JP5714013B2 - 複合建材パネルの構造パラメータを判定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合建材パネルに関する。更に詳しくは、本発明は、石膏壁板の構造パラメータを判定する方法に関する。

内装壁及び天井の構築のために、石膏壁板などの複合建材パネルが周知である。その他の材料と比べた場合の壁板の主要ないくつかの利点として、壁板は、廉価であり、難燃性を有し、且つ、建設の用途において作業が容易である。建築の際に、壁板は、通常、釘やねじなどの留め具を使用し、組み上げられた壁及び天井の木材又は金属の支持部に対して固定される。壁板は、相対的に重いため、留め具の全体が壁板を貫通して脱落し、これにより、壁板が緩んだり、或いは、支持部から落下することを防止するべく、壁板は、十分な強度を保持しなければならない。

釘引抜力（ｎａｉｌ ｐｕｌｌ）は、関連する支持部から、且つ、このような留め具の頭部の上方まで、壁板を引き剥がすのに必要とされる力の値に関する産業的尺度である。好ましい壁板の釘引抜力値は、約６５〜８５ｌｂ_ｆの範囲である。釘引抜力は、壁板のコア強度と、フェイスペーパー強度と、フェイスペーパーとコアの間の接合力と、を総合した尺度である。釘引抜力試験は、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）のＣ４７３−００規格に従って実施され、且つ、壁板に挿入された留め具の頭部を引っ張って留め具の頭部に壁板を貫通させるのに要する最大の力を判定する装置を利用する。釘引抜力値は、壁板の強度の重要な尺度であるため、壁板には、必要とされる最小限の釘引抜力値が規定されている。従って、製造者は、これらの必要とされる最小限の釘引抜力値を満たすか又は超過する壁板を製造している。

壁板が必要とされる釘引抜力値を満たしていることを保証するべく、従来、壁板の製造者は、壁板の構造パラメータを調節している。具体的には、製造者は、通常、既知のコア強度値を有する壁板のフェイスペーパー重量を調節し、必要とされる釘引抜力値を満たす。製造の際に、壁板を試験し、必要とされる釘引抜力値を満たしているかどうかを判定する。壁板の試験によって得られた釘引抜力値が、必要とされる釘引抜力値を下回っている場合には、製造者は、壁板上のフェイスペーパー重量を増大させる。このプロセスは、必要とされる釘引抜力値を満たす時点まで反復される。

このようなプロセスは、不正確であり、且つ、この結果、一般に、壁板に追加された過剰なフェイスペーパー重量に起因し、試験によって得られる釘引抜力値が、必要とされる釘引抜力値を超過することになる。又、この過剰なフェイスペーパーにより、壁板の重量が増大し、且つ、これにより、壁板の製造及び出荷費用も増大することになる。更には、望ましい釘引抜力値が壁板の生産ラインにおいて実現される時点まで、時間及び材料が浪費されるという可能性も存在している。

従って、壁板製造システムを調節し、規定された釘引抜力値を満たす壁板を生産する改善された技法に対するニーズが存在している。

これらの及び当業者によって容易に識別されるその他の問題点は、壁板などの複合建材パネルの構造特性を判定する本発明によって解決される。

本方法は、製造に先立って石膏壁板の構造パラメータを判定して製造及び出荷費用を低減すると共に製造時間を大幅に短縮するべく、設計されている。

更に詳しくは、本方法は、壁板の構造パラメータを判定するものであり、且つ、壁板のコア強度値を提供するステップと、必要とされる釘引抜力値を判定するステップと、提供されたコア強度値及び判定された釘引抜力値に基づいてフェイスペーパーの剛性値を算出するステップと、を含む。算出されたフェイスペーパー剛性値は、製造者によって使用されるように、表示装置上に表示される。

別の実施形態において、壁板を製造する方法は、必要とされる釘引抜力値を判定するステップと、壁板のコア強度値を提供するステップと、必要とされる釘引抜力値及び提供されたコア強度値に基づいてフェイスペーパー剛性値を判定するステップと、を含む。この方法は、判定されたフェイスペーパー剛性値に基づいてフェイスペーパー重量を判定するステップと、判定されたフェイスペーパー重量に基づいてフェイスペーパータイプを選択するステップと、選択されたフェイスペーパータイプ及び提供されたコア強度値を使用して壁板を生産するステップと、を含む。

製造に先立って構造パラメータを判定することにより、製造者は、必要とされる釘引抜力値を満たすに通常壁板に追加される過剰なフェイスペーパー重量を除去することにより、製造及び出荷費用を大幅に節約可能である。更には、製造された壁板を試験して必要とされる釘引抜力値を満たすのに必要なフェイスペーパー重量を判定するべく所要される時間が低減されるため、大量の製造時間が節約される。更には、過剰なフェイスペーパーによって追加される余分な重量及び応力が低減されるにも拘わらず、壁板の構造的な完全性及び強度が維持される。

様々なフェイスペーパーを使用した同一タイプの壁板における計測釘引抜力データと予測釘引抜力データの間の比較を示す表である。 様々なコア強度値におけるフェイスペーパー剛性の関数としての釘引抜力を示すグラフである。 様々なフェイスペーパー剛性値におけるコア強度の関数としての釘引抜力を示すグラフである。 様々な必要とされる釘引抜力値におけるフェイスペーパー剛性とコア強度の間の関係を示すグラフである。 様々なコア強度値において必要とされる７７ｌｂ_ｆの釘引抜力値を実現するべく必要とされるフェイスペーパー重量とＴＳＩＡ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｅｘ Ａｒｅａ）値の間の関係を示すグラフである。 図５のグラフに基づいて様々なコア強度値において必要とされる７７ｌｂ_ｆの釘引抜力値を実現するために必要な特定のフェイスペーパー重量値及びＴＳＩＡ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｅｘ Ａｒｅａ）値を識別する表である。

釘引抜力値は、石膏壁板の強度及び有用性にとって極めて重要である。特定の壁板の釘引抜力値が小さ過ぎる場合には、フレーム又はその他の支持部上において壁板を保持する留め具が、壁板を完全に貫通して脱落する可能性があり、これにより、壁板のひび割れ、破損、又はフレーム又は支持部からの落下が発生することがある。或いは、この代わりに、釘引抜力値が大き過ぎる場合には（即ち、必要とされる釘引抜力値を大幅に超過している場合には）、製造の際に、壁板の生産資源の使用法が非効率的なものとなり、これにより、資金が浪費されることになる。

石膏壁板の製造における１つの問題点は、壁板の必要とされる釘引抜力値に関連したフェイスペーパー重量と、製造及び出荷費用並びに製造時間を効率的に利用する方法と、をどのように正確に判定するのかという点にある。前述のように、壁板の製造者は、壁板の試験を実行し、その壁板が、必要とされる釘引抜力値を満たしているかどうかを判定する。必要とされる釘引抜力値を満たしていない場合には、製造者は、通常、壁板のフェイスペーパー重量を増大させる。これらのステップは、壁板の必要とされる釘引抜力値を満たす時点まで反復される。このプロセスは、正確ではなく、且つ、多くの場合に、これにより、壁板は、過剰なフェイスペーパーを具備することになり、この結果、壁板の全体重量が増大し、且つ、これにより、製造及び出荷費用と、製造時間と、が増大することになる。

本方法は、製造に先立って、必要とされる釘引抜力値を満たす壁板のフェイスペーパー重量、或いは、この代わりに、フェイスペーパー剛性値を判定する。この方法は、必要とされる釘引抜力値を壁板のフェイスペーパー剛性値及びコア強度値と関連付けている次の等式を利用する。等式は、次のとおりである。
釘引抜力（ｌｂ_ｆ）＝ａ＋［ｂ×（フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ））］＋［ｃ×（コア強度（ｐｓｉ））］ （１）
式中、ａ＝４．２１２６７５９、ｂ＝０．００９４９０６０６７３１、及びｃ＝０．０９２４２１７７４は、図１に示されているデータに最良にフィットする試験データから判定された定数である。

製造に先立って、製造対象の壁板（即ち、１／４インチ、１／２インチなど）について、壁板のコア強度値を判定し、且つ、必要とされる釘引抜力値を判定する。これらの値を前述の等式（１）に代入し、壁板のフェイスペーパー剛性値を判定する。例えば、４００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）というコア強度値と、７７ｌｂ_ｆという必要とされる釘引抜力値と、を有する壁板のフェイスペーパー剛性値は、次のとおりである。
７７ｌｂ_ｆ＝（４．２１２６７５９）＋［（０．００９４９０６０６７３１）×（フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ））］＋［（０．０９２４２１７７４）×（４００ｐｓｉ）］
式中、フェイスペーパー剛性値＝３７７４キロニュートン／メートル（ｋＮ／ｍ）である。

フェイスペーパー剛性値は、次の等式に示されているように、フェイスペーパー重量とＴＳＩＡ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｉｎｄｅｘ Ａｒｅａ）値の積である。
フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ）＝フェイスペーパー重量（ｇ／ｍ^２）×ＴＳＩＡ（ｋＮｍ／ｇ） （２）

上述の例を使用すれば、前述の４００ｐｓｉのコア強度値、７７ｌｂ_ｆの必要とされる釘引抜力値、及び２６キロニュートン−メートル／グラム（ｋＮｍ／ｇ）のＴＳＩＡを有する壁板のフェイスペーパー重量は、次のとおりである。
フェイスペーパー重量（ｇ／ｍ^２）＝フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ）／ＴＳＩＡ（ｋＮｍ／ｇ）＝（３７７４ｋＮ／ｍ）／（２６ｋＮｍ／ｇ）＝１４５．１５グラム／平方メートル（ｇ／ｍ^２）

上述の等式において、ＴＳＩＡ値は、壁板上のすべての方向における正規化されたフェイスペーパー剛性の計測値である。具体的には、超音波ＴＳＯ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）（登録商標）テスタにより、壁板上のすべての方向におけるＴＳＩ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｉｎｄｅｘ）を計測してＴＳＩＡを判定する。フェイスペーパーの剛性が増大するほど、ＴＳＩＡ値も大きくなる。壁板のＴＳＩＡ値の概略範囲は、１２〜２０ｋＮｍ／ｇである。

このフェイスペーパー剛性値及びＴＳＩＡ値を使用し、指定されたコア強度値を有する壁板の必要とされる釘引抜力値を実現するのに必要なフェイスペーパーの重量を判定する。従って、フェイスペーパー重量を判定するための計算は、まず、フェイスペーパー剛性を判定し、且つ、次いで、製造対象の壁板のフェイスペーパー重量を判定するという２つのステップからなるプロセスである。

等式（１）及び（２）は、好ましくは、コンピュータ、パーソナルデータアシスタント、又はその他の好適な装置のメモリ内に保存される。必要とされる釘引抜力値、コア強度値、及び定数も、データベース又はその他のサーチ可能なデータフォーマットにおいて、メモリ内に保存される。メモリは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、又は任意のその他の好適なメモリ又はメモリ装置であってよい。ユーザー又は製造者は、キーボード又はその他の好適な入力装置を使用し、壁板の必要とされる釘引抜力値及び指定されたコア強度値をコンピュータに入力する。或いは、この代わりに、壁板の必要とされる釘引抜力値及び指定されたコア強度値をダウンロードし、且つ、メモリ内のファイル又はフォルダに保存してもよい。マイクロプロセッサ又は中央処理装置（ＣＰＵ）などのプロセッサが、等式（１）及び（２）、入力された釘引抜力値、及び入力されたコア強度値を使用し、壁板のフェイスペーパー重量を算出する。算出されたフェイスペーパー重量、或いは、この代わりに、フェイスペーパー剛性値は、コンピュータ画面、モニタ、又はその他の好適な出力装置などの表示装置上において、ユーザーに対して表示されるか、或いは、プリンタによってプリントアウトされる。ユーザーは、算出されたフェイスペーパー重量を使用し、壁板の製造の際にコアに付着させるフェイスペーパー又はフェイスペーパータイプを選択する。本方法を使用して選択されるフェイスペーパーは、通常、従来の壁板生産法と比べて、必要とされる釘引抜力値を実現するのに必要なフェイスペーパーの剛性及び重量が小さい。更には、本方法によれば、製造された壁板の全体重量が低減され、この結果、製造及び出荷費用が低減される。又、壁板が必要とされる釘引抜力値を満たしているかどうかを判定するための壁板の中間試験がもはや不要であるため、本方法によれば、壁板の生産に関連する製造時間が大幅に低減される。

図１は、等式（１）を使用した様々な壁板（サンプル番号１〜１１）の計測釘引抜力データと予測釘引抜力データの間の比較を示す表である。この表に示されているように、等式（１）を使用した予測平均釘引抜力データは、壁板の試験又は計測平均釘引抜力データとの間に、良好な相関関係を有している。例えば、サンプル番号４の場合に、平均試験又は計測釘引抜力値が８３であったのに対して、等式（１）を使用した予測釘引抜力値は、８２であった。同様に、サンプル番号５、サンプル番号６、及びサンプル番号１１の場合にも、試験又は計測平均釘引抜力値は、等式（１）を使用した対応する平均予測釘引抜力値と比べて、（例えば、８２と８１、８０と７９、８１と８０というように）値１のみ、異なっている。更には、サンプル番号８及びサンプル番号１０の壁板の場合には、予測釘引抜力値は、（例えば、８０と８０及び７７と７７というように）対応する試験又は計測釘引抜力値と正確に同一であった。従って、本方法は、高度な精度により、壁板の釘引抜力値を予測している。

又、等式（１）及び（２）を使用し、壁板の異なる構造パラメータ又は値を予測し、製造プロセスを改善することも可能である。

例えば、等式（１）から、釘引抜力データは、図２に示されているように、１００ｐｓｉ〜７００ｐｓｉの範囲の様々なコア強度値におけるフェイスペーパー剛性の線形関数として表現可能である。壁板のコア強度値は、製造対象の壁板のタイプに基づいて変化する。図１において検討した壁板のコア強度値の一般的な範囲は、４００〜５００ｐｓｉである。

又、釘引抜力データは、図３に示されているように、１０００ｋＮ／ｍ〜６０００ｋＮ／ｍの範囲のフェイスペーパー剛性値ごとに、コア強度の線形関数としてプロットすることも可能である。好ましくは、フェイスペーパー剛性値は、壁板の場合に、２５００〜４０００ｋＮ／ｍの範囲である。図２及び図３において、壁板のフェイスペーパー剛性値又はコア強度値のいずれかを増大させると、釘引抜力値が増大することが明らかである。

図４は、様々な異なる釘引抜力値におけるコア強度値の関数としてのフェイスペーパー剛性値のプロットを示している。具体的には、ライン「Ａ」は、７７ｌｂ_ｆのターゲット最小釘引抜力値におけるフェイスペーパー剛性値とコア強度値の間の関係を示している。等式（１）における経験に基づいた定数の比率ｃ／ｂ（＝９．７４）により、コア強度値の変化との関係におけるフェイスペーパー剛性値の変化が得られる。７７ｌｂ_ｆという必要とされる釘引抜力値を維持するべく、コア強度値の１００ｐｓｉの低減（又は、増大）は、フェイスペーパー剛性値の９７４ｋＮ／ｍの増大（又は、減少）に対応している。更には、等式（２）を使用し、フェイスペーパー重量又はＴＳＩＡのいずれかを増大させることにより、更に大きなフェイスペーパー剛性値を実現することも可能である。

図５は、７７ｌｂ_ｆという必要とされる釘引抜力値を満たすフェイスペーパー重量とＴＳＩＡの間の関係を示している。図６に示されている表には、様々なＴＳＩＡ値におけるフェイスペーパー重量の要件が要約されている。ＴＳＩＡ値の１４ｋＮｍ／ｇから１９．５ｋＮｍ／ｇへの増大は、７７ｌｂ_ｆという必要とされる釘引抜力値を維持しつつ、平均値で２８％だけ、必要とされるフェイスペーパー重量を低減する傾向を有することに留意されたい。

本方法によれば、壁板の製造者は、製造に先立って、必要とされる釘引抜力値を実現するのに必要なフェイスペーパー重量などの壁板の重要なパラメータ及び特性を判定可能である。製造に先立ってこれらのパラメータを入手することは、製造時間と、製造費用及び出荷費用と、を大幅に低減するのに有用である。又、本方法によれば、製造者は、壁板上のフェイスペーパー重量を増大させることなしに、壁板の構造的な完全性及び性能を維持することができる。

以上、本方法のいくつかの特定の実施形態について図示及び説明したが、当業者は、その更に広範な態様における且つ添付の請求項に規定されている本発明を逸脱することなしに、これらの実施形態に対して変更及び変形を実施してもよいことを理解するであろう。

Claims (8)

1. 壁板の構造パラメータを判定する方法であって、
   前記壁板のコア強度値を提供するステップと、
   前記壁板タイプの厚さに基づいて必要とされる釘引抜力値を判定するステップと、
   前記提供されたコア強度値及び前記判定された釘引抜力値に基づいてフェイスペーパー剛性値を算出するステップであって、前記フェイスペーパー剛性値が、以下の等式
   釘引抜力（ｌｂ _ｆ ）＝ａ（ｌｂ _ｆ ）＋［ｂ（ｌｂ _ｆ ／（ｋＮ／ｍ））×（フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ））］＋［ｃ（ｌｂ _ｆ ／ｐｓｉ）×（コア強度（ｐｓｉ））］
   （式中、ａ＝４．２１２６７５９であり、ｂ＝０．００９４９０６０６７３１であり、且つ、ｃ＝０．０９２４２１７７４である）
   に基づく、ステップと、
   前記壁板のフェイスペーパータイプの選択のために前記算出されたフェイスペーパー剛性値を表示装置上に表示するステップと、
   を備える方法。
2. 前記コア強度値は、４００〜５００ｐｓｉの範囲である請求項１に記載の方法。
3. 前記フェイスペーパー剛性値をＴＳＩＡ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｉｎｄｅｘ Ａｒｅａ）値によって除算することによってフェイスペーパー重量を算出するステップを更に有する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記表示するステップにおいて、前記壁板の前記フェイスペーパータイプの選択のために前記算出されたフェイスペーパー剛性値の代わりに前記算出されたフェイスペーパー重量を前記表示装置上に表示する請求項３に記載の方法。
5. 前記ＴＳＩＡ値は、１２〜２０ｋＮｍ／ｇの範囲である請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記算出されたフェイスペーパー剛性値をメモリ内に保存するステップを更に含む請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 壁板のコア強度値を提供するステップと、
   前記壁板タイプの厚さに基づいて必要とされる釘引抜力値を判定するステップと、
   前記提供されたコア強度値及び前記判定された釘引抜力値に基づいてフェイスペーパー剛性値を算出するステップであって、前記フェイスペーパー剛性値が、以下の等式
   釘引抜力（ｌｂ _ｆ ）＝ａ（ｌｂ _ｆ ）＋［ｂ（ｌｂ _ｆ ／（ｋＮ／ｍ））×（フェイスペーパー剛性（ｋＮ／ｍ））］＋［ｃ（ｌｂ _ｆ ／ｐｓｉ）×（コア強度（ｐｓｉ））］
   （式中、ａ＝４．２１２６７５９であり、ｂ＝０．００９４９０６０６７３１であり、且つ、ｃ＝０．０９２４２１７７４である）
   に基づく、ステップと、
   前記算出されたフェイスペーパー剛性値に基づいてフェイスペーパー重量を判定するステップと、
   前記算出されたフェイスペーパー重量を表示装置上に表示するステップと、
   前記表示されたフェイスペーパー重量に基づいてフェイスペーパータイプを選択するステップと、
   前記選択されたフェイスペーパータイプ及び前記提供されたコア強度値に基づいて前記壁板を生産するステップと、
   を備える壁板の製造方法。
8. 前記コア強度値は、４００〜５００ｐｓｉの範囲である請求項７に記載の方法。

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