高さの75%
0.154
0.146
0.15
0.098
0.088
0.10
40
0.214
0.186
0.20
60
0.078
0.060
0.05
20
mm
変異-荷重
レ
ー
ト
120
ト
100
ス
80
ぼ
60
し
40
ﾍ
ﾞﾛ
20
し
ぼ
り
＋
0
ｰｽ
ﾞ
り
0.00
0
-20
優
ｴﾈﾙｷﾞ
吸収効率
缶の高さ
80
島津
(2)側面の加工による影響
図－３，４は各 TP の側面に施された加工を３タイプ
に分類し，比較した結果である．軸方向の荷重に対して
側面の加工が弱点となり，ﾋﾟｰｸ荷重が低減され，ｴﾈﾙｷﾞ
吸収効率が向上したと考えられる．図－５は各加工の荷
重－変位関係の例である．
ﾋﾟｰｸ荷重/A
KN
100
麻紀夫
図－４
図－１解析対象とした変位
12
上端しぼり
上端しぼり＆ﾍﾞﾛｰｽﾞ
8
ｋN
(1)面積の影響
図－２はﾋﾟｰｸ荷重・平均荷重と面積との関係である．
ﾋﾟｰｸ荷重のばらつきが目立つが，これには以下に述べる
側面の加工の影響等が含まれていると考えられる．２つ
の荷重はいずれも面積にほぼ比例している．
ｽﾄﾚｰﾄ
10
6
4
2
0
平均荷重
線形 (平均荷重)
0
ﾋﾟｰｸ荷重
線形 (ﾋﾟｰｸ荷重)
20
30
40
50
mm
60
70
80
90
100
110
図－５側面の加工による荷重－変位関係の相違
50
荷重(kN)
10
40
30
(3)直列配置の影響
図－６は缶を単独で配置した場合と，同じ種類の缶を
軸方向に積み重ねた場合との比較である．単独の場合よ
りもｴﾈﾙｷﾞ吸収効率は向上する傾向がみられ，緩衝材のｽ
ﾄﾛｰｸ不足は軸方向の缶の積み重ねによって対策が可能で
あることを確認できる．
20
10
0
0
50
100
150
断面積（mm2)
図－２ﾋﾟｰｸ荷重および平均荷重と面積との関係
キーワード：衝撃緩衝工，側面加工，ピーク荷重，ｴﾈﾙｷﾞ吸収効率
連絡先：〒260-0031 千葉県千葉市中央区新千葉１丁目３番 24 号千葉土木技術センター tel (043)221-7582，fax (043)221-7582
-293-
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土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）
ｴﾈﾙｷﾞ
吸収効率
0.60
0.40
0.30
0.4778
0.4646
0.50
３．荷重波形の解析
図－10 は衝撃荷重のフーリエスペクトルである．図－
11 は n=1(49Hz)，n=2(98Hz)におけるスペクトル比とｴﾈﾙ
ｷﾞ吸収効率との関係である．
0.3312
0.20
5.0
0.10
しぼり＋ベローズD
しぼり＋ベローズC
4.5
0.00
直列１本
直列２本-case1
4.0
直列２本-case2
しぼり＋ベローズB
3.5
図－６直列配置した場合のｴﾈﾙｷﾞ吸収効率傾向
しぼりA
kN
3.0
しぼり+ベローズA
2.5
ストレート
しぼりC
2.0
45
荷重
（ｋN） 40
35
30
25
20
15
0
50
100
150
並列配置した缶の断面積の総和
(mm2)
図－７
ｴﾈﾙｷﾞ
0.40
吸収
効率 0.35
0.347
0.355
0.276
0.30
0.25
0.223
0.20
0.15
0.10
0.05
４
本
３
本
並
列
並
列
並
列
並
列
１
本
２
本
0.00
図－８
並列配置におけるこのような問題の対策として，缶の
上端の高さにズレを持たせる方法を考案した．図－９は
単独配置，４本並列配置，単独配置の４倍荷重，単独配
置の変位を４缶で各 10mm スライド・重ね合せた場合の
荷重－変位関係である．缶上端のズレによって荷重の突
出が抑えられることが確認できる．
ｴﾈﾙｷﾞ吸収効率に関し
ては４本並列の 0.223 に対して，10mm のズレを持たせ
た場合には 0.532 と大幅な改善がみられた．
ｋN
並列４本
単独配置波形を
10mmスライドし
４本重合せ
単独配置
20
0
20
40
60
80
100
120
140
Hz
図‐10
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
線形近似
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
図‐11
0
0
0.0
ｴﾈﾙｷﾞ吸収効率　と　スペクトル振幅（n=1）／スペクトル振幅(n=2)　との関係
5
単独配置の
４倍荷重
0.5
0.00
10
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
しぼりB
1.0
kN
(4)並列配置の影響
図－７，８は缶を単独で配置した場合と，同一種類の
缶を複数個配置した場合との比較である．水平面に置か
れた缶の増加によって各ﾋﾟｰｸ荷重が重複し，
缶の本数
（面
積）に比例して増加する様子が図－７から窺われる．図
－８ではﾋﾟｰｸ荷重の増加に従いｴﾈﾙｷﾞ吸収効率が低下し
ている．
ﾋﾟｰｸ
1.5
40
60
80
100
mm
図－９並列配置の問題と対策（荷重－変位関係）
-294-
ｴﾈﾙｷﾞ吸収効率は，図－4 からも明らかなように荷重履
歴の平均値に依存するため，n=0(0Hz)のスペクトルは重
要な評価指標となるが，図－10，図－11 からは, n=1，
n=2 程度までがｴﾈﾙｷﾞ吸収効率に影響を与えることが確
認された．
図－10 から、しぼり＋ベローズのタイプは n=1 のスペ
クトルが相対的に大きいことがわかる．また図－11 から
はn=1とn=2のスペクトル比がｴﾈﾙｷﾞ吸収効率と相関が強
い傾向がみられる．
６．おわりに
金属材料を用いた衝撃緩衝機構として，中空断面部材
の軸圧壊の有効性を確認した．空き缶を用いた実験では
ｼｪﾙ側面の加工がﾋﾟｰｸ荷重の低減・ｴﾈﾙｷﾞ吸収効率の改善
に効果的であることがわかった．また直列配置は機能低
下がなく，並列配置では衝撃のﾀｲﾐﾝｸﾞの調節によりﾋﾟｰｸ
荷重の突出を抑える効果が確認された．
試算によれば空き缶の直列・並列を組み合わせること
で重量 1.5ton，速度 10m/sec 程度の剛体のｴﾈﾙｷﾞ吸収は現
実的なｵｰﾀﾞｰであり，
今後は落石対策工や鉄道以外の利用
にも期待が持てる．
参考文献
1)先端材料技術協会監修：ﾊﾆｶﾑ構造材料の応用，CMC 出
版，1995.1
2)日本機会学会：衝撃破壊工学，技報堂出版，1990.6
3)多谷虎男：振動・衝撃の基礎理論とﾗﾌﾟﾗｽ変換(下)，学
会出版ｾﾝﾀｰ，1984.7

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