WO2023176571A1 - 物体 - Google Patents

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WO2023176571A1
WO2023176571A1 PCT/JP2023/008478 JP2023008478W WO2023176571A1 WO 2023176571 A1 WO2023176571 A1 WO 2023176571A1 JP 2023008478 W JP2023008478 W JP 2023008478W WO 2023176571 A1 WO2023176571 A1 WO 2023176571A1
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building material
neutral plane
elastic modulus
brittle
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Inventor
千顕 宮澤
光志 今里
学 梅田
卓司 長谷川
洋行 吉田
公彦 相川
拓也 加藤
Original Assignee
株式会社Lixil
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/02—Physical, chemical or physicochemical properties
    • B32B7/022—Mechanical properties
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
    • E04C2/02—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by specified materials
    • E04C2/26—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by specified materials composed of materials covered by two or more of groups E04C2/04, E04C2/08, E04C2/10 or of materials covered by one of these groups with a material not specified in one of the groups
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04F—FINISHING WORK ON BUILDINGS, e.g. STAIRS, FLOORS
    • E04F13/00—Coverings or linings, e.g. for walls or ceilings
    • E04F13/07—Coverings or linings, e.g. for walls or ceilings composed of covering or lining elements; Sub-structures therefor; Fastening means therefor
    • E04F13/08—Coverings or linings, e.g. for walls or ceilings composed of covering or lining elements; Sub-structures therefor; Fastening means therefor composed of a plurality of similar covering or lining elements
    • E04F13/14—Coverings or linings, e.g. for walls or ceilings composed of covering or lining elements; Sub-structures therefor; Fastening means therefor composed of a plurality of similar covering or lining elements stone or stone-like materials, e.g. ceramics concrete; of glass or with an outer layer of stone or stone-like materials or glass

Definitions

  • the present disclosure relates to brittle objects.
  • Patent Document 1 describes a ceramic plate, a metal plate with a thickness of 0.1 to 1 mm located on the back surface of the ceramic plate, and a plaster plate with a thickness of 9 to 15 mm located on the back surface of the metal plate.
  • An exterior wall material is disclosed in which a board is laminated and integrated.
  • the present inventors have conducted research aimed at making brittle materials more difficult to crack or chip, and have come up with the technology of the present disclosure.
  • the present disclosure has been made in view of such problems, and its purpose is to suppress the occurrence of cracks in brittle objects.
  • an object according to an embodiment of the present disclosure is an object comprising a plurality of layers, a first layer having brittleness, and a second layer having a higher elastic modulus and allowable stress than the first layer. and a third layer having a lower elastic modulus than the first layer, and the neutral plane of the object exists inside or near the second layer.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a building material according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing how stress is applied to building materials.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configurations and simulation results of building materials of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
  • a technique for suppressing the occurrence of cracks in brittle objects will be described.
  • a brittle object a building material having a surface layer made of a brittle material such as glass or ceramics will be described.
  • FIG. 1 schematically shows a cross section of a building material according to an embodiment.
  • the building material 1 has a first layer 11, a second layer 12, and a third layer 13.
  • the first layer 11 constitutes the surface of the building material 1.
  • the first layer 11 is brittle.
  • the first layer 11 is made of, for example, ceramics such as glass and ceramics.
  • the first layer 11 may be made of only a brittle material, or may be made of a combination of a brittle material and a non-brittle material. Having brittleness means that brittle fracture occurs when a force exceeding a threshold value is applied. Brittle fracture means fracture that hardly causes plastic deformation.
  • the third layer 13 is arranged on the back side of the first layer 11 and the second layer 12, and has a lower elastic modulus than the first layer 11. Thereby, when stress is applied to the building material, the impact time can be lengthened and the instantaneous reaction force can be reduced, so that flexibility can be imparted to the building material 1. It is further preferable that the third layer 13 has a lower allowable stress (maximum stress allowable in design) than the first layer 11.
  • the third layer 13 is made of, for example, plywood.
  • the second layer 12 is disposed on the back side of the first layer 11 and has a higher elastic modulus than the first layer 11. Thereby, the bending stress applied to the first layer 11 can be reduced. Further, even if a crack occurs in the first layer 11, the second layer 12 can stop the crack from progressing.
  • the second layer 12 is arranged between the first layer 11 and the third layer 13. This can prevent cracks from occurring at the interface between the first layer 11 and the third layer 13.
  • the second layer 12 has both a higher elastic modulus and an allowable stress than the first layer 11. As a result, the first layer 11 can be supported by the second layer 12, which is less deformable and less likely to crack than the first layer 11, so that cracking of the building material 1 can be suppressed.
  • the second layer 12 is made of, for example, metal such as steel or an alloy.
  • the building material 1 is configured such that the neutral plane of the building material 1 exists inside or near the second layer 12.
  • a neutral plane is a neutral plane that neither expands nor contracts when stress is applied.
  • the vicinity of the second layer 12 may be a range from the surface of the second layer 12 to 10% of the thickness of the entire building material 1.
  • the vicinity of the second layer 12 is 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2% of the total thickness of the building material 1 from the surface of the second layer 12, It may range up to 1%.
  • FIG. 2 shows how stress is applied to the building material 1.
  • the right side of the neutral plane 14 contracts, the left side of the neutral plane 14 stretches, and the building material 1 is deformed as shown in FIG.
  • the neutral plane 14 is a plane that neither expands nor contracts.
  • FIG. 2 is a model diagram for understanding the gist of the present disclosure, and does not necessarily mean that bow deformation will be confirmed in an actual material.
  • the position of the neutral plane 14 in the building material 1 can be calculated using the following formula, for example.
  • ⁇ is the distance from the bottom surface of building material 1 to the neutral plane 14 of building material 1
  • E i is the elastic modulus of the i-th layer
  • t i is the thickness of the i-th layer
  • h i is the distance from the bottom surface of building material 1 to the neutral plane 14 of building material 1. It represents the total thickness up to the i layer.
  • the elastic modulus of the first layer (ceramic, etc.) and the third layer (plywood, etc.) is measured according to JIS R 1602 (Method for testing elastic modulus of fine ceramics) of the Japanese Industrial Standards.
  • the elastic modulus of the second layer (such as a steel plate) is measured according to JIS Z2241 (Metallic Material Tensile Test Method) of the Japanese Industrial Standards.
  • the position of the neutral plane 14 of the building material 1 can change depending on the material, thickness, elastic modulus, etc. of each layer.
  • the material, thickness, elastic modulus, allowable stress, etc. of each layer may be designed so that the neutral plane 14 of the building material 1 is located inside or near the second layer 12. As shown in FIG. 2, it is preferable that the neutral plane 14 of the building material 1 exists inside the second layer 12.
  • the position of the neutral plane 14 of the building material 1 may be calculated by a theoretical formula different from Equation 1, or may be calculated by numerical analysis, etc., depending on the structure of the building material 1.
  • the building material 1 may have four or more layers.
  • the fourth and subsequent layers may be placed at any position.
  • the material, thickness, elastic modulus, allowable stress, etc. of the fourth and subsequent layers may be arbitrary. In this case as well, the design may be such that the neutral plane 14 of the building material 1 is located inside or near the second layer 12.
  • FIG. 3 shows the configurations and simulation results of the building materials of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
  • the first layer side of the building material will be referred to as "upper” and the third layer side will be referred to as "lower”.
  • the building material of Example 1 includes a 6 mm thick first layer (elastic modulus: 50 MPa, ceramic, etc.), a 1 mm thick second layer (elastic modulus: 206 MPa, steel plate, etc.), and a 14 mm thick third layer. (Modulus of elasticity: 5 MPa, made of plywood, etc.).
  • the position of the neutral plane of the building material of Example 1 is located 5.6 mm from the top surface of the building material. This is inside the first layer and is located 0.4 mm from the top surface of the second layer (6 mm from the top surface of the building material).
  • the deviation of 0.4 mm between the neutral plane and the upper surface of the second layer corresponds to about 2% of the total thickness of 20.5 mm. Therefore, the neutral plane of the building material exists near the second layer (within 10% of the total thickness from the top surface of the second layer). In the building material of Example 1, neither vertical cracking failure nor Hertzian failure occurred.
  • the building material of Example 2 consists of a first layer (modulus of elasticity: 50 MPa, ceramic, etc.) with a thickness of 6 mm, a second layer (modulus of elasticity: 206 MPa, steel plate, etc.) with a thickness of 0.5 mm, and a second layer with a thickness of 14 mm. Consists of 3 layers (modulus of elasticity: 5 MPa, plywood, etc.).
  • the position of the neutral plane of the building material of Example 2 is located 5.3 mm from the top surface of the building material. This is inside the first layer and is located 0.7 mm from the top surface of the second layer (6 mm from the top surface of the building material).
  • the deviation of 0.7 mm between the neutral plane and the upper surface of the second layer corresponds to about 3% of the total thickness of 20.5 mm. Therefore, the neutral plane of the building material exists near the second layer (within 10% of the total thickness from the top surface of the second layer). In the building material of Example 2, neither vertical cracking failure nor Hertzian failure occurred.
  • the building material of Comparative Example 1 consists of a 6 mm thick first layer (elastic modulus: 50 MPa, ceramic, etc.), a 0.5 mm thick second layer (elastic modulus: 206 MPa, steel plate, etc.), and a 14 mm thick layer. It consists of a third layer (elastic modulus: 30 MPa, plywood, etc.).
  • the position of the neutral plane of the building material of Comparative Example 1 is 8.8 mm from the top surface of the building material. This is inside the third layer and is located 2.3 mm from the bottom surface of the second layer (6.5 mm from the top surface of the building material).
  • the total thickness of the building material of Comparative Example 1 is 20.5 mm
  • the deviation of 6.5 mm between the neutral plane and the lower surface of the second layer corresponds to about 11% of the total thickness of 20.5 mm. Therefore, the neutral plane of the building material does not exist near the second layer (within 10% of the total thickness). In the building material of Comparative Example 1, vertical cracking failure occurred.
  • the building material of Comparative Example 2 consists of a first layer (modulus of elasticity: 50 MPa, ceramic, etc.) with a thickness of 6 mm, a second layer (modulus of elasticity: 30 MPa, resin, gypsum board, etc.) with a thickness of 0.5 mm, and a It consists of a third layer (modulus of elasticity: 5 MPa, plywood, etc.) with a length of 14 mm.
  • the position of the neutral plane of the building material of Comparative Example 2 is 5.0 mm from the top surface of the building material. This is inside the first layer and is located 1 mm from the top surface of the second layer (6 mm from the top surface of the building material).
  • the total thickness of the building material of Comparative Example 2 is 20.5 mm, a 1 mm deviation between the neutral plane and the upper surface of the second layer corresponds to about 5% of the total thickness of 20.5 mm. Therefore, the neutral plane of the building material exists near the second layer (within 10% of the total thickness).
  • the elastic modulus of the second layer 30 MPa, is smaller than the elastic modulus of the first layer, 50 MPa. In the building material of Comparative Example 2, Hertzian fracture occurred.
  • the present disclosure relates to brittle objects.

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Abstract

複数の層を備える建材１は、脆性を有する第１層１１と、第１層１１よりも弾性率及び許容応力が高い第２層１２と、第１層１１より弾性率が低い第３層１３と、を少なくとも備える。建材１の中立面は第２層１２の内部又は近傍に存在する。

Description

物体
　本開示は、脆性を有する物体に関する。
　ガラスや陶磁器などの脆性を有する材料が、建材などにおいて広く用いられている。このような脆性を有する材料において割れや欠けを生じにくくするための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、セラミック板と、該セラミック板の裏面に位置する厚さが０．１～１ｍｍの金属板と、該金属板の裏面にさらに位置する厚さが９～１５ｍｍの石膏ボードとを積層して一体化したことを特徴とする外壁材が開示されている。
特開２００６－２９１５６０号公報
　本発明者らは、脆性を有する材料における割れや欠けをさらに生じにくくすることを課題として研究を重ね、本開示の技術に想到した。
　本開示は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、脆性を有する物体における割れの発生を抑えることにある。
　上記課題を解決するために、本開示のある態様の物体は、複数の層を備える物体であって、脆性を有する第１層と、第１層よりも弾性率及び許容応力が高い第２層と、第１層より弾性率が低い第３層と、を少なくとも備え、物体の中立面は第２層の内部又は近傍に存在する。
実施の形態に係る建材の断面を概略的に示す図である。 建材に応力が印加された様子を示す図である。 実施例１、実施例２、比較実施例１、比較実施例２の建材の構成とシミュレーション結果を示す図である。
　本開示の実施の形態として、脆性を有する物体における割れの発生を抑える技術について説明する。脆性を有する物体の例として、ガラスや陶磁器などの脆性を有する材料で構成された表面層を有する建材について説明する。
　図１は、実施の形態に係る建材の断面を概略的に示す。建材１は、第１層１１、第２層１２、及び第３層１３を有する。
　第１層１１は、建材１の表面を構成する。第１層１１は、脆性を有する。第１層１１は、例えば、ガラスや陶磁器などのセラミックスなどで構成される。第１層１１は、脆性を有する材料のみで構成されてもよいし、脆性を有する材料と脆性を有しない材料との組合せで構成されてもよい。脆性を有するとは、閾値以上の力を受けたときに脆性破壊を生じることを意味する。脆性破壊とは、塑性変形を殆ど生じない破壊を意味する。
　第３層１３は、第１層１１及び第２層１２よりも裏側に配置され、第１層１１より弾性率が低い。これにより、建材に応力が加わったときに、衝撃時間を長くし、瞬間的な反力を下げることができるので、建材１にしなやかさを付与することができる。第３層１３は、更には第１層１１より許容応力（設計上許容できる最大応力）が低いことが好ましい。第３層１３は、例えば、合板などで構成される。
　第２層１２は、第１層１１よりも裏側に配置され、第１層１１より弾性率が高い。これにより、第１層１１に印加される曲げ応力を低減させることができる。また、第１層１１に割れが生じた場合であっても、割れの進展を第２層１２で食い止めることができる。第２層１２は、第１層１１と第３層１３の間に配置される。これにより、第１層１１と第３層１３の界面で割れが発生するのを抑えることができる。第２層１２は、弾性率と許容応力の両方が第１層１１より高い。これにより、第１層１１より変形しにくく割れにくい第２層１２で第１層１１を支持することができるので、建材１の割れを抑えることができる。第２層１２は、例えば、鉄鋼などの金属や合金などで構成される。
　建材１は、建材１の中立面が第２層１２の内部又は近傍に存在するように構成される。中立面は、応力が印加されたときに伸びも縮みもしない中立的な面である。建材１の中立面が、第２層１２の内部又は近傍に存在するように建材１を構成することにより、第２層１２が建材１全体の曲げ剛性に及ぼす影響を抑えることができる。これにより、建材１のしなやかさを維持しつつ、第１層１１における割れの発生を抑えることができる。建材１の中立面は、第２層１２の内部に存在してもよいし、第２層１２の近傍、すなわち、第２層１２の第１層１１側の表面、第２層１２の第１層１１側の表面から建材１の第１層１１側の表面までの間、第２層１２の第３層１３側の表面、又は第２層１２の第３層１３側の表面から建材１の第３層１３側の表面までの間に存在してもよい。第２層１２の近傍とは、第２層１２の表面から、建材１全体の厚みの１０％までの範囲であってもよい。第２層１２の近傍は、第２層１２の表面から、建材１の全体の厚みの１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％までの範囲であってもよい。
　図２は、建材１に応力が印加された様子を示す。図２において建材１に右側から応力が印加されたときに、中立面１４よりも右側は縮み、中立面１４よりも左側は伸びて、図２に示すように建材１が変形する。このとき、伸びも縮みもしない面が中立面１４である。なお図２は本開示の要旨理解のためのモデル図であり、実際の材料において必ずしも弓なりの変形が確認される趣旨ではない。
　建材１における中立面１４の位置は、例えば、下記の式により計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、λは建材１の底面から建材１の中立面１４までの距離、Ｅｉは第ｉ層の弾性率、ｔｉは第ｉ層の厚さ、ｈｉは建材１の底面から第ｉ層までの総厚みを表す。なお、第１層（セラミックなど）や第３層（合板など）の弾性率は、日本工業規格のＪＩＳ　Ｒ　１６０２（ファインセラミックスの弾性率試験方法）にしたがって測定される。第２層（鋼板など）の弾性率は、日本工業規格のＪＩＳ　Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）にしたがって測定される。
　このように、各層の材質、厚さ、弾性率などによって、建材１の中立面１４の位置が変わりうる。各層の材質、厚さ、弾性率、許容応力などは、建材１の中立面１４の位置が第２層１２の内部又は近傍となるように設計されればよい。図２に示すように、第２層１２の内部に建材１の中立面１４が存在することが好ましい。
　なお、建材１の中立面１４の位置は、建材１の構造などに応じて、数１とは異なる理論式によって計算されてもよいし、数値解析などによって計算されてもよい。
　建材１は、４層以上の層を有してもよい。第４層目以降の層は、任意の位置に配置されてもよい。第４層目以降の層の材質、厚さ、弾性率、許容応力などは、任意であってもよい。この場合も、建材１の中立面１４の位置が第２層１２の内部又は近傍となるように設計されればよい。
［実施例］
　実施の形態に係る建材１に応力が印加されたときの応力場をシミュレーションによって解析した。図３は、実施例１、実施例２、比較実施例１、比較実施例２の建材の構成とシミュレーション結果を示す。図３に示した厚み及び弾性率をそれぞれ有する第１層、第２層、及び第３層からなる建材の部分モデルを複数のメッシュに分割し、第１層に落錘衝撃を与えた後の応力場の時間変化を有限要素法によって計算した。計算された最大主応力分布の履歴に基づいて、建材に縦割れ破壊やヘルツ破壊が生じるかを判定した。なお、図３に示した各層の材質は、シミュレーションにおいて設定された弾性率を有する代表的な材質を示したものである。同程度の弾性率を有し、上述した許容応力の条件を満たすものであれば、別の材質であっても同様の結果が得られると考えられる。以降、建材の第１層側を「上」、第３層側を「下」という。
　実施例１の建材は、厚さ６ｍｍの第１層（弾性率：５０ＭＰａ、セラミックなど）と、厚さ１ｍｍの第２層（弾性率：２０６ＭＰａ、鋼板など）と、厚さ１４ｍｍの第３層（弾性率：５ＭＰａ、合板など）からなる。実施例１の建材の中立面の位置は、建材の上面から５．６ｍｍの位置にある。これは、第１層の内部であり、第２層の上面（建材の上面から６ｍｍ）から０．４ｍｍの位置である。実施例１の建材の総厚みは２１ｍｍであるので、中立面と第２層の上面とのずれ０．４ｍｍは、総厚み２０．５ｍｍの約２％に相当する。したがって、建材の中立面は、第２層の近傍（第２層の上面から総厚みの１０％以内）に存在する。実施例１の建材では、縦割れ破壊もヘルツ破壊も発生しなかった。
　実施例２の建材は、厚さ６ｍｍの第１層（弾性率：５０ＭＰａ、セラミックなど）と、厚さ０．５ｍｍの第２層（弾性率：２０６ＭＰａ、鋼板など）と、厚さ１４ｍｍの第３層（弾性率：５ＭＰａ、合板など）からなる。実施例２の建材の中立面の位置は、建材の上面から５．３ｍｍの位置にある。これは、第１層の内部であり、第２層の上面（建材の上面から６ｍｍ）から０．７ｍｍの位置である。実施例２の建材の総厚みは２０．５ｍｍであるので、中立面と第２層の上面とのずれ０．７ｍｍは、総厚み２０．５ｍｍの約３％に相当する。したがって、建材の中立面は、第２層の近傍（第２層の上面から総厚みの１０％以内）に存在する。実施例２の建材では、縦割れ破壊もヘルツ破壊も発生しなかった。
　比較実施例１の建材は、厚さ６ｍｍの第１層（弾性率：５０ＭＰａ、セラミックなど）と、厚さ０．５ｍｍの第２層（弾性率：２０６ＭＰａ、鋼板など）と、厚さ１４ｍｍの第３層（弾性率：３０ＭＰａ、合板など）からなる。比較実施例１の建材の中立面の位置は、建材の上面から８．８ｍｍの位置にある。これは、第３層の内部であり、第２層の下面（建材の上面から６．５ｍｍ）から２．３ｍｍの位置である。比較実施例１の建材の総厚みは２０．５ｍｍであるので、中立面と第２層の下面とのずれ６．５ｍｍは、総厚み２０．５ｍｍの約１１％に相当する。したがって、建材の中立面は、第２層の近傍（総厚みの１０％以内）に存在しない。比較実施例１の建材では、縦割れ破壊が発生した。
　比較実施例２の建材は、厚さ６ｍｍの第１層（弾性率：５０ＭＰａ、セラミックなど）と、厚さ０．５ｍｍの第２層（弾性率：３０ＭＰａ、樹脂や石膏ボードなど）と、厚さ１４ｍｍの第３層（弾性率：５ＭＰａ、合板など）からなる。比較実施例２の建材の中立面の位置は、建材の上面から５．０ｍｍの位置にある。これは、第１層の内部であり、第２層の上面（建材の上面から６ｍｍ）から１ｍｍの位置である。比較実施例２の建材の総厚みは２０．５ｍｍであるので、中立面と第２層の上面とのずれ１ｍｍは、総厚み２０．５ｍｍの約５％に相当する。したがって、建材の中立面は、第２層の近傍（総厚みの１０％以内）に存在する。しかし、比較実施例２の建材は、第２層の弾性率３０ＭＰａが第１層の弾性率５０ＭＰａよりも小さい。比較実施例２の建材では、ヘルツ破壊が発生した。
　このように、本開示の実施の形態に係る実施例１及び実施例２の建材では、割れの発生が抑えられることが示された。
　以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
　本開示は、脆性を有する物体に関する。
　１　建材、１１　第１層、１２　第２層、１３　第３層、１４　中立面。

Claims (3)

  1. 　複数の層を備える物体であって、
    　脆性を有する第１層と、
    　前記第１層よりも弾性率及び許容応力が高い第２層と、
    　前記第１層より弾性率が低い第３層と、
    を少なくとも備え、
    　前記物体の中立面は前記第２層の内部又は近傍に存在する
    物体。
  2. 　前記第１層は、前記物体の表面に配置され、
    　前記第２層は、前記第１層よりも裏側に配置され、
    　前記第３層は、前記第２層よりも裏側に配置される
    請求項１に記載の物体。
  3. 　前記物体の中立面が前記第２層の表面から前記物体全体の厚みの１０％までの範囲内に存在する
    請求項１から２のいずれか１項に記載の物体。
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Citations (4)

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