紙箱は なぜ丈夫なのか

2008-02-02 12:13:17 | 構造の考え方
例えば菓子箱のような薄い紙を折ってつくった箱でも、菓子を入れることはもちろん、箱の上に物を載せたり、横から押してみても、結構丈夫なことは誰でも知っているはずである。
かつては荷物搬送用には木箱などで荷物をくるんでいたけれども、今ではほとんど段ボール箱になっている。軽くて丈夫だからである。

仕事場の雑物入れにしている45×38cm×高さ33cmのリンゴが入っていた段ボール箱などは、上面の縁のあたりに足を載せるなら、踏み台代わりになるくらい丈夫である。

なぜ薄い紙でも箱状になると丈夫になるのだろうか。
その理由として、世の中には、今、二つの考え方があるようだ。

一つは、六面体という立体になっていると、たとえ薄い紙でつくられていても、力が箱に加わると、面相互が関係しあって力に抵抗するから、という考え方。
たとえば、ある面Aが押されて凹むと、同時に面Aに隣接する各面も歪もうとし、それはその面に隣接する面にも影響を与え・・・、という具合に互いに影響しあう。
逆の言い方をすれば、面Aに接する面、そしてさらにその面に隣接する面・・・が、つまり稜線を介して接続している各面が、いわば協力して面Aが凹むのに抵抗している、と理解することができる。
この様子は、薄い紙でつくられている菓子箱やティッシュペーパーの箱などで実験すれば目に見えて分る。
そして、日常の暮しを普通に体験している人なら、「立体物の強さ」、と言うより「薄い材料でも、立体に組むと丈夫になる」という事実を身をもって知っているはずだ。
そして、箱が、どの程度の力にまで堪えられるかは(別の言い方をすれば、ある重さの荷物を入れるには、段ボールの厚さをどれだけにするか、は)おそらく経験によって知見を得ているのではないだろうか(経験知)。

   註 段ボールおよびその製品についてはJIS規格がある。

     
ところが、一方で、このように考えたがらない人たちがいる。
それは、なにごとも数値で示されないと信じられない、分った気になれない、という人たち。

   註 ほぼ同じ厚さの二冊の書物を25cmほどの間隔で置き、
      A4判のコピー用紙を長手に架け渡す。当然紙はたわむ。
      紙を二つ折りにして逆V型にして架けると、たわまない。
      これは、《構造計算》ができない人でも、知っている。
      ところが、計算して(数値化して)確認できないかぎり
      「分らない」とする人たちがいるのである。

      I 型鋼は、断面二次モーメントの概念が生まれる前に
      発案されたことは大分前に触れた(06年10月16日)。
      しかし今は、断面二次モーメントが I 型鋼を生んだ、と
      思っている人が多いのではないだろうか。

箱の一面を押したときの各面の挙動を数値化することは容易ではない。
面Aに加えられた力が、どのように隣接する面に波及してゆくのか、を簡単に数値化できないからだ。
例えば、力が面Aの全面に等分布で加わるのか、局所で加わるのか、しかもそれが面上のどの位置に加わるのか・・・によって、他の面への影響のしかた、波及の様子はすべて異なる。
当然、面の材料:紙の厚さ、紙の種類、段ボールならその断面構成・・・によっても異なる。これを数値化、数式化することは、一筋縄ではゆかないことは容易に想像できる。

そこで、この人たちは、数値化を容易にする、ただそれだけのために、箱の強さは、各面の強さの足し算である、と考える。
例えば、ある面Aを押す力に抵抗してくれるのは、面Aに直交している面(箱の場合、4面ある)が、分担して押される力に堪えているのだ、という考え方。
この考え方では、箱を分解して「面それぞれの強さ」を知ればよいことになる。

この分解した面を、現在の「構造の専門家」は「構面」と呼んでいるようだ。
つまり、立体は「構面」の「集合」、「構面」の「足し算」である、という「理解」。
その際、面相互が接続しているということには目をつぶる、つまり、ある面に生じた変化は、その面に接続する面には伝わらない、と見なす。

そこで、面Aに直交している板面を箱から切り離して、面に平行の力(厳密に言えば、面Aを押す力を面ごとに分配する)で押してみる、つまり面の小口に力を加えてみる。
当然ながら、面は簡単に座屈を起こす。
先の踏み台代りにもなるリンゴ箱の側面をばらして、その小口に乗れば、簡単に折れてしまう、ということ。このことは、段ボールよりも薄い紙を考えればもっと分りやすい。
それを避けるには、分解する前、つまり箱の状態のときよりも、数等、面の紙を厚くしなければならない。
ということは、薄い紙・段ボールで足りるのに、この方法で考えると、より厚い紙・段ボールが要るということになる。
計算で保証された厚さの紙で元の箱の形に戻すと、元の箱とはまったく別の、箱だけでも重量が増えた箱になる。別の言い方をすれば、ムダに材料を使うことになる。
たしかに数値化されたが、いつの間にか別物、似非、擬似のものになっていたわけである。

実は、この数値化のための「方法」こそ、現在の木造建築を律している《構造学》の考え方:「耐力壁依存の考え方」の「原点」に他ならない。


さて、以上は、実は、次回に書くことの事前準備。

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