JP5355154B2 - Ｆｒｐサンドイッチパネル - Google Patents

Description

本発明はＦＲＰサンドイッチパネル、特に、船舶、建築材、プラント機器等の構造材に用いるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）サンドイッチパネルに関する。

従来、船舶に用いるＦＲＰサンドイッチパネルは、通常、軽量のプラスチックフォームやバルサ材を心材にして、その両面にＧＦＲＰやＣＦＲＰ等の表皮材が設置されている。
そして、心材を過剰に厚くすることなく、剛性や強度を高めるため、ＦＲＰサンドイッチパネルの短辺に、所定の間隔を空けて互いに平行な防撓材（スティフナー）が設置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２６４８８０号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら特許文献１の技術は、ＦＲＰサンドイッチパネルを形成する心材の「剪断剛性」が低いため、ＦＲＰサンドイッチパネルの曲げ変形において、防撓材が設置された側の表皮材（以下「上表皮材」と称す）は構造部材として機能する（引っ張り力や圧縮力が生じる）ものの、防撓材が設置されていない側の表皮材（以下「下表皮材」と称す）は構造部材として機能しない（引っ張り力や圧縮力が生じない）という問題があった。
すなわち、防撓材が曲がることによって上表皮材は伸ばされたり、あるいは縮められたりするものの、上表皮材の変形が下表皮材に伝播しない。
また、ＦＲＰサンドイッチパネルを形成する心材の「剪断剛性」を高めたのでは、軽量であることを特徴としていたＦＲＰサンドイッチパネルが、かえって重くなるという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑み、ＦＲＰサンドイッチパネルの重量増加を抑えて、剛性や強度を高めることができるＦＲＰサンドイッチパネルを提供することを目的とする。

本発明に係るはＦＲＰサンドイッチパネルは以下の構成を有する。
（１）所定の剪断剛性を有する第１パネル心材と、
該第１パネル心材の剪断剛性よりも高い剪断剛性を有する第２パネル心材と、
前記第１パネル心材と前記第２パネル心材とが交互に配置されて形成された板状体の両面に、それぞれ設置された一対のＦＲＰパネル表皮材と、
該一対のＦＲＰ表皮材の一方のＦＲＰパネル表皮材の表面で前記第２パネル心材に相当する位置に設置された、断面矩形または断面台形の棒状の防撓心材と、
該防撓心材の表面、および該防撓心材の設置範囲を除く前記一方のＦＲＰ表皮材の表面の一部または全部に、設置されたＦＲＰ防撓表皮材と、を有する。

（２）前記（１）において、前記第２パネル心材の幅が、前記防撓心材の幅の１〜４倍であることを特徴とする。
（３）前記（１）または（２）において、前記防撓心材の頂部に、曲げ剛性を高めるための強化層が設けられることを特徴とする。

（４）前記（１）乃至（３）の何れかにおいて、前記ＦＲＰ防撓表皮が複数枚であって、前記防撓心材の少なくとも一方の側面を覆うＦＲＰ防撓表皮と、前記防撓心材の少なくとも他方の側面を覆うＦＲＰ防撓表皮とが、前記防撓心材の頂部において重なることを特徴とする。
（５）前記（１）乃至（４）の何れかにおいて、前記第１パネル心材、前記第２パネル心材および前記防撓心材が木材またはプラスチック材であって、真空補助樹脂含浸されてなることを特徴とする。

発明に係るＦＲＰサンドイッチパネルは以下の効果を奏する。
（ｉ）一方のＦＲＰパネル表皮材（以下「上表皮材」と称す）の表面で第２パネル心材に相当する位置に断面矩形状または断面台形状の棒状の防撓心材が設置されるから、防撓心材が曲がることによって生じる上表皮材の変形が、比較的剪断剛性の高い第２パネルによって、防撓心材が設置されていない他方のＦＲＰパネル表皮材（以下「下表皮材」と称す）に伝達され、下表皮材が構造部材として機能することになる。

（ｉｉ）第２パネル心材の幅が防撓心材の幅の１〜４倍であるから、上表皮材の変形が、効果的に下表皮材に伝達される。好ましくは、２〜３倍程度にしておけば、重量増加を抑えて確実に上表皮材の変形を下表皮材に伝達させることができる。
（ｉｉｉ）防撓心材の頂部に曲げ剛性を高めるための強化層が設けられるから、補剛効果が増大する。
（ｉｖ）防撓心材の一方の側面を覆うＦＲＰ防撓表皮と他方の側面を覆うＦＲＰ防撓表皮とが防撓心材の頂部において重なるから、補剛効果が増大する。
（ｖ）第１パネル心材、第２パネル心材および防撓心材が木材またはプラスチック材であって、真空補助樹脂含浸されてなるから、強度および剛性を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図。 図１に示すＦＲＰサンドイッチパネルの作用効果を模式的に説明する荷重条件を示す側面図および変形後の一部を示す側面図。 図１に示すＦＲＰサンドイッチパネルの断面性能を説明する計算モデルを示す断面図。 本発明の実施の形態２に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図。 本発明の実施の形態３に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図。 本発明の実施の形態４に係るＦＲＰサンドイッチパネルの斜視図。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図である。図１において、ＦＲＰサンドイッチパネルの防撓構造１０は、横方向に併設された第１パネル心材３および第２パネル心材４と、これらの両面にそれぞれ設置された第１ＦＲＰパネル表皮材１および第２ＦＲＰパネル表皮材２と、防撓心材５と、を有している。

第１ＦＲＰパネル表皮材１および第２ＦＲＰパネル表皮材２はＧＦＲＰシート（ガラス繊維強化プラスチックシート）またはＣＦＲＰシート（カーボン繊維強化プラスチックシート）を複数枚重ねて形成され、その厚さは、設定したパネル心材厚さに、設計圧力と、サンドイッチ構造の周囲の固定条件を加味して計算される曲げ応力（第１ＦＲＰパネル表皮材１および第２ＦＲＰパネル表皮材２自体は引張応力ないし圧縮応力が発生する）とから計算される。

第１パネル心材３および第２パネル心材４は、横方向に併設され、両面をそれぞれ第１ＦＲＰパネル表皮材１および第２ＦＲＰパネル表皮材２によって挟まれ、所謂サンドイッチ状態のＦＲＰサンドイッチパネル１０が形成されている。
第１パネル心材３および第２パネル心材４の厚さは、サンドイッチパネルの外形寸法と設計圧力により発生する大きさから計算される剪断応力によって決定され、バルサ材またはプラスチックが用いられる。
特に、防撓心材５が設置される第２パネル心材４は、第１パネル心材３より密度の高い剪断剛性の高いパネル心材を用いる。

ＦＲＰサンドイッチパネル１０は、例えば平らな成形定盤の上に積層設置されたドライ状態のＦＲＰ強化布と心材全体をフィルムで覆って周囲をシールし真空に近い状態で樹脂を含浸させるＶＡＲＴＭ（真空補助樹脂含浸）成形を適用することにより製造効率の高いＦＲＰサンドイッチパネル１０が製造されるものである。

防撓心材５は、剪断剛性が第１パネル心材３より高い第２パネル心材４の上面に配置され、断面が矩形または台形状となっている。すなわち、防撓心材５および第２パネル心材４等によって防撓部が形成される。
防撓心材５はＶＡＲＴＭ（真空補助樹脂含浸）によって一気に成形するか、あるいは、手積み成形によって成形される。
さらに、ＦＲＰ防撓表皮材６が防撓心材５上部を覆って接着され、ＦＲＰサンドイッチパネルとの一体化が図られている。

図２は本発明の実施の形態１に係るＦＲＰサンドイッチパネルの作用効果を模式的に説明するものであって、図２の（ａ）は荷重条件を示す側面図、図２の（ｂ）は荷重条件を示す正面図、図２の（ｃ）は変形後の一部を示す側面図、図２の（ｄ）は比較材の変形後の一部を示す側面図である。
図２の（ａ）および（ｂ）において、ＦＲＰサンドイッチパネル１０は防撓心材５の頂部が伸ばされるように、一様分布荷重が負荷されている。

図２の（ｃ）において、ＦＲＰサンドイッチパネル１０は、第２パネル心材４が所定の剪断剛性を有するから、第２ＦＲＰパネル表皮材２の防撓心材５が接合している範囲の変形が第１ＦＲＰパネル表皮材１に伝達されている。すなわち、分布荷重が負荷される前に、矩形であった第２パネル心材４は台形（扇形）状に変形し、同様に、防撓心材５も台形（扇形）状に変形している。

図２の（ｄ）において、第２パネル心材４の剪断剛性が低い（第１パネル心材３の剪断剛性程度）比較材９０の場合、第２パネル心材４が台形（扇形）状に変形した際、第２ＦＲＰパネル表皮材２の防撓心材５が接合している範囲は変形（短縮している）するものの、第２パネル心材４は、矩形のままほとんど変形しない。すなわち、第１ＦＲＰパネル表皮材１は構造部材として力を負担していないから、比較材９０の剛性向上に寄与していない。

図３は本発明の実施の形態１に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面性能を説明するものであって、図３の（ａ）は計算モデルを示す断面図、図３の（ｂ）は比較材の計算モデルを示す断面図である。
図３の（ａ）において、ＦＲＰサンドイッチパネル１０は、厚さ４０ｍｍで、幅１００ｍｍの２枚の第１パネル心材３が、幅２００ｍｍの第２パネル心材４を挟んで板状に接続され、両面に厚さ８ｍｍの第１ＦＲＰパネル表皮材１および第２ＦＲＰパネル表皮材２が設置されている。そして、防撓心材５は、底辺１００ｍｍ、上辺８０ｍｍ、高さ１００ｍｍの台形で、厚さ４ｍｍのＦＲＰ防撓表皮材６によって覆われている。
一方、図３の（ａ）に示す比較材９０は、厚さ４０ｍｍで、幅４００ｍｍの第１パネル心材３に、防撓心材５が設置されている。このとき、第１ＦＲＰパネル表皮材１は断面係数等の計算においては「無いもの」としている。なお、第１パネル心材３の幅４００ｍｍは「設計有効幅」に相等する。

表１において、本発明のＦＲＰサンドイッチパネル１０は、曲げ剛性に対して、第１ＦＲＰパネル表皮材１が寄与するため、断面係数は２．１８倍、断面二次モーメントは２．７８倍に増大している。

［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図である。図４において、ＦＲＰサンドイッチパネル２０は、防撓心材５の頂部に一方向強化層７がインサートされ、ＦＲＰ防撓表皮材６で一体成形されている。したがって、防撓心材５の高さを増加させる必要がないから、ＦＲＰサンドイッチパネル２０の全体厚さ（高さ）を薄く（小さく）することができる。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図である。図５において、ＦＲＰサンドイッチパネル３０は、防撓心材５に防撓補強層８が形成されている。
防撓補強層８は、防撓心材５の頂部におけるＦＲＰ防撓表皮材６の厚さが、防撓心材５のウェブ部におけるＦＲＰ防撓表皮材６（以下、「ＦＲＰ防撓表皮材６a、６ｂ」と称す）の厚さより厚く形成されている。
すなわち、ＦＲＰ防撓表皮材６a、６ｂを用いて、防撓心材５の一方の斜面側を覆うＦＲＰ防撓表皮材６aを形成する複数枚のシートと、防撓心材５の他方の斜面側を覆うＦＲＰ防撓表皮材６ｂを形成する複数枚のシートと、を頂部において重なるように成形している。このため、補剛効果が増している。

［実施の形態４］
図６は本発明の実施の形態４に係るＦＲＰサンドイッチパネルの断面図である。図６において、ＦＲＰサンドイッチパネルの防撓構造４０は、ＦＲＰサンドイッチパネルの防撓構造１０（実施の形態１）において、第２ＦＲＰパネル表皮材２と防撓表皮材６とが一体化したものである。すなわち、たとえば、第１ＦＲＰパネル表皮材１が１０枚のＦＲＰシートから形成されるとき、第２ＦＲＰパネル表皮材２を５枚のＦＲＰシートによって形成し、その上に防撓心材５を設置し、防撓心材５の表面（頂部および両側面）および第２ＦＲＰパネル表皮材２の表面にＦＲＰシートを８枚設置して、防撓表皮材６を形成する。すなわち、防撓心材５を除く上面には、合計１３枚のＦＲＰシートを重ねた、第２パネル表皮材２と防撓表皮材６との一体化した層が形成される。
このとき、一定幅のＦＲＰシート（強化布に相等する）を用いることができるから、材料の種類を増やすことなく、材料歩留まりが向上すると共に、積層作業が簡単になって成形効率が向上する。

本発明は、船舶、建築材、プラント機器の構造材の他に、圧力容器や化学プラント等、他各種用途に広く利用可能である。

１ 第１ＦＲＰパネル表皮材
２ 第２ＦＲＰパネル表皮材
３ 第１パネル心材
４ 第２パネル心材
５ 防撓心材
６ ＦＲＰ防撓表皮材
６ａ ＦＲＰ防撓表皮材
６ｂ ＦＲＰ防撓表皮材
７ 一方向強化層
８ 防撓補強層
１０ 防撓材

Claims (5)

1. 所定の剪断剛性を有する第１パネル心材と、
   該第１パネル心材の剪断剛性よりも高い剪断剛性を有する第２パネル心材と、
   前記第１パネル心材と前記第２パネル心材とが交互に配置されて形成された板状体の両面に、それぞれ設置された一対のＦＲＰパネル表皮材と、
   該一対のＦＲＰ表皮材の一方のＦＲＰパネル表皮材の表面で前記第２パネル心材に相当する位置に設置された、断面矩形または断面台形の棒状の防撓心材と、
   該防撓心材の表面、および該防撓心材の設置範囲を除く前記一方のＦＲＰ表皮材の表面の一部または全部に、設置されたＦＲＰ防撓表皮材と、
   を有するＦＲＰサンドイッチパネル。
2. 前記第２パネル心材の幅が、前記防撓心材の幅の１〜４倍であることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰサンドイッチパネル。
3. 前記防撓心材の頂部に、曲げ剛性を高めるための強化層が設けられることを特徴とする請求項１または２記載のＦＲＰサンドイッチパネル。
4. 前記ＦＲＰ防撓表皮が複数枚であって、一方の前記ＦＲＰ防撓表皮と他方の前記ＦＲＰ防撓表皮とが、前記防撓心材の頂部において重なることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＦＲＰサンドイッチパネル。
5. 前記第１パネル心材、前記第２パネル心材および前記防撓心材が木材またはプラスチック材であって、真空補助樹脂含浸されてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＦＲＰサンドイッチパネル。

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