JP4452159B2 - パネル構造材 - Google Patents

Description

本発明は、建築物、車両及び航空機などの構造物の床面、あるいは壁面に構造材として好適に使用されるパネル構造材に関するものである。

従来のパネル構造材においては、いわゆるハニカム構造のものが広く利用されている。このハニカム構造のパネルは、極めて薄肉の金属材料で多数のセルを形成した六角形状のハニカムコアの両面に平面板を接合した構造になっており、軽量でありながら高剛性という優れた特性を有している。しかし、このハニカム構造のパネル（ハニカムパネル）は、例えばアルミニウム製のリボンをコルゲート加工して凹凸を形成したものを多数積層し、ロウ付け又は接着剤で接着してハニカム形状にするため、生産性が低く、製造コストが高いという問題があった。しかも、緻密に配置されたハニカムコアを通して音が伝わりやすく、防音性能の面でも問題があった。

そこで、前記生産性問題を解決すべく、パネル構造材として、図７に示すように、多数の凸型部分５２ａが形成された１枚の薄肉金属製の構造材（裏打ち板）５２とその両面に接着された薄肉金属製の表面材５１からなる金属パネル５０が提案されている（特開平６−３１６０１５号公報）。この金属パネル５０の構造材５２の加工は、アルミニウムなどの薄手の金属材料に絞り加工又はプレス加工などの方法で多数の凸型部分５２ａを一体形成するといったように、ハニカムコアに比べて著しく部材点数を少なくすることができ、高い生産性が実現できるようにしている。なお、構造材５２と表面材５１との接合をスポット溶接などで点接合した場合には、表面板５１と構造材５２の接触点をハニカム構造のパネルに比べて大幅に減らすことによって、防音性能を著しく高めることができると考えられる。

しかし、この金属パネル５０は、次に述べるように、剛性に欠けるという問題点がある。図８は前記従来の金属パネルに荷重を加えた場合の変形状態を示す図であって、その（ａ）はパネル下面の全面が支持された状態で分布荷重Ｐを加えた場合の変形状態を示す図であり、その（ｂ）はパネル下面の端部のみが支持された状態で分布荷重Ｐを加えた場合の変形状態を示す図である。

図８（ａ）に示すように、パネル下面が安定した状態で分布荷重Ｐを加えた場合には、金属パネル５０は優れた強度を示す。しかし、図８（ｂ）のように、パネル下面の周端部のみが支持された状態では、分布荷重Ｐにより、凸型部分５２ａ間の平面部５２ｂが容易にせん断変形するために、構造材として剛性の低いものとなる。

そこで、剛性を高めるため、図９に示すように、多数の凸部６２ａを有するパネル６２を２枚積層してパネル積層体６３を形成し、パネル積層体６３の上面及び下面に表面材６１を接合してなるパネル構造材（高剛性パネル）６０が提案されている（特開平９−１４１７６９号公報）。この場合、２枚のパネル６２の凸部６２ａ同士の接合はスポット溶接によって行い、上下面への各表面材６１の張り付けはビス止めによって行うようにしている。

しかし、このパネル構造材６０は、材料コストが増えるとともに、製造も極めて手間がかかり、コスト的に見てハニカム構造に大きく見劣りしており、非実用的と言わざるを得ないものである。
特開平６−３１６０１５号公報（第２頁、図１） 特開平９−１４１７６９号公報（第２−第４頁、図１）

そこで本発明の課題は、剛性に優れるとともに、従来のハニカム構造のものや、多数の凸部を有するパネル板を２枚以上重ね合わせた構造のものに比べて生産性に優れたパネル構造材を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、中空円錐台形をなす凸部とその裾野周りの平面部とから形成されるユニットセル部が多数規則的に配列されてなる１枚の裏打ち板と、前記裏打ち板の前記凸部側又は両面に接合された平滑な表面板とを備え、前記ユニットセル部の平面視投影面積Ａに対する前記凸部の平面視投影面積Ｄの比が、０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の範囲を満たすように、かつ、前記凸部の周壁面傾斜角度θ［θ＝９０°−（凸部中心軸線と周壁面とのなす角度）］が２５°≦θ≦３５°の範囲を満たすように、前記ユニットセル部が形成されていることを特徴とするパネル構造材である。

請求項１のパネル構造材は、中空円錐台形をなす凸部とその裾野周りの平面部とから形成されるユニットセル部が多数規則的に配列されてなる１枚の裏打ち板と、この裏打ち板の前記凸部側又は両面に接合された平滑な表面板とを備えており、前記ユニットセル部の平面視投影面積Ａに対する前記凸部の平面視投影面積Ｄの比が、０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の範囲を満たすように、前記ユニットセル部が形成されている。なお、前記凸部の周壁面傾斜角度θ［θ＝９０°−（凸部中心軸線と周壁面とのなす角度）］は、２５°≦θ≦３５°の範囲を満たすようになされている。このように、ユニットセル部の平面部の面積を適切に設定することにより、平面部の面積が適正範囲より大きい場合に生じる大きなせん断変形によるパネル構造材のたわみの発生と、平面部の面積が適正範囲より小さい場合に生じる大きな曲げ変形によるパネル構造材のたわみの発生とをともに回避することができる。よって、高い剛性を持つことができるとともに、従来のハニカム構造のものや、多数の凸部を有するパネル板を２枚以上重ね合わせた構造のものに比べて構成が簡易で優れた生産性を実現することができる。

図１は本発明のパネル構造材の作用を説明するための図であって、その（ａ）はＤ／Ａ＜０．３の場合のパネル構造材のたわみを説明するための図、その（ｂ）は０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の場合のパネル構造材のたわみを説明するための図、その（ｃ）は０．８＜Ｄ／Ａの場合のパネル構造材のたわみを説明するための図である。

図１において、１０は表面板、２０は中空の凸部２１と平面部２２とからなるユニットセル部が多数規則的に配列された裏打ち板であり、裏打ち板２０の全周端が支持された状態で表面板１０の全領域に等分布荷重Ｐが加えられている。表面板１０と裏打ち板２０とは、裏打ち板２０の凸部２１の頂部で接合されている。

図１（ａ）のように、平面部２２の面積が広い場合（Ｄ／Ａ＜０．３）、パネル構造材においては、隣り合う凸部２１間のせん断力が伝わり難いために、全体としてせん断変形を生じやすく、たわみが大きくなる。一方、図１（ｃ）のように、平面部２２の面積が非常に小さい場合（０．８＜Ｄ／Ａ）、凸部２１間のせん断力は伝わり易いので、せん断変形そのものは小さいものの、全体としての曲げ剛性が小さくなって、曲げ変形が大きくなり、結果として全体のたわみはやはり大きくなる。これに対して、０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８を満足するユニットセル部とすることで（なお、凸部２１の周壁面傾斜角度θ［θ＝９０°−（凸部中心軸線と周壁面とのなす角度）］は２５°≦θ≦３５°の範囲内）、平面部２２の面積が適正範囲より大きい場合に生じる大きなせん断変形によるパネル構造材のたわみの発生と、平面部２２の面積が適正範囲より小さい場合に生じる大きな曲げ変形によるパネル構造材のたわみの発生とをともに回避することができて、高い剛性を持つことができる（図１（ｂ））。なお、本発明のパネル構造材では、そのたわみについては、ユニットセル部の凸部の形状や平面部の形状に対して比較的鈍感であり、Ｄ／Ａの比率に非常に敏感である。したがって、ユニットセル部の形状は幅広く選択することが可能である。

図２は本発明の実施例で用いたパネル構造材の裏打ち板を示す斜視図、図３は図２のパネル構造材の要部を拡大して示す切欠き斜視図、図４は参考例のパネル構造材の裏打ち板を示す斜視図、図５は図４のパネル構造材の要部を拡大して示す切欠き斜視図である。

ユニットセル部の形状が異なる２種類のパネル構造材について、荷重をかけたときのたわみ度合いの解析を行った。Ｎｏ．１のパネル構造材４００は、図２及び図３に示すように、表面板５００と、中空円錐台形をなす凸部６１１と正方形の外側輪郭を有する平面部６１２とから形成されているユニットセル部６１０が多数規則的に配列された裏打ち板６００とを備え、表面板５００と裏打ち板６００とが、裏打ち板６００の凸部６１１の平らな頂部で接合（スポット溶接）されている。また、Ｎｏ．２のパネル構造材７００は、図４及び図５に示すように、表面板８００と、中空四角錐台形をなす凸部９１１と正方形の外側輪郭を有する平面部９１２とから形成されているユニットセル部９１０が多数規則的に配列された裏打ち板９００とを備え、表面板８００と裏打ち板８００とが、裏打ち板９９０の凸部９１１の平らな頂部で接合（スポット溶接）されている。

Ｎｏ．１，Ｎｏ．２のパネル構造材４００，７００において、表面板５００，８００及び裏打ち板６００，９００の辺長Ｌは１０００ｍｍ、ユニットセル部６１１，９１１の辺長ｐは１１１ｍｍ（＝１０００ｍｍ／９）である。また、表面板５００，８００の板厚中心と平面部６１２，９１２の板厚中心との距離ｈは１９．２５ｍｍであり、アルミニウム合金製の表面板５００，７００の板厚は３．５ｍｍ、アルミニウム合金製の裏打ち板６００，９００の板厚は１．４ｍｍである。

荷重としては、表面板５００，８００の全領域に等分布荷重を載荷した。また、境界条件としては、裏打ち板６００，９００の全周端を鉛直方向に固定し、回転は自由とした。ユニットセル部６１０，９１０の前記Ｄ／Ａを変えるためのパラメータは、表１に示す通りであって、Ｎｏ．１のパネル構造材４００では、中空円錐台形の凸部６１１の周壁面傾斜角度θ［θ＝９０°−（凸部中心軸線と周壁面とのなす角度）］としての円錐角度θ（図３参照）を採用し、Ｎｏ．２のパネル構造材７００では、中空四角錐台形の凸部９１１の底辺長さｄ（図５参照）を採用した。「たわみ」の値については、最小のたわみ（Ｎｏ．１のパネル構造材でＤ／Ａの値が０．４７８のとき）を１．０として相対値を無次元化表示してある。解析結果を表１と図６に示す。

表１及び図６からわかるように、Ｎｏ．１，Ｎｏ．２のパネル構造材４００，７００において、ユニットセル部６１０，９１０のＤ／Ａの値が本発明で規定する０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の範囲を満たすものでは、たわみは１．３５以下となり（図６参照）、高い剛性が得られることが確認できた。０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の範囲を外れると、たわみが急激に大きくなっている。また、中空円錐台形の凸部６１１を持つものと中空四角錐台形の凸部９１１を持つものとでは、凸部形状の相違によってたわみが大きく異なるということはなく、たわみに対してはＤ／Ａの値が支配的であることもわかる。なお、本解析結果は、表面板及び裏打ち板の材質のヤング率に関係なく成立するので、表面板及び裏打ち板の材質がアルミニウム合金、鋼、樹脂などによらず、同一の結果になるものである。

本発明のパネル構造材の作用を説明するための図であって、その（ａ）はＤ／Ａ＜０．３の場合のパネル構造材のたわみを説明するための図、その（ｂ）は０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の場合のパネル構造材のたわみを説明するための図、その（ｃ）は０．８＜Ｄ／Ａの場合のパネル構造材のたわみを説明するための図である。 本発明の実施例で用いたパネル構造材の裏打ち板を示す斜視図である。 図２のパネル構造材の要部を拡大して示す切欠き斜視図である。 参考例のパネル構造材の裏打ち板を示す斜視図である。 図４のパネル構造材の要部を拡大して示す切欠き斜視図である。 実施例でのたわみ解析結果を示すグラフである。 従来の金属パネルを示す切欠き斜視図である。 従来の金属パネルに荷重を加えた場合の変形状態を示す図であって、その（ａ）はパネル下面の全面が支持された状態で分布荷重Ｐを加えた場合の変形状態を示す図であり、その（ｂ）はパネル下面の端部のみが支持された状態で分布荷重Ｐを加えた場合の変形状態を示す図である。 従来のパネル構造材を示す一部切欠き斜視図である。

４００…Ｎｏ．１のパネル構造材
５００…表面板
６００…裏打ち板
６１０…ユニットセル部
６１１…凸部
６１２…平面部
７００…Ｎｏ．２のパネル構造材
８００…表面板
９００…裏打ち板
９１０…ユニットセル部
９１１…凸部
９１２…平面部

Claims (1)

1. 中空円錐台形をなす凸部とその裾野周りの平面部とから形成されるユニットセル部が多数規則的に配列されてなる１枚の裏打ち板と、前記裏打ち板の前記凸部側又は両面に接合された平滑な表面板とを備え、前記ユニットセル部の平面視投影面積Ａに対する前記凸部の平面視投影面積Ｄの比が、０．３≦Ｄ／Ａ≦０．８の範囲を満たすように、かつ、前記凸部の周壁面傾斜角度θ［θ＝９０°−（凸部中心軸線と周壁面とのなす角度）］が２５°≦θ≦３５°の範囲を満たすように、前記ユニットセル部が形成されていることを特徴とするパネル構造材。

Images