JP2017155446A - 複合材及びそれに用いる金属板 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材の強度を向上させる。
【解決手段】複合材１は、少なくとも第１の方向に延在する木質材１０と、木質材１０の内部又はその表面の範囲内で第１の方向に沿って配置される少なくとも１枚の金属板２０と、を備えている。金属板２０は、木質材１０と対向する面に設けられる複数の突出部２４，２６を備えている。突出部２４，２６が木質材１０に食い込むことで、木質材１０と金属板２０が一体となっている。
【選択図】図２

Description

本明細書に開示する技術は、複合材及びそれに用いる金属板に関する。

建築物の壁や梁等の建築材には、木質材と鋼材とを組み合わせた複合材が用いられることがある。例えば、特許文献１に開示された複合材は、上弦と下弦に配置される２つの木質材と、トラス形状の鋼材とが組み合わされた複合梁材である。鋼材は、ネイルプレート部と支持部によって構成されており、両者を交互に配置することでトラス形状となっている。ネイルプレート部のネイルを上弦の木質材の側面と下限の木質材の側面に交互に打ち付けることにより、木質材と鋼材とが接合されている。

特開２００４−３１６１１４号公報

特許文献１の複合材は、木質材と鋼材とが、鋼材のネイルプレート部のみで接合している。このため、複合材に荷重が作用した際に、木質材と鋼材との接合部に大きな負荷がかかり、木質材が鋼材との接合部で破損する虞がある。本明細書は、複合材の強度を向上させる技術を開示する。

本明細書に開示する複合材は、少なくとも第１の方向に延在する木質材と、木質材の内部又はその表面の範囲内で第１の方向に沿って配置される少なくとも１枚の金属板と、を備えている。金属板は、木質材と対向する面に設けられる複数の突出部を備えている。突出部が木質材に食い込むことで、木質材と金属板が一体となっている。

上記の複合材では、金属板全体が木質材の内部又はその表面の範囲内に配置され、金属板の対向面に設けられた突出部によって、金属板と木質材とが一体となって接合している。このため、複合材に荷重が作用する場合、金属板と木質材の接合部に作用する荷重は金属板の対向面の全域に分散される。したがって、金属板によって複合材の強度を好適に向上させることができる。

実施例１に係る複合材の一部分の断面斜視図。 実施例１に係る複合材の一部分の分解斜視図。 実施例１に係る金属板の一部分を示す図であり、（ａ）はその上面図であり、（ｂ）はｘ方向から見た側面図であり、（ｃ）はｙ方向から見た側面図である。 実施例２に係る複合材の一部分の断面斜視図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１）本明細書が開示する複合材は、第１の方向に対して直交する断面が略矩形であってもよい。複合材の第１の方向の寸法をＬとし、複合材の第１の方向に対して直交する断面の一辺の寸法をＷとし、他辺の寸法をＨとすると、金属板は、複合材のＬ及びＷからなる面と平行に配置されていてもよい。一方、金属板は、複合材のＬ及びＨからなる面と平行に配置されていてもよい。このような構成によると、金属板を複合材に対して、第１の方向に直交する第２の方向（寸法Ｈの方向）に平行に配置することもできるし、第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向（寸法Ｗの方向）に平行に配置することもできる。金属板を配置する方向によって、複合材の備える強度の特徴（方向性）が異なるため、複合材を種々の用途に好適に使用することができる。

（特徴２）本明細書が開示する複合材では、金属板を複数備えていてもよい。複数の金属板の突出部が設けられる面が互いに平行となっていてもよい。このような構成によると、複合材は平行に複数の金属板を備えることができ、複合材の強度を好適に向上させることができる。

（特徴３）本明細書が開示する複合材では、金属板は、複数の開口部をさらに備えていてもよい。木質材は、第１の方向に直交する第２の方向に積層される複数の木質部材により構成されていてもよい。複数の開口部は、第２の方向に金属板を貫通していてもよい。複数の突出部は、金属板の第１方向と平行となる２つの表面のうちの一方から突出する第１突出部と、金属板の第１方向と平行となる２つの表面のうちの他方から突出する第２突出部と、を備えていてもよい。金属板の２つの表面のうちの一方は、複数の木質部材の１つと接合しており、金属板の２つの表面のうちの他方は、複数の木質部材の他の１つと接合していてもよい。このような構成によると、金属板は２つの木質部材の間に配置され、木質部材に固定される。このため、金属板は複合材に内装された構成となり、複合材を好適に補強することができる。

（特徴４）本明細書が開示する複合材では、金属板の複数の開口部に配置され、複数の木質部材の１つと複数の木質部材の他の１つとを互いに接着する接着剤部と、をさらに備えていてもよい。このような構成によると、金属板を介して隣接する２つの木質部材を、接着剤を用いて接着させることができる。このため、複合材の各部材の固定をより強固にすることができる。

本実施例に係る複合材１について説明する。図１に示すように、本実施例の複合材１は、木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより構成される木質材１０と、金属板２０ａ，２０ｂと、を備えている。木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、金属板２０ａ，２０ｂとは、互いに平行に配置され、ｚ方向（上下方向）に積層されている。なお、以下の明細書において、例えば、木質部材１２を区別する必要があるときは、木質部材１２ａ，１２ｂのように添字のアルファベットを用いて記載し、区別する必要のないときは単に木質部材１２と記載する場合がある。また、他の構成要素についても同一構成のものについて区別する必要がないときは、上記と同様に添字のアルファベットを省略して単に数字で記載することがある。

複合材１は、ｘ方向に長尺に伸びており、ｘ方向とｙ方向のアスペクト比が大きく、ｘ方向とｚ方向のアスペクト比も大きくなっている。複合材１のｙ方向の寸法をＷとすると、例えば、Ｗは９０ｍｍ以上、かつ、１８０ｍｍ以下とすることができる。また、複合材１のｚ方向の寸法をＨとすると、例えば、Ｈは１８０ｍｍ以上、かつ、４５０ｍｍ以下とすることができる。例えば、複合材１の断面は、Ｗ×Ｈが、９０ｍｍ×１８０ｍｍ、９０ｍｍ×２４０ｍｍ、９０ｍｍ×３００ｍｍ、９０ｍｍ×３６０ｍｍ、１２０ｍｍ×１８０ｍｍ、１２０ｍｍ×２４０ｍｍ、１２０ｍｍ×３００ｍｍ、１２０ｍｍ×３６０ｍｍ、１５０ｍｍ×１８０ｍｍ、１５０ｍｍ×２４０ｍｍ、１５０ｍｍ×３００ｍｍ、１５０ｍｍ×３６０ｍｍとすることができ、複合材１は、建築材として汎用性の高い寸法にすることができる。複合材１は、例えば、建築物の梁、登り梁、胴差、桁類又は柱等の長尺の建築材に用いることができる。

木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、略直方体状であり、ｘ方向に長尺に伸びている。すなわち、木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、ｘ方向とｙ方向のアスペクト比が大きく、ｘ方向とｚ方向のアスペクト比も大きくなっている。木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃのｘ方向の寸法は互いに略一致しており、木質部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃのｙ方向の寸法は、互いに略一致している。木質部材１２は、無垢材等の１部品からなるものであってもよいし、集成材や合板、ＬＶＬ（単板積層材）、ＣＬＴ（直交集成材）等の複数の部品を組み合わせたものであってもよいし、チップボード、ＭＤＦ（中密度繊維板）等の木質系繊維板であってもよい。木質部材１２ａ，１２ｂの間には、金属板２０ａが配置されており、木質部材１２ｂ，１２ｃの間には、金属板２０ｂが配置されている。

金属板２０は、板状の部材であり、鋼材を用いて形成されている。金属板２０は、ｘ方向に伸びており、ｘ方向とｙ方向のアスペクト比が大きな略矩形状の鋼板となっている。金属板２０ａ，２０ｂの形状は、略一致している。金属板２０のｙ方向の寸法は、木質材１０のｙ方向の寸法より小さくされている。金属板２０のｘ方向の寸法は、木質材１０のｘ方向の寸法と略一致している。金属板２０の板厚（ｚ方向の寸法）は、例えば、０．５ｍｍとなっている。このように、金属板２０の板厚が薄くされているため、例えば、複合材１を製造する前の状態では、金属板をコイル状にして保管することができる。金属板をコイル状にして保管すると、保管スペースを少なくすることができ、また、搬入や取扱いをより容易にすることができる。また、金属板をコイル状にすると、金属板の製造場所と木質材との取付け場所を分離することができる。金属板２０ａの上面（ｚ方向（＋））は、木質部材１２ａと接しており、下面（ｚ方向（−））は木質部材１２ｂと接している。すなわち、金属板２０ａは、木質部材１２ａ，１２ｂの間に配置されている。また、金属板２０ｂの上面（ｚ方向（＋））は、木質部材１２ｂと接しており、下面（ｚ方向（−））は木質部材１２ｃと接している。すなわち、金属板２０ｂは、木質部材１２ｂ，１２ｃの間に配置されている。図２に示すように、金属板２０には、複数の開口部２２が設けられている。また、金属板２０は、上方向（ｚ方向（＋））に突出する複数の突出部２４（請求項に記載した第１突出部の一例）と、下方向（ｚ方向（−））に突出する複数の突出部２６（請求項に記載した第２突出部の一例）を備えている。なお、本実施例では金属板に鋼材を用いているが、このような構成に限定されない。複合材の用途に応じて金属板の材料を選択することができる。また、金属板２０のｙ方向の寸法は、木質材１０のｙ方向の寸法より小さくされているが、このような構成に限定されない。例えば、金属板２０のｙ方向の寸法と、木質材１０のｙ方向の寸法とは、略一致していてもよい。また、本実施例の金属板２０の板厚は０．５ｍｍであるが、このような構成に限定されない。金属板２０の板厚を０．５ｍｍより大きくしてもよいし、０．５ｍｍより小さくしてもよい。金属板２０の板厚を大きくすると、複合材の強度をより高くすることができる。

開口部２２は、平面視すると円形であり、金属板２０をｚ方向に貫通している。すなわち、金属板２０ａの開口部２２は、金属板２０ａの木質部材１２ａと対向する表面から木質部材１２ｂと対向する表面に貫通している。図３に示すように、開口部２２は、金属板２０上においてｘ方向（図３（ａ）では左右方向）に等間隔に配置されており、ｙ方向（図３（ａ）では縦方向）に等間隔に配置されている。ｘ方向（図３（ａ）では左右方向）に隣り合う開口部２２ａ，２２ｂの間に、突出部２４，２６が配置されている。開口部２２には、図示しない接着剤が配置（充填）されている。接着剤の種類は特に限定されないが、例えば、エポキシやシリコン等の通常の建築用集成材に用いることができるものであることが好ましい。金属板２０ａの開口部２２に配置された接着剤によって、木質部材１２ａ，１２ｂが接着されている。上記の接着剤は、木質部材と金属部材とを接着させることと比較して、木質部材同士を接着させる際により強固に接着させることができる。このため、開口部２２を介して木質部材１２ａと木質部材１２ｂとをより強固に接着させることができ、木質部材１２ａ，１２ｂ及び金属板２０ａが分離することを防止することができる。同様に、木質部材１２ｂと木質部材１２ｃも、金属板２０ｂの開口部２２に配置される接着剤により接着されている。なお、本実施例の開口部２２は円形であるが、このような構成に限定されない。金属板２０を貫通し、接着剤を配置できる形状であればよく、例えば、矩形であってもよい。

金属板２０は、複数の突出部２４と、複数の突出部２６を備えている。突出部２４，２６は、ｘ方向（図３（ａ）では左右方向）に隣り合う開口部２２ａ，２２ｂの間に配置される。突出部２４，２６は、金属板２０を切り起こして形成される。したがって、金属板２０には、突出部２４，２６と一致する形状の開口２８が設けられる。１つの開口２８が設けられる箇所に、突出部２４，２６が１つずつ形成される。具体的には、開口２８は、ｘ方向とｙ方向に平行な略矩形に設けられる。開口２８の外周のｘ方向に平行な２辺に切り込みが入れられ、開口２８が設けられる内部には対角線状に切り込みが入れられる。開口２８の外周のｙ方向に平行な１辺を上方（ｚ方向（＋））に垂直に折り曲げることで、突出部２４が形成され、他方の１辺を下方（ｚ方向（−））に垂直に折り曲げることで、突出部２６が形成される。すなわち、突出部２４，２６は、ｚ方向に平行に配置される。突出部２４，２６は、金属板２０の表面からｚ方向に、例えば、１０ｍｍ突出している。金属板２０ａの突出部２４は、木質部材１２ａに食い込んでおり、金属板２０ａの突出部２６は、木質部材１２ｂに食い込んでいる。このため、金属板２０ａは、突出部２６によって木質部材１２ａ，１２ｂに固定されている。突出部２４，２６を木質部材１２に食い込ませ、金属板２０と木質部材１２が互いにすべりを防止しつつ一体化することにより、複合材１はせん断と曲げに対する強度が向上されている。なお、本実施例の突出部は、金属板を切り起こすことで形成したが、このような構成に限定されない。例えば、金属板の表面に突出部を接合してもよい。また、突出部２４，２６の大きさは、１０ｍｍとなっているが、このような構成に限定されない。突出部は１０ｍｍより大きくしてもよいし、１０ｍｍより小さくしてもよい。突出部を大きくすると、複合材１のせん断と曲げに対する耐力を高くすることができる。また、突出部の数を多く設置することにより、複合材１のせん断と曲げに対する耐力を高くすることができる。

複合材１は、その内部に金属板２０を備えており、金属板２０は、複合材１の補強の役割を果たしている。このため、複合材１の剛性が高くなり、複合材１の許容応力度を高くすることができる。また、例えば、複合材１を梁材として用いた際に、複合材１にかかる荷重が大きく、最下層の木質部材１２ｃが破断した場合でも、複合材１の最下層の部材が木質部材１２ｃに代わり金属板２０ｂとなるため、複合材１の許容応力度を高く保つことができる。すなわち、金属板２０ｂが最下層になると、荷重等による金属板２０ｂの破断より先に、金属板２０ｂと木質部材１２ｂとのせん断剥離が起こることが想定される。しかし、上述したように、複合材１は、金属板２０ｂと木質部材１２ｂとが強固に接合され、せん断と曲げに対する耐力が高くされているため、複合材１は、高い許容応力度を維持することができる。

複合材１には、開口部２２が設けられているため、複合材１を他の部材と接合するときに、ボルト等の接合部材を開口部２２に挿入することができる。このため、接合部材を複合材に貫通させる際に、複合材１の内部に配置される金属板２０が、接合部材の貫通を阻害することを回避することができる。また、上述したように、金属板２０の板厚は薄くされているため、金属板の開口部以外の部分であっても、接合部材を容易に金属板２０に貫通させることができる。このため、複合材１は金属板２０を備えていても、建築材として取扱い易いものとすることができる。

複合材１は、複合材１内部に接着剤が用いられると共に、突出部２４，２６が木質部材１２に食い込むことで複合材１が固定されている。このため、木質部材同士を接着する間、養生する必要がない。養生する必要がないため、養生する条件によって複合材の性能や強度が左右されることがなく、ばらつきの少ない複合材１を形成することができる。また、例えばカーブした形状の金属板の両面に木質部材を固定することにより、複合材をカーブした形状にすることができる。また、曲線形状の複合材（曲線材）は、複数の木質部材と複数の金属板を径方向に積層させることで形成してもよい。このとき、径方向の位置によって各金属板の長さを変えることにより、曲率を一定に保持することができる。このため、木質部材を変形させるための治具を使用する必要はなく、より容易に所望の形状の複合材を形成することができる。

本実施例の複合材１では、金属板２０のｘ方向の寸法が複合材１のｘ方向の寸法と略一致しており、また、平行に２枚の金属板２０が配置されているが、このような構成に限定されない。複合材１は、その内部に金属板２０を配置することにより、剛性を高くし、強度を向上させることができる。このため、複合材のｘ方向と略同一の寸法で金属板を配置する以外に、複合材の強度を高めるために金属板を効果的に配置することができる。例えば、複合材１を梁材として用いる場合に、荷重等によりモーメントやせん断力が大きく作用する部分に金属板を配置し、モーメントやせん断力がほとんど作用しない部分には金属板を配置しない構成とすることができる。また、モーメントやせん断力がかかる大きさに応じて、配置する金属板の枚数を増加させることができる。このような構成によると、必要な部分に必要な枚数の金属板を配置することができ、重量を少なくできかつ効果的に複合材を補強することができる。したがって、複合材に働く各種応力が大きくなる部分に応じて金属板を配置することで、最適な補強を自由に行うことができる。

また、本実施例の金属板２０には、開口部２２を格子状に整列して設けたが、このよう構成に限定されない。例えば、千鳥整列するように金属板上に開口部を設けてもよい。また、開口の大きさは、本実施例の開口部２２より小さくしてもよいし、さらに大きくしてもよい。例えば、金属板は、開口部が全体の８０〜９０％を占めるエキスパンド網状に成形してもよい。したがって、金属板に対する開口部の割合は１０〜９０％とすることができる。また、本実施例では、開口部２２と突出部２４，２６とを別個に設けたが、このような構成に限定されない。例えば、突出部を設けるために金属板を切り起こす際に生じる開口（すなわち、本実施例でいう開口２８）を、金属板に設ける開口部（すなわち、本実施例でいう開口部２２）としてもよい。

本実施例の複合材１は、梁や柱等の建築材に用いることができる長尺の部材であるが、このような構成に限定されない。例えば、２辺のアスペクト比が小さい板状のものであってもよく、このような複合材は、床、壁、屋根、スラブ等として用いることができる。このような構成であっても、複合材にかかる荷重等の負荷に応じて、最適な部分に最適な枚数の金属板を配置することで、複合材を好適に補強することができる。

本実施例の複合材１は、外層に木質部材１２ａ，１２ｃを配置しているが、このような構成に限定されない。例えば、外層に金属板が配置されていてもよく、複合材の用途に応じて選択することができる。また、外層に配置する木質部材として化粧材を用いることで、外観のよい複合材を製造することができる。外層に木質部材を配置すると、もえしろ設計となり、火災等に強い複合材となる。また、火災等により木質部分が焼失してしまっても、金属板は残存する。このため、火災等により木質部分が焼失しても複合材の骨格を保持することができ、建築物が倒壊する可能性を低くすることができる。

図４に示すように、実施例２の複合材１００は、木質部材１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃから構成される木質材１１０と、金属板１２０ａ，１２０ｂとが、ｙ方向に積層した構成となっている。なお、複合材１００は、実施例１の複合材１に対して、木質部材１１２及び金属板１２０が積層する方向が相違し、その他の構成については略同一となっている。したがって、金属板１２０の開口部及び突出部は、実施例１の金属板２０と同様の構成となっている。

複合材１００は、例えば梁材として用いた際に、ｚ方向の荷重により負荷がかかり下面から破損する場合、まず積層する木質部材１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの下面（ｘｙ面）が金属板１２０ａ，１２０ｂのｚ方向の下縁まで破損する。このような状態になると、金属板１２０ａ，１２０ｂの破損より先に、金属板１２０と木質部材１１２との接着面のせん断剥離が起こることが想定される。しかし、本実施例の複合材１００においても、金属板１２０と木質部材１１２とのせん断剥離に対する耐力が高くされているため、複合材１００は、高い許容応力度を維持することができる。さらに、複合材１００にボルト等の接合部材がｙ方向に貫通された場合には、複合材１００にはｙ方向に締め付けられる力が作用し、せん断力に対する強度をより向上させることができる。

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

１，１００ 複合材
１０，１１０ 木質材
１２，１１２ 木質部材
２０，１２０ 金属板
２２ 開口部
２４，２６ 突出部

Claims (6)

1. 少なくとも第１の方向に延在する木質材と、
   前記木質材の内部又はその表面の範囲内で前記第１の方向に沿って配置される少なくとも１枚の金属板と、を備えており、
   前記金属板は、前記木質材と対向する面に設けられる複数の突出部を備えており、
   前記突出部が前記木質材に食い込むことで、前記木質材と前記金属板が一体となっている、複合材。
2. 前記複合材は、前記第１の方向に対して直交する断面が略矩形であり、
   前記複合材の前記第１の方向の寸法をＬとし、前記複合材の前記第１の方向に対して直交する断面の一辺の寸法をＷとし、他辺の寸法をＨとすると、前記金属板は、前記複合材のＬ及びＷからなる面と平行に配置されている、請求項１に記載の複合材。
3. 前記複合材は、前記第１の方向に対して直交する断面が略矩形であり、
   前記複合材の前記第１の方向の寸法をＬとし、前記複合材の前記第１の方向に対して直交する断面の一辺の寸法をＷとし、他辺の寸法をＨとすると、前記金属板は、前記複合材のＬ及びＨからなる面と平行に配置されている、請求項１に記載の複合材。
4. 前記金属板は、複数の開口部をさらに備えており、
   前記木質材は、前記第１の方向に直交する第２の方向に積層される複数の木質部材により構成されており、
   前記複数の開口部は、前記第２の方向に前記金属板を貫通しており、
   前記複数の突出部は、前記金属板の前記第１方向と平行となる２つの表面のうちの一方から突出する第１突出部と、前記金属板の前記第１方向と平行となる２つの表面のうちの他方から突出する第２突出部と、を備えており、
   前記金属板の前記２つの表面のうちの一方は、前記複数の木質部材の１つと接合しており、前記金属板の前記２つの表面のうちの他方は、前記複数の木質部材の他の１つと接合している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合材。
5. 前記金属板の複数の開口部に配置され、前記複数の木質部材の１つと前記複数の木質部材の他の１つとを互いに接着する接着剤部と、をさらに備えている、請求項４に記載の複合材。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材に用いる金属板。

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