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自作椅子の強度評価をしてみました。

私は航空機の設計手法しか知らないので、木材の強度評価と合致しているかわかりませんが、基本は材料力学なので、外れてはいないでしょう。
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舌ったらずの表現も多いのですが、あくまで自分の備忘録ですのでご容赦下さい。

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先日完成した椅子と重箱ドブを公園に持って行き、月の観察をしました。
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自作した椅子は剛性が高くて快適です。しかも何といっても座面の高さが無段階に変えられるのでとっても便利。

ただ、気流が悪くて詳細の観察が難しかったのと、蚊の集団攻撃にあって集中できなかったのが残念。
でも土星やその近辺の恒星を楽しむこともできました。
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天体観察の後はいつものようにシュート練習。
あと2kg減量したい、、。

ようやく星の観察用椅子が完成しました。
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この椅子には重箱ドブと異なる桁違いの荷重が作用します。(どーんと座る衝撃荷重倍数3を考慮する必要があるので)
単に体重を支えるだけでしたら荷重倍数を考慮してもたいしたことが無いのですが、この椅子の座面の高さを自由に変えられるというコンセプトは、構造的にかなり無理をしている為、強度の成立を目指すのが大変なのです。

ざっと計算したところ、座面の取付ボルトには300kgfの力が働き、座面の前脚とのコンタクト部には500kgfオーバーの荷重が作用するということが判りました。

ともあれ、色々強度改善したので今のところ大丈夫そうな気がしています(もちろん強度計算していますけど)。

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この椅子は簡単に折りたためますし、たたむとクッション部とその他の2部品のみになるので、公園に運ぶのも容易です。


昨日、壊れたところに小さな角材(廃材)を接着し、再度勢いを付けて座ってみたところ、問題は生じませんでした。
補強材は繊維の方向をき裂と直角にしました。
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片方の補強材にはピンが殆ど刺さっていないことから荷重は壊れた本体が未だに受けているようです。
その証拠に本体に昨日発生したき裂は座る度に進展していました。
補強材はき裂の開き留の役割です。

ただ、椅子の前部は亀裂の発生部位が圧縮荷重部となる為、これ以上のき裂進展は見込まれません。
補強材が剥がれないように気を付ければ、これで成立する見込みです。

これから細かい修正を施し剛性を高めていきます。

先日座面が壊れた椅子ですが、左右の荷重分担を均等にするとか曲げ剛性を大幅に上げるといった対策は施しましたが、結合ピン周りの面圧強度アップをあまりしなかった為、またまたき裂が発生しました。

下が椅子にクッションも載せたところ。
座り易くなっています。
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普通に座るだけなら壊れませんが、勢いを付けると駄目でした。
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き裂は左右の取付部のいずれにも入っており、材料強度のばらつきは無く、工作精度も良かったようです。
金属で補強すれば簡単ですが、もう少し考えてみる予定です。

壊れた椅子の座面組立の改修方法をまとめてみました。

まずは荷重を均等に負荷するために左右通しボルトの適用。
それから穴周りの面圧強度向上を目論み穴径の拡大と板厚増加させます。
強度は穴径と板厚に比例します。

この構造の曲げ強度向上のために座面の高さも上げます。
曲げ強度は高さの3乗に比例するので高さ2倍で8倍の強度アップ。

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椅子は人が勢いよく座る場合があります。そうすると椅子の動的応答の検討が必要になりますが、それはちょっと面倒なので、航空機の設計等に用いられる加速度を安全側の計算として用いることとします。その係数は3g。座る人の体重の3倍です。
私の体重の場合は3倍にすると約200kgになります。大きめの関取クラス。結構重いですね。

週末に工作を始める予定です。

破壊モードを決定する前にもう一度周りの状況を見てみました。(基本動作)
まずは破壊部の反対側から、、。
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端面をよく見るとき裂が繊維に沿っていないことが判ります。
赤矢印で示したように荷重がこの棒(座面支持部)に対して斜めに作用しています。
荷重の方向は変化しませんから棒が回転しているようです。

今度は座面支持部を支える全脚部を見てみます。
まずは壊れていない支持部の受け側。
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おっと、座面支持部が殆ど接触していませんね。
多分座面がねじれちゃったのでしょう。
こんな感じに、、。
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ちょっと絵が下手ですが、右側の絵のように曲げ捩り変形していたようです。
これにより荷重が座面の右側に集中し、結果として荷重が集中した右側の支持部が壊れちゃったようです。

もう一つわかったことがあります。
それは応力集中。
木にボルトを通すために鬼目ナットを入れているのですが、その形状がとげとげなのです。写真のように、、。
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これにより木に傷をつけるとともに荷重が一点に集中的に作用してしまいます。
弱くなった部分に荷重が集中すれば壊れますよね。

これで破壊状況を把握することができました。
この状況は荷重負荷試験の時のお尻が感じたものと同じです。(曲げ捩り変形と右側支持部の破壊)。

ここまでわかれば対策は簡単です。
次回は対策案を紹介します。

そして今週末には対策案に沿って製作し強度試験を行った結果を示す予定です。

まず、破壊状況を見てみます。
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き裂が木の繊維に沿って発生しており、左側のピン挿入部の上下が派手に壊れています。
そして下部が直線ではなく曲がっていますね。

座面支持はもう一か所あるのでそこも見てみました。
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荷重負荷試験前の製造時に支持ピン固定の為のナットを挿入する際に生じた水平方向のき裂が残っていますが、そこが破壊した形跡はありません。上の写真の奥に破壊した部分がボケて写っていますが、水平のき裂は同じ位置ですね。

椅子の各部を細かく点検しましたが、他に壊れているところはありませんでした。支持部の前脚側にも特に傷っぽいものも無し。

破壊した場所は一か所ですので、その部分に作用した荷重の釣り合いを考えてみます。
これは構造解析の専門用語でFree Bodyと呼ぶのですが、その前に椅子全体に作用する荷重を示します。
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Wは座る人の重量で、赤い矢印2つが支持部に作用する力です。
こんな絵を描かなくても支持部には重量による下曲げが作用することは明白ですけどね。

じゃあ、これらを基にFree Bodyを描いてみます。
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なーんだ、座面の下曲げ荷重に耐えきれずに繊維に沿ってき裂が生じただけじゃん。って感じですね。
と思ったら見落としている点がありました。

それについては次回。

昨日紹介した木製品は、組み立てると写真のような座面高さを自由に変えられる椅子になるのでした。
やっぱり椅子に座らなければ落ち着いた観察ができませんからね。

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組立は超簡単で、椅子の脚を開いて座面を上から前側の脚に差し込むだけ。
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前脚に対して座面を垂直にすると自由に一を変えることができ、手を放して座面を水平にすると固定されます。
現時点では前脚にはストッパを装備しておらず、摩擦のみで止めています。

杉のような柔らかくて強度の低い木材で体重を支えるのは心配だったので、座面を低くして強度試験を実施しました。
といっても椅子に腰かけて少しずつ体重を乗せて行くだけですけどね。

座った瞬間から軋み音が発生。どこから出ているのかと注意しながら負荷を増やしていくと体重の半分くらいをかけても椅子の座面が若干ふわふわした感じで剛性感なし(どこかが変形し続けている感じ)。
更に負荷を進めて全体重をかけ数秒経過したところで破壊音が発生し座面が落下しました。

壊れたのは座面右側支持部。見事にき裂が発生しています。
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次回からはこの破壊の現状把握、原因究明及び対策を紹介していきますね。
(まだ明確な対策案が無いので、ブログを書きながら考えていきます。)

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