WO2023176571A1 - 物体 - Google Patents
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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
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
Applications Claiming Priority (2)
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PCT/JP2023/008478 WO2023176571A1 (ja) | 2022-03-17 | 2023-03-07 | 物体 |
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