JP2010513755A - プラスチックを他の材料と組み合わせて使用した複合支持系 - Google Patents

Abstract

本発明は、異なる材料の複数の部材からなる支持系を記載する。この場合、少なくとも１の耐力部材はプラスチックからなる。異なる部材の負荷伝達は、少なくとも１の結合技術による摩擦結合的な結合によって実現される。プラスチックは透明に構成されていてよい。

Description

発明の説明
異なる材料の複数の部材からなる耐力系を記載する。この場合、負荷を分散させる少なくとも１の部材はプラスチックからなる。異なる部材の負荷伝達は摩擦結合によって実現される。

本願明細書に記載される耐力系は、可能な限り細いながらも高い負荷に耐え、かつプラスチック部材の特性によって部分的に透明、半透明又は不透明な耐力構造体を実現するために、材料の異なる強度及び特定の特性を利用している。該耐力系は、水平に例えば横荷重耐力部材として使用することも、垂直に支柱として使用することもできる。

更に、その他の耐力系、例えばフレームワーク、フィレンディールトラス、アーチ、更には三次元構造物、例えばシート、板、折り板構造体又は耐力シェル型構造体が可能である。

従来技術
種々の、また透明な複合耐力部材は公知である。

木材−ガラス−耐力部材：Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, スイス国において、Prof. Julius Natterer及びDr. Klaus Kreherにより、木材とガラスとを組み合わせた耐力部材が開発された。該耐力部材は垂直なガラス板からなり、該ガラス板の両面には木材からなるフレームが接着されている。木材フレームは負荷を分散させ、ガラス板がその曲げ引張強さが超過した場合に破断する場合に備えたガラス板のための引張り補強を提供する。該木材−ガラス−複合耐力部材はスイスでホテルの建設に用いられた（出典：Klaus Kreherによる論文、EPFL ローザンヌ, 2002）。

コンクリート−ガラス−耐力部材：オーストリア、グラーツのＴＵでは、Freytagによりコンクリート−ガラス−耐力部材を用いた実験が行われた。負荷を分散するガラス板が強化コンクリートフランジと組み合わせられた（出典：B. Freytagによる論文、Technische Universitaet Graz, 2002年10月）。

木製Ｉ型梁：Trus Joistは、１９６９年に初めての試みとして世界的規模で完全に木材からなるＩ型梁を製造した。該支持体の支持性は、フランジ材料としてのベニヤ集成材と、ウェブ材料としてのＯＳＢとからなるその構成によってもたらされる。双方の基本材料は、熱及び圧力を用いた耐水性接着により結合される（出典：インターネット：http://www.trusjoist.com/GerSite/）。

ＷＯ ２００３ ／ ０２３１６２には、板を有する透明な構造部材が記載されており、該構造部材の耐力特性及び補剛特性は、板の両面を包囲するフレームにより達成されている。板は、相互に接着されているガラス及び／又は種々のポリマーからなる多層部材である。種々のプラスチックについて言及されているが（請求項８から１０）、多層の組み合わせについて言及されているに過ぎない。特に、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）が使用されている。ポリメチル（メタ）アクリレート（ＰＭＭＡ）又はその他の透明なポリマー、例えばポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー（ＡＢＳ）、スチレン−アクリロニトリル−コポリマー（ＳＡＮ）、ポリオレフィン等には言及されていない。耐力構造体の板−及びウェブの材料としてのＰＭＭＡ−ガラス−積層体についても、同様に言及されていない。補剛フレーム材料は更に層からなる材料として記載されている。

従来技術の欠点
透明な耐力系に関して、例えばガラスを使用した複合耐力部材は極めて脆性が高い。木材−ガラス−耐力部材の場合も、またコンクリート−ガラス−耐力部材の場合にも、ガラスは剛性材料である。そのために、負荷の際に、比較的脆くかつ曲げ剛性の高いガラスに負荷が集中する。その結果、ガラス中では、使用される複合材料中よりも応力が高い。従って、ガラスは最も早期に破損する材料であり、また、組み合わせ材料が全体としてその耐荷力を発揮し得るよりもずっと早期に破損する。

木製Ｉ型梁又は他の複合耐力部材は透明性が欠如しているため、該耐力部材は確かに経済的に製造可能ではあるが、しかしながら照明及び電飾工業において透明な意匠部材として有利に使用することはできない。

課題の解決
本発明の課題は、プラスチックがその材料特性に相応して使用される複合耐力部材を開発することである。プラスチックは、従来の建設用材料、例えば木材、鋼、アルミニウム、ガラス等と比較して、同等の低い弾性率及び高い延性が顕著である。欠点であると考えられている低い弾性率は、他の材料を有する適切に考案された複合体により利点に変わる。組み合わせによって、より強度の高い材料による高い引っ張り応力及び圧縮応力、及び、より軟質の材料による比較的低い剪断応力が吸収される。本発明は、公知の他の耐力系とは異なり、異なる材料の耐力部材間の摩擦結合を有する、フレーム無しの耐力構造体を提供する。プラスチック部材は、多層の部材であってよいか、又は有利に均質な材料からなる単層の部材であってよい。更に、部分的に透明な、又は着色された、また更には発光性の耐力系を開発することが可能である。照明部材として、電球又は蛍光灯の他に、ＬＥＤも使用することができる。このように、耐力部材の光学に対するほぼ全ての個々の要求に対応することができる。プラスチック材料の透明性により、耐力構造体は極めて精巧繊細でかつ軽量である。更に、支柱と横荷重耐力部材とを組み合わせて構造系を構成することも可能である。

プラスチックと他の材料とを組み合わせることによって、精巧繊細な耐力系を製造することができる。耐力系とは、ここで、負荷の分散に関与する系を意味する。横荷重耐力部材又は片持ち梁のように水平方向で負荷を伝達することもでき、また、支柱のように負荷を垂直方向に伝達することもできる。

横荷重耐力部材の場合、上部及び下部の部材（ここではフランジと呼称する）は、剛性の従来の材料、例えば木、鋼、アルミニウム又はガラスからなり、かつ中央の部材（ここではウェブと呼称する）は１以上のプラスチックからなる。剛性の明らかな相違により、負荷の際に、従来の材料に負荷が集中し、かつウェブは、単に上部フランジと下部フランジとの平衡の達成に作用するに過ぎない。両材料間の結合は、機械的な結合手段、例えば種々のネジ又はボルト、栓、リベット、合せピン、鋲等により、又は接着結合により行われる。ここで、他のタイプの摩擦結合も考えられる。結合技術の選択は、力伝達の様式、ひいては当該耐力系と関連する。

支柱の場合、耐力系は、例えば、従来の材料からの複数の小さな横断面からなり、その耐バックリング性は、横断面とプラスチック板との結合により実現される。

材料選択
剛性材料として、従来の材料、例えば木、木材、金属、ガラス又はコンクリート、更には高性能プラスチック又は強化プラスチックを使用することができる。

剛性の低い材料として、（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ５２７により測定された）少なくとも１５０Ｎ／ｍｍ²の弾性率を有するプラスチック、例えばポリ（メタ）アクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー（ＡＢＳ）、スチレン−アクリロニトリル−コポリマー（ＳＡＮ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）又はポリスチレン（ＰＳ）を使用することができる。ＰＭＭＡはPlexiglas^(R)の商品名でRoehm GmbHから市販されている。注型重合により製造されるPlexiglas^(R) GSグレードの使用は特に好適である。充填ＰＭＭＡグレードも使用することができ、これは例えばCorian^(R)又はCreanit^(R)の商品名で市販されている。種々のプラスチックの積層体又は層状材料を使用することもできる。

複合耐力部材の製造
本発明による物品を製造する際、ロッド状の従来の材料を、結合手段を用いて、板状のプラスチック部材に固定する。板状のプラスチック部材は、該部材が、負荷方向に対して垂直の方向よりも、負荷方向で極めて長い点が特徴的である。支持点とも呼称される部材２つの隣接する保持点間の高さ対長さの比は、例えば１：１〜１：８０、有利に１：５〜１：４０であり、極めて特に有利に１：１０〜１：２５である。部材の高さは、例えば１０〜３００ｃｍ、有利に１５〜１２０ｃｍ、極めて特に有利に２０〜８０ｃｍである。部材の厚さは、例えば３〜５００ｍｍであってよい。部材の長さは構造要求に相応して選択され、かつ板状のプラスチック部材は接着により必要な長さにすることができる。長縁部にロッド状の従来の材料が固定される。プラスチックと従来の材料との間の結合は、結合手段により行われる。

製造例１：
長さ３ｍ、幅２５ｃｍ、厚さ１０ｍｍのPlexiglas^(R)からなる透明な板のそれぞれの長縁部に、ネジクランプを用いて、それぞれ断面２４×４８ｍｍ、長さ３ｍの２枚の市販の天板を、プラスチック板に向かい合うように固定する。この２枚の木板及びその間に存在するプラスチック層に、規則的な間隔で（約１０ｃｍ）直径８ｍｍの孔をあける。この孔に六角穴付きボルトを差し込み、ナットで締める。組み立て後にネジクランプを取り除く。

製造例２：
長さが本質的に幅よりも大きいＰＭＭＡからなる透明な板の長縁部に沿って両面に、材料を付着溶解(anloesen)させる接着剤、例えばAcrifix^(R)の商品名でRoehm GmbHから市販されている接着剤を塗布する。木板を両面から接着面に対して押圧し、ネジクランプで固定する。硬化及びそれによるプラスチックと木との間の凝集接着の後に、ネジクランプを取り除く。

材料の結合（結合手段）
負荷を分散させる個々の部材間の材料の有効な結合は特に重要である。それというのも、このような結合は、耐力構造体の安定性及び耐荷力に重要な決定的に寄与するためである。

結合に関与する材料が原子又は分子レベルで結束している永続的な凝集接着が理想的である。ここで、通常の方法として、接着（溶接、ろう付け）又は加硫が挙げられる。

その他の方法として摩擦結合又は嵌合結合技術が考えられ、これらも十分に安定な結合をもたらす。ここで摩擦結合技術として、締付け法及び特にねじ込み法が挙げられる。

嵌合結合によって上記耐力系を製造する方法は、部材材料のリベット打ち、ピン止め（栓打ち）、圧縮、収縮、加圧接合又は加熱成形による製造である。有利な若干の結合技術を以下に示す：
種々の結合技術の部分的な組合せも考えられる。

接着による結合
接着による結合は、種々の材料を使用して本願明細書に記載された耐力構造体を製造するための、有利な凝集結合技術である。

材料の選択に応じて、多様の接着剤系が文献で公知であり、該接着剤系は通常以下の組合せ物を網羅する：
金属−プラスチック、 木−プラスチック、
金属−ガラス、 金属−木 等。

ＤＩＮ １６９２０によれば、接着剤は、被着物を表面接着及び内部強度により相互に結合する非金属材料である。従って、好適な結合接着剤は、少なくとも２の要求を充足しなければならない：該結合接着剤は、第一及び第二の材料の双方に対して十分に高い接着性を達成し、かつ、それ自体が接着層においても強度を示さねばならない。材料の"接着"結合の評価は、適用の際に受ける典型的なタイプの応力に依る。複合耐力構造体の場合、主な応力は剪断応力として存在し、引っ張りや、さらには剥離ではない。従って、接着結合のための十分に好適な評価基準は、剪断強度として公知であるものであり、該強度は、被着物を相互に並行方向に分離することに関連している。ここで必要な力が大きい程、材料の結合は良好である。

溶接又はろう付けは、主に単一な材料からなる耐力構造体のために用いられるが、しかしながら特別な場合には、例えば金属−軽金属−バリエーション又はプラスチックＡ−プラスチックＢ−組合せ物の場合にも結合技術として使用することができる。

ねじ込みによる結合
ねじ込みにより結合する場合、ほぼ全てのタイプのねじ込み法を用いることができる。この場合、摩擦結合が達成される。

比較的軟質である材料の場合、セルフタッピング木ねじを使用することもできる。少なくとも１の硬質材料が結合に関与している場合、関与する材料の結合は、孔内部の支持表面、又はねじ又はナット上のねじ山により達成されねばならない。

この場合、力伝達の機序は、本質的に孔内部の支持表面において生じる。材料中での許容される応力が、孔内部の支持表面のそれぞれの範囲において超過してはならず、さもなくば材料は破壊又は亀裂を生じることがあり、それによって支持系が脆弱化してしまう。通常、支持表面を有する孔のサイズは、ネジ直径よりわずかに大きく選択される。好適なネジ固定法は、耐力系の使用に応じて選択されねばならない。

釘による結合
ここで使用される釘には、木釘又はその他の各タイプの釘、例えば鋼ピン又はスプリングが含まれる。このような釘は、予め穿孔された孔中で結合を達成することが予定されている。

熱成形による結合
プラスチックの他の材料との間では、熱成形による結合も行うことができる。この場合、従来の材料は不規則な溝を有しており、該溝中に加熱された熱可塑性材料が進入する。溝における不規則性により空洞が生じ、この空洞中に熱可塑性材料が進入し、これによって固定される。

収縮による結合
低温処理により、例えばプラスチック部材は極めて低温にされる。それにより、前記プラスチック部材は収縮する。プラスチック部材は慣用の材料からなる２つの部材間に正確に導入される。プラスチック部材を慣例の温度に加熱することによって、該部材は膨張し、かつ慣用の材料間で締め付ける。

結合手段：ねじ又はボルト、鋲、釘、接着剤、リベット、合せピン、焼結、又は公知の全ての機械的及び接着結合技術。

木材−ＰＭＭＡ Ｉ型異形材を示す概略図。 下部支持耐力部材を示す概略図。 中実耐力部材を示す概略図。 支柱を示す概略図。 接着結合を示す概略図。 負荷試験を示す概略図。

木材−ＰＭＭＡ Ｉ型異形材
建築工業において上記の耐力系を使用するための可能な一例は、種々の材料から構成されているＩ型横断面を有する横荷重耐力部材である。該耐力部材の上部−及び下部フランジは、ここでは従来の建築材料、例えば金属又は木材からなり、その一方で、ウェブはプラスチックから製造される。ウェブは、理想的には、２つのフランジよりも低い剛性を有する。なぜならば、これによって、標準応力の大部分がフランジ中で生じることが保証されるためである。プラスチックウェブは剪断力を２つのフランジ間で伝達する。２つの異なる材料の結合は、釘状の機械的結合手段を用いて行われる。この場合、例えば、鋲又は栓を使用することができる。接着によっても適切な結合が可能である。透明なプラスチック、例えばＰＭＭＡは、耐力部材に、審美的に価値の高い外観上の軽やかさを付与する。

耐力部材の高さは１０〜３００ｃｍで可変であり、その際、プラスチックウェブの厚さは３〜５００ｍｍである。フランジの横断面積は、木材の場合には５〜３０００ｃｍ²であり、鋼の場合には１〜５００ｃｍ²である。

構築された実施例（図１を参照のこと）において、高さ２５ｃｍの耐力部材を、厚さ１０ｍｍのＰＭＭＡ板Plexiglas^(R) XT 20070から構築した。フランジ材料として、それぞれ、寸法２４×４８ｍｍの２枚の市販の天板を使用した。結合手段として、直径８ｍｍのねじを約１０ｃｍの間隔で使用した。（図６に示されているような）負荷５０００ｋｇをかけて測定したところ、撓みは約２ｃｍであった。

下部支持耐力部材
公知のタイプの構造体を有する透明なプラスチックからなる耐力系のためのもう１つの可能性は、公知の材料、例えばアルミニウム又は木材、プラスチック、及び支持ケーブルからなる下部支持耐力部材である。該耐力部材は、圧縮力を受容する上部フランジと、下面にミル処理された溝（該溝は、前記支持ケーブルのためのガイドとして機能する）を有する可能な限り透明なプラスチックウェブとを有する。該耐力部材は魚腹形状を有するため、ケーブルは耐力部材の端部で圧力フランジと結合可能である。この場合、上部フランジのみならず耐力部材の下面も湾曲形状を有することができる。

中実な耐力部材
更に、本願明細書に記載された系は、中実梁に適用されてもよい。この場合、補強のために、従来の構造材料の２つの板体が、機械的な結合手段を用いて、中実なプラスチック梁の上面及び下面に接着結合又は固定されている。この場合にも、主に各フランジが標準応力を受ける。ここで、材料の選択の際に、フランジ材料としてガラスが挙げられる。なぜならば、ガラスは、透明なプラスチックと組み合わせた際に、完全に光透過性の耐力部材を達成することが可能であるためである。変形として、耐力部材の上方及び下方の縁部における鋼フィラメントを有する中実なプラスチック梁も考えられる。前記の鋼フィラメントは引張力を受容するため、強化コンクリートと同様にプラスチック耐力部材の補強の一様式を提供する。

支柱
極度に細い支柱は、従来の材料と複数の透明プラスチック板との結合により可能である。この複数部分からなる圧縮部材の場合、例えば４つの金属ロッドが圧縮力を受容し、その一方でプラスチック板が個々の圧縮ロッドを安定化させ、かつそれによりバックリングを防止する。この場合、支柱の慣性モーメントは横断面積よりも重要な役割を果たすため、非中実の横断面は、明らかにより精巧繊細でより軽量であり、更には材料を節約する代替物を提供する。平面図における個々の圧縮部材及び板材の配置に関しては、複数の変形及び形状が考えられるが、静的効果に基づき、金属部材ないし木材部材の位置は、可能な限り重心から遠く離れていることが望ましい。

１ 従来の材料、 ２ プラスチック、 ３ 結合手段、 ４ 鋼フィラメント、 ５ 重り（１０００ｋｇ）

Claims (32)

1. プラスチックと少なくとも１の他の材料とを組み合わせて耐力系が構成されていることを特徴とする、複合耐力系。
2. 使用する材料が異なる弾性率を有する、請求項１記載の複合耐力系。
3. プラスチック材料が１５０Ｎ／ｍｍ²超の弾性率を有する、請求項１記載の複合耐力系。
4. 剛性材料が重心軸から離れて存在している、請求項１又は２記載の複合耐力系。
5. 軟質材料が透明なプラスチックである、請求項１から４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
6. 軟質材料が半透明なプラスチックである、請求項１から４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
7. 軟質材料が着色されたプラスチックである、請求項１から４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
8. 軟質材料が発光プラスチックである、請求項１から４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
9. 軟質材料中に空洞が存在する、請求項１から８までのいずれか１項記載の複合耐力系。
10. 軟質材料がプラスチック積層体であってよい、請求項１から９までのいずれか１項記載の複合耐力系。
11. 軟質材料が層からなる材料であってよい、請求項１から１０までのいずれか１項記載の複合耐力系。
12. 硬質材料が木又は木材である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の複合耐力系。
13. 硬質材料が金属材料（鉄、鋼、アルミニウム）である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の複合耐力系。
14. 硬質材料がガラスである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の複合耐力系。
15. 硬質材料がコンクリート又は天然岩石である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の複合耐力系。
16. 硬質材料が充填プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の複合耐力系。
17. 結合手段としてねじ又はボルトが選択されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
18. 結合手段として釘又は合せピンが選択されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
19. 結合手段として鋲が選択されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
20. 結合手段としてリベットが選択されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
21. 結合手段として接着剤が選択されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
22. 結合が摩擦に基づいている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
23. 結合が熱成形により達成されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
24. 請求項１５から２４までからの結合手段の組み合わせが使用されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
25. 水平に横荷重耐力部材として負荷される、請求項１から２４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
26. 垂直に支柱として負荷される、請求項１から２４までのいずれか１項記載の複合耐力系。
27. ２つの材料がＩ型の構造で構成されている、請求項１から２６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
28. 材料が中実の耐力部材に結合されている、請求項１から２６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
29. 横断面が多角形の箱型である、請求項１から２６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
30. 横断面が折り板構造形である、請求項１から２６までのいずれか１項記載の複合耐力系。
31. 剛性材料で下部支持されている、請求項１から３０までのいずれか１項記載の複合耐力系。
32. 請求項２５から３１までの組み合わせ物が使用されている、請求項１から３０までのいずれか１項記載の複合耐力系。

Images