1. アルミフレームの強度とは？
アルミフレームで車中にベッドや収納棚を作るときにどれくらいの強度や耐荷重があるか
気になりますよね。
当然、アルミフレーム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。
アルミフレームで棚など構造物を作った時の強度や耐荷重を考える場合、
次の3通りの強度を考える必要があります。
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。
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ので、
興味があればご覧ください。
アルミパイプはアルミフレームと違い、同じサイズでも形状が異なるものが数種類あり、強度も異なっています。そのため使用用途や想定荷重に応じてパイプ形状を選ぶ必要があります。パイプ径を1サイズアップすればパイプ強度は約4倍ほど強くなります。
アルミパイプはコネクタと呼ばれる部品でパイプどうしを連結します。ブラケットと違い、コネクタの使い方は1通りで強度はあまり強くありません。特にモーメント荷重に弱く、長いスパンで使う際は注意が必要です。そのため補強コネクタを使いながらどこで荷重を受けるかを想定して構造を決める必要があります。
2. アルミフレーム単体強度
アルミフレーム単体強度は純粋にフレームのみの強度となります。
例えば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。
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。
ただ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。
あくまでそのたわみ量以下で使えば安心して恒久的に使用できるというものです。
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大きく変化します。
そこでいくつ数値を表にまとめてみました。
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。
（10｢N]≒1.0[kgf]で計算しています）
| フレーム長 | たわみ量 | 推奨荷重 | 限界荷重 | |
| [mm] | [kgf] | |||
| （20×20） | 500 | 0.5 | 9.0 | 120 |
| 1000 | 1.0 | 2.4 | 60 | |
| 1500 | 1.5 | 1.0 | 40 | |
| 2000 | 2.0 | 0.6 | 30 | |
| （30×30） | 500 | 0.5 | 38.0 | 310 |
| 1000 | 1.0 | 9.5 | 150 | |
| 1500 | 1.5 | 4.0 | 100 | |
| 2000 | 2.0 | 2.0 | 77 | |
フレーム長が長くなるほど推奨荷重、限界荷重が小さくなります。
またフレームサイズが大きくなれば推奨荷重、限界荷重は大きくなります。
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。
下表はあるフレーム長に荷重をかけた時のたわみ量を計算したもので、
表中の数字はたわみ量となっています。
（20×20）mmフレームのたわみ量[mm]
（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て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。
実際によく利用するのはこちらのBOX強度です。
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強度とは？
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。
計算モデル図
計算では上記モデル図を考えており、青い線はフレームを表しそれを各角で完全に固定して
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。
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。
（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。
（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。
使用荷重が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なのかを考慮し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。
アルミフレームはブラケットと呼ばれる部品を使って互いを連結することができます。ブラケットの基本的なものはL字形状で互いを直角に接合します。アルミフレームで構造物を作った時にフレームが折れることはほとんどなく、この接合部が外れることで壊れることがあります。そのためブラケットの選定と使い方は非常に重要となります。
最後のこのように便利なアルミフレームやパイプの購入方法ですが、
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（参考ページ）