JP7532997B2

JP7532997B2 - 建築部材、及び、建築部材の製造方法

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Publication number: JP7532997B2
Application number: JP2020132171A
Authority: JP
Inventors: 哲巳渡辺; 芳人辻; 博則丹羽
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2024-08-14
Anticipated expiration: 2040-08-04
Also published as: JP2022029064A

Description

本発明は、建築部材に関する。

炭素繊維とマトリックス樹脂との複合材料である炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics：ＣＦＲＰ）は、強度、剛性および軽さ等に優れており、航空機、自動車、スポーツ用品、建築分野などで広く使用されている。ただし、ＣＦＲＰは、耐熱性が低く、概ね１００℃を超えると樹脂（有機物）が軟化し始め、構造耐力が低下する。このため、耐火建築に用いる場合、ＣＦＲＰの周囲に、耐火被覆材（モルタルなど）や仕上げ材（耐火塗料など）を設け、火災時にＣＦＲＰに熱が伝達するのを抑制するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９－７２１０５号公報

ＣＦＲＰで構造体を構成する場合、上述したようにＣＦＲＰの周囲に耐火被覆材や仕上げ材を施すと、仕上げ寸法が、構造体で必要なサイズよりもかなり大きくなってしまうおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、仕上げ寸法の低減を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の建築部材は、密実状の芯部と、前記芯部に連続して設けられ、複数の空洞部を備えた空気層部（但し、発泡不織布を除く。）と、前記空気層部に連続して設けられた密実状の表層部と、を有し、少なくとも、前記芯部が炭素繊維強化プラスチックで形成されている、ことを特徴とする。

このような建築部材によれば、芯部（ＣＦＲＰ）と表層部の間に熱伝導率の小さい空気層部を設けることで、断熱効果を高めることができ、火災時の熱を伝わりにくくすることができる。これにより耐火被覆材や仕上げ材を不要とすることができ、仕上げ寸法の低減を図ることができる。

また、かかる目的を達成するために本発明の建築部材は、密実状の芯部と、前記芯部に連続して設けられ、複数の空洞部を備えた空気層部と、前記空気層部に連続して設けられた密実状の表層部と、を有し、前記芯部、前記空気層部、及び、前記表層部は、材料を変えず全て、炭素繊維強化プラスチックで形成されている、ことを特徴とする。

このような建築部材によれば、全て同一の材料（ＣＦＲＰ）で構成することができる。また、表層部をＣＦＲＰで形成することによりデザイン性の向上を図ることできる。

かかる建築部材であって、前記空気層部の厚さは、前記表層部の厚さよりも大きいことが望ましい。

このような建築部材によれば、耐火性能を高めつつ、仕上げ寸法の低減を図ることができる。

かかる建築部材であって、厚さ方向において、前記空気層部及び前記表層部は、それぞれ、前記芯部の両側に一対設けられていることが望ましい。

このような建築部材によれば、厚さ方向の両側における耐火性能を高めることができる。

かかる建築部材であって、前記空気層部及び前記表層部は、前記芯部を覆う四周に設けられていることが望ましい。

このような建築部材によれば、芯部の周囲が空気層部及び表層部で被覆されるので、耐火性能をより高めることができる。

また、かかる目的を達成するために本発明の建築部材の製造方法は、３Ｄプリンタを用いて、炭素繊維強化プラスチックで密実状の芯部を形成する工程と、前記３Ｄプリンタを用いて、複数の空洞部を備えた空気層部を形成する工程と、前記３Ｄプリンタを用いて、密実状の表層部を形成する工程と、を有し、前記芯部、前記空気層部、及び前記表層部を連続して形成することを特徴とする。

このような建築部材の製造方法によれば、耐火性能の高い建築部材を簡易に製造できる。これにより、耐火被覆材や仕上げ材を不要とすることができ、仕上げ寸法の低減を図ることができる。

本発明によれば、仕上げ寸法の低減を図ることができる。

本実施形態の建築部材の概略説明図である。３Ｄプリンタで形成した建築部材の一例を示す図である。３Ｄプリンタによる造形の様子を示す概略説明図である。図２に示す建築部材の製造方法を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜建築部材の構成について＞
図１は本実施形態の建築部材の概略説明図である。

図１に示す建築部材は、芯部１０と空気層部２０と表層部３０とを備えている。なお、芯部１０、空気層部２０、表層部３０は、全て炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）で形成されている。

ＣＦＲＰは、炭素繊維とマトリックス樹脂との複合材料である。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系繊維やピッチ系繊維（コールタールなど石油系原料とした繊維）などの有機繊維が用いられる。また、樹脂としては、熱硬化性樹脂（不飽和ポリエステル、エポキシ、ビニルエステルなど）や、熱可塑性樹脂（ナイロン、ポリプロピレンなど）が用いられる。このようなＣＦＲＰは、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度でありながら、力学特性に優れて比強度が高い、軽量かつ高強度の材料である。

ただし、ＣＦＲＰは、耐熱性能が低く、概ね１００℃を超えると樹脂（有機物）が軟化し始めて構造耐力が低下する。よって、耐火性能を上げないと建築部材として使用できない。従来では、耐火性能を上げるために、ＣＦＲＰの周囲に耐火被覆材（例えばモルタルなど）や仕上げ材（耐火塗料など）を施していた。このため、構造体で必要なサイズよりも大きな仕上げ寸法になるおそれがあった。

本実施形態では、３次元（３Ｄ）プリンタを用いて、ＣＦＲＰで芯部１０と空気層部２０と表層部３０を連続して形成することで、耐火性能の高い建築部材を構成し、仕上げ寸法の低減を図っている。

芯部１０は、構造耐力上必要な部位（構造体中心部）であり、ＣＦＲＰにより密実状に形成されている。

空気層部２０は、芯部１０に連続してＣＦＲＰにより形成されており、それぞれ独立した複数の空洞部２０ａを備えている。空洞部２０ａは、空気層部２０において立体的に分散配置されており、その形状は、３Ｄハニカム状、３Ｄバブル状など、どのようなものでもよい。また、空洞部２０ａの大きさ（径）は１ｍｍ～１０ｍｍが好ましい。

表層部３０は、建築部材の外周を覆う部位であり、空気層部２０に連続して、ＣＦＲＰにより密実状に形成されている。なお、ＣＦＲＰはデザイン性にも優れており、本実施形態では、表層部３０をＣＦＲＰで形成することにより、表面のデザイン性を高めることができる。

このように、本実施形態の建築部材は、芯部１０、空気層部２０、表層部３０が全てＣＦＲＰで形成されており、芯部１０と表層部３０との間に、複数の空洞部２０ａを備えた空気層部２０を設けている。空気層部２０の空洞部２０ａに含まれる空気（気体）は、固体や液体と比べて熱を伝えにくい特性を有しているため、空気層部２０を設けることで表層部３０側から芯部１０への熱伝導率が小さくなる（断熱効果が得られる）。すなわち、ＣＦＲＰを用いた建築部材の耐火性能を高めることができる。これにより、耐火被覆材（例えば、モルタル）や仕上げ材（例えば、耐火塗料）が不要となるので、仕上げ寸法の低減を図ることができる。

なお、空気層部２０における熱の伝達時に、空洞部２０ａの中では熱の対流が生じるため、空洞部２０ａの大きさが小さい（空洞部２０ａの数が多い）ほど、熱伝導率が小さく（熱が伝わりにくく）なる。よって、空気層部２０において、微小な大きさの空洞部２０ａを数多く分散配置することがより好ましい。また、この場合、表層部３０と芯部１０との一体性をより高めることができる。

図２は、３Ｄプリンタで形成した建築部材の一例を示す図である。なお、３Ｄプリンタによる製造方法については後述する。

この例の場合、芯部１０の厚さ方向の両側に空気層部２０と表層部３０をそれぞれ一対設けている。これにより、芯部１０の厚さ方向の両側において耐火性能を高めることができる。このような建築部材は、例えば、階段、床、壁、天井などに適用できる。

また、一般的に、熱伝導率の小さい空気層部２０は、その層厚が厚ければより熱を伝えにくくなる。なお、空気層部２０の厚さは、表層部３０の厚さよりも大きいことが望ましい。本実施形態では、図に示すように、芯部１０の厚さをｄ１、空気層部２０の厚さをｄ２、表層部ｄ３の厚さをｄ３としたとき、ｄ２＞ｄ１＞ｄ３となっている。厚さｄ２を大きくすることで火災時に芯部１０への熱の伝達を遅くすることができる。また、厚さｄ３を小さくすることで、寸法を抑えることができる。これにより、耐火性能を高めつつ、仕上げ寸法の低減を図ることができる。ただし、これには限らず、例えば、ｄ１≧ｄ２＞ｄ３でもよい。これによりデザイン性を高めることができる。

＜建築部材の製造方法について＞
本実施形態では、３Ｄプリンタを用いて建築部材を製造する。３Ｄプリンタは、例えば、コンピュータで作成した３次元データ（ＣＡＤデータ）に基づいて、立体的な造形物の造形を行うプリンタである。

図３は、３Ｄプリンタによる造形の様子を示す概略説明図である。本実施形態で用いる３Ｄプリンタは、熱溶解積層（ＦＤＭ）方式である。ＦＤＭ方式であるため、本実施形態のＣＦＲＰにはマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いている。すなわち、加熱溶融することにより流動性を付与でき、冷却して固化させることができる。

プレート１００は、３Ｄプリンタの内部に固定された台（造形台）であり、当該プレート１００の上に造形物が形成される。

ノズル２００は、プレート１００の上面と対向しており、プレート１００に対して水平方向に移動（水平移動）可能に構成されている。そして、ノズル２００は水平移動しつつプレート１００に向けて造形の材料（フィラメント３００）を押し出す。

フィラメント３００は、本実施形態ではＣＦＲＰであり、連続炭素繊維と熱可塑性樹脂とが一体化されてノズル２００に供給される。なお、熱可塑性樹脂は、連続炭素繊維の周りに配置されており接着剤（バインダ）としても機能する。本実施形態では熱可塑性樹脂繊維として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂を用いている。ＰＥＥＫ樹脂は、耐熱性が高く、汎用的なポリエチレン（ＰＥ）やＡＢＳ樹脂よりも性能が優れている。前述したように３ＤプリンタがＦＤＭ方式であるので、フィラメント３００は、ヒーター（不図示）等で温められた状態（溶融した状態）でノズル２００から押し出される。

そして、動くノズル２００から押し出されたフィラメント３００が、図３に示すように、プレート１００の上に積み重なっていき、立体的な造形物（３Ｄ造形物：本実施形態では建築部材）が形成される。

なお、上述した３Ｄプリンタでは、プレート１００の位置が固定で、ノズル２００が水平移動していたが、これには限られない。例えば、ノズル２００の移動の軸を多軸に構成することにより、水平方向以外にも移動可能にして、任意の角度で材料（フィラメント３００）を積層できるようにしてもよい。あるいは、プレート１００の水平面に対する傾きを任意に変えることができるようにしてもよい。また、プレート１００が下方に下がりつつ、動くノズル２００から押し出された材料が積み重なって造形物が形成されてもよい。

図４は、図２に示す建築部材の製造方法を示すフロー図である。なお、図４に示す各工程では、全て上述した３Ｄプリンタ（図３参照）を用いて、動くノズル２００から押し出されたフィラメント３００（ＣＦＲＰ）により造形を行う（以下では説明を省略する）。

まず、プレート１００の上に表層部３０（図２の２つの表層部３０のうちの下側）を密実状に形成する（Ｓ１０）。

次に、ステップＳ１０で形成された表層部３０の上に、空気層部２０（図２の２つの空気層部２０のうちの下側）を形成する（Ｓ２０）。この際、複数の空洞部２０ａがそれぞれ独立して立体的に形成される。これにより、複数の空洞部２０ａを備えた空気層部２０が、表層部３０に連続して設けられる。

次に、ステップＳ２０で形成された空気層部２０の上に、芯部１０を密実状に形成する（Ｓ３０）。これにより、密実状の芯部１０が、空気層部２０に連続して設けられる。

次に、ステップＳ３０で形成された芯部１０の上に、空気層部２０（図２の２つの空気層部２０のうちの上側）を形成する（Ｓ４０）。この際、複数の空洞部２０ａがそれぞれ独立して立体的に形成される。これにより、複数の空洞部２０ａを備えた空気層部２０が、芯部１０に連続して設けられる。

最後に、ステップＳ４０で形成された空気層部２０の上に、表層部３０（図２の２つの表層部３０のうちの上側）を密実状に形成する（Ｓ５０）。これにより、密実状の表層部３０が、空気層部２０に連続して設けられる。

以上の工程により、図２に示す建設部材が製造される。本実施形態では、３Ｄプリンタを用いて建築部材の各部（層）を形成しているので、複雑な形状であっても、簡易に、且つ、高い精度で形成することができる。特に、空気層部２０の空洞部２０ａの大きさや形状（立体形状）にかかわらず、高い精度で形成することができる。

なお、３Ｄプリンタの構成（方式）は、上述したものには限られない。例えば、本実施形態では、１つのノズル（ノズル２００）を用いた１ノズル方式であったが、ＣＦＲＰノズルと樹脂ノズルを用いた２ノズル方式でもよい。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

前述の実施形態では、芯部１０、空気層部２０、表層部３０が全てＣＦＲＰで形成されていたが、少なくとも芯部１０がＣＦＲＰで形成されていればよい。つまり、空気層部２０及び表層部３０は、ＣＦＲＰ以外の材料で形成してもよい。例えば、前述した３Ｄプリンタを用いて、材料を変えて同様に形成することが可能である。

また、図２では、空気層部２０及び表層部３０は、芯部１０を挟む厚さ方向の両側に一対設けられているが、芯部１０の両サイドにも設けられている（すなわち、芯部１０を覆う四周に設けられている）ことが望ましい。これにより、芯部１０の周囲が空気層部２０及び表層部３０で被覆されるので、耐火性能をより高めることができる。

なお、例えば、芯部１０の片側のみ耐火が必要な場合や、片側に別の耐火構造を設ける場合などにおいては、芯部１０の片側のみに空気層部２０及び表層部３０を設けるようにしてもよい。

１０芯部
２０空気層部
２０ａ空洞部
３０表層部
１００プレート
２００ノズル
３００フィラメント

Claims

密実状の芯部と、
前記芯部に連続して設けられ、複数の空洞部を備えた空気層部（但し、発泡不織布を除く。）と、
前記空気層部に連続して設けられた密実状の表層部と、
を有し、少なくとも、前記芯部が炭素繊維強化プラスチックで形成されている、
ことを特徴とする建築部材。
密実状の芯部と、
前記芯部に連続して設けられ、複数の空洞部を備えた空気層部と、
前記空気層部に連続して設けられた密実状の表層部と、
を有し、
前記芯部、前記空気層部、及び、前記表層部は、材料を変えず全て、炭素繊維強化プラスチックで形成されている、
ことを特徴とする建築部材。
請求項１又は請求項２に記載の建築部材であって、
前記空気層部の厚さは、前記表層部の厚さよりも大きい、
ことを特徴とする建築部材。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の建築部材であって、
厚さ方向において、前記空気層部及び前記表層部は、それぞれ、前記芯部の両側に一対設けられている、
ことを特徴とする建築部材。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の建築部材であって、
前記空気層部及び前記表層部は、前記芯部を覆う四周に設けられている、
ことを特徴とする建築部材。
３Ｄプリンタを用いて、炭素繊維強化プラスチックで密実状の芯部を形成する工程と、
前記３Ｄプリンタを用いて、複数の空洞部を備えた空気層部を形成する工程と、
前記３Ｄプリンタを用いて、密実状の表層部を形成する工程と、
を有し、前記芯部、前記空気層部、及び前記表層部を連続して形成する、
ことを特徴とする建築部材の製造方法。