JP3773952B2 - 構造フレーム - Google Patents

Description

本発明は、概して、例えば耐加重フレームである構造体に関し、特には、構造体にとって必要とされる材料の量に関して安全に伝達可能な応力の間の増大されたトレードオフを提供する構造体に関する。
この重量比に対する増大された強度は、リチャードバックミンスターフューラー(Richard Buckminster Fuller)によって提案されかつ構成される多くの構想を含む多数の構想の目的である。耐加重フレーム及びトラスが使用される多くの関係においては、圧縮力よりもむしろ張力による破損のために破損が発生する。最初にもたらされる加重が材料に圧縮応力を引き起こすにもかかわらず、その応力は、張力をもたらすベクトルによって材料内で分解される。例えば、加重を受けるドームは、ドームを構成するトラスに沿って張力を引き起こすように歪む傾向がある。張力による破損のために破損は発生する。耐加重構造体に使用される大きな引張り強度を有する材料の開発に多くの注意が払われてきており、これらの材料の引張り強度が使用されることにより、供給される加重は、これらの引張り要素によってもたらされる張力により、少なくとも一部分分解される。そのような方法は、１９６７年に刊行されたバックミンスターフューラーの米国特許第3,354,591号に記載されている。そのような構造体のもっと最近の改良は、１９８０年に刊行された米国特許第4,207,715号に記載されている。引張り要素及び圧縮要素のこの結合体は、１９８７年に刊行された米国特許第4,711,062号に示される構造体にも記載されている。
発明の開示
本発明は、複数の支柱によって構成されるフレームの型式の構造体に関する。各支柱は、理想的には長さが等しく、更に張力の発生が最小にされ、構造体に及ぼされる応力が構造体内で分解されるように配置される。支柱の組は、建築用ブロックの複数の相互結合された組として分解可能である。相互結合される際に本発明のフレームを構成するこれらの建築用ブロックは、三つの異なる方法によって見ることが可能である。つまり、本発明のフレームを構成する支柱の組のうちのどの組が分解されるかに依存して、建築用ブロックの三個の明確に異なる組のうちのいずれか一つが端に配置される。これらの三個の組のうちの二つは、現実的な建築用ブロックである。他方は、個々の支柱が二重の機能を有しかつ関連する二個又はそれより多い特有の副フレームの端部を構成すると考慮される点で、少し抽象的である。
第一の組は、出願人が“ユニキューブ”と称する十二本の支柱の建築用ブロックである。それは、十二本の支柱がキューブを限定するフレームである。キューブの八個の角部のそれぞれから、単一の支柱が外側に延長し、キューブの三本の近接する接線の支柱のそれぞれに関して等しい角度が形成される。キューブの角部から延長する支柱の外側の端部によって結合される複数のこれらのユニキューブは、本発明の技術に従ったフレーム又はトラスを製作する。
第二の組は、二個の建築用ブロックによって構成される。それらはテトラックスフレームとキュービックフレームとである。それぞれのテトラックスフレームは、四面体の中心の点から四面体の四個の角部まで延長する四本の支柱である。それぞれのキュービックフレームは、キューブの接線を限定する１２本の支柱である。各テトラックスフレームの外側の端部は、キュービックフレームの角部に結合され、同様に、キュービックフレームの各角部は、テトラックスフレームの支柱の外側の端部に結合される。それゆえ、キュービックフレームの八個の角部から、八個のテトラックスフレームが外側に延長する。同様に、テトラックスフレームの四本の支柱の外側の端部の位置では、四個のキュービックフレームが延長し、それぞれのキュービックフレームは、角部の位置で、テトラックスの支柱に結合される。テトラックスフレームの四個の外側の端部と、キュービックフレームの八個の角部とが存在するために、この配列が必要とすることとして、キュービックフレームの二倍の数のテトラックスフレームが存在する。
第三の組は、厳密には建築用ブロックではない。第三の組は、参照された特許出願に詳細に記載されている切頭斜方十二面体（ＴＲＤ）の接線のフレームである。切頭斜方十二面体を限定する複数の接線の支柱によって構成される構造体は、本発明のフレームを形成する。しかしながら、理解されなければならないこととして、ＴＲＤの一群にされた組では、各接線はこれらのＴＲＤのうちの三個に共通する。本発明のフレームは、共通の接線を構成するフレームであり、その結果、近接するＴＲＤの三本の接線は、三本の平行な合致した支柱ではなく、単一の支柱により表される。
図１〜図６は、これらの三つの組又は建築用ブロックを示す。図１及び図２は、ユニキューブの二つの図面を示す。図３及び図４は、それぞれテトラックスフレーム及びキュービックフレームを示す。図５及び図６は、ＴＲＤフレームの二つの図面を示す。図５は、ＴＲＤの可視的な接線のみを表す不透明なＴＲＤを示す。
【図面の簡単な説明】
図１は、中心のキューブが不透明な型式であり、可視的な支柱のみが見られる、ユニキューブの斜視図である。
図２は、中心のキューブの１２本の支柱及び八本の外側に延長する角部の支柱のすべてを示す実際のユニキューブの斜視図である。
図３は、ここではテトラックスフレームとしても言及される四本の支柱のテトラックスの二つの図面を示す。
図４は、ユニキューブの中心のキューブである、キュービックフレームの斜視図である。
図５は、不透明な切頭斜方十二面体（ＴＲＤ）の斜視図であり、不透明なＴＲＤの可視的な斜線のみが示されている。
図６は、すべての接線を示す実際のＴＲＤの斜視図である。
図７は、近接するユニキューブの外側に延長する支柱１４の結合部を示す図１のユニキューブの二次元的な集合体を示す。
定義
出願人は、ここでは以下のような語を使用する。これらの語は、以下の定義に従って、明細書及び請求の範囲で使用される。
ユニキューブ
ユニキューブは、互いに結合された１２本の等しい支柱を有する。１２本の支柱は、キューブの接線を限定し、キュービックフレームを構成する。八本の支柱は、キューブの八個の角部から外側の所定の方向に延長し、その結果、これらの外側に延長する支柱のそれぞれは、それに結合される三本のキュービックフレームの支柱のそれぞれと等しい角度を形成する。キューブを限定する１２本の支柱はキューブの支柱と呼ばれ、キューブの角部から外側に延長する八本の支柱は外側に延長する支柱と呼ばれる。単一のユニキューブの外側に延長する支柱は、それぞれ外側の端部を有する。図２はユニキューブを示す。
キュービックフレーム
キュービックフレームは、キューブの１２本の接線を限定する支柱の組で構成される。キュービックフレームは、本発明の好適な構造体の二個の建築用ブロックのうちの一方を構成する。他方の建築用ブロックは、以下限定されるテトラックスである。キュービックフレームは図４に示される。
テトラックス
テトラックスは、四面体の中心の点から四面体の四個の角部まで延長する四本の寸法の等しい軸である。テトラックスの任意の二本の支柱又は脚の間の相互の角度は１０９．４７°である。複数のテトラックス及び複数のキュービックフレームは、結合されて、本発明の好適な構造フレームを製作可能である。このテトラックスは、更にここではテトラックスフレームと称される。図３はテトラックスを示す。
テトラックス構造体
テトラックス構造体は、テトラックスに概略等しい四本式の支柱構造体又は建築用ブロックである。四本の支柱は、すべて共通の点で結合される。しかしながら、支柱は長さが等しくなく、任意の二本の支柱の間の角度は１０９．４７°からいくらか逸れる。テトラックス構造体は、最適ではない本発明のある実施形態では建築用ブロックとして使用可能である。幾つのテトラックス構造体がテトラックスフレームから逸れることが可能であるかの限界、及び本発明の実施形態では幾つのテトラックス構造体が使用可能であるかの限界は、詳細な説明によってより詳細に説明される。
切頭斜方十二面体（ＴＲＤ）
切頭斜方十二面体という語は、頂点から延長する四本の接線を有する六個の頂点の先端が切断された、斜方十二面体に使用される。接線の中間点の位置でそれぞれの斜方十二面体の六個の四本の接線からなる頂点のそれぞれの先端を切断し、かつその切断された部分を取り除くことによって、ここで限定されるＴＲＤが提供される。ＴＲＤの更なる説明は、関連する出願連続番号第08/338,408号に記載されている。
好ましい実施態様の詳細な記載
図１及び図２は、本発明の建築用ブロックの一つの形態を示す。この建築用ブロックは、ここではユニキューブ１０として言及する。図１に示されるように、キューブの接線を形成する１２本の支柱１２が存在する。更に、キューブの八個の角部を形成する外側に延長する八本の支柱１４が存在する。それぞれの外側の延長する支柱１４は、角部を形成する三本のキューブの接線の支柱１２のそれぞれに対して等しい角度を形成し、その角部から延長する。支柱１４及び１２は、すべて長さが等しい。
このユニキューブ１０の建築用ブロックを見るのを容易にするために、図１はキューブを不透明なものとして示す。構造体自体は支柱の連続体であるため、図２がより正確な表示を行う。図１のユニキューブから本発明のフレームが組み立てられる際に、それぞれの支柱１４の外側の端部１４Ｅは、三個の他のユニキューブの外側の端部１４Ｅに取付けられる。図７は、この配列を示しかつ提案するように構想される。図７では、明快さのために、四個ではなく、三個の端部１４Ｅのみが結合されて示されている。
支柱の端部１４Ｅによって互いに結合された複数の図２のユニキューブは、本発明の最適なフレームの実施形態を形成する。注目されることとして、それぞれの端部１４Ｅは、三個の他のユニキューブの三個の他の端部１４Ｅに結合される。それゆえ、四個の結合されたユニキューブのいずれの組も、一個の共通する点のみを共有する。
図３及び図４は、本発明の建築用ブロックの他の形態を示す。一方の建築用ブロックは図４に示されるキュービックフレームであり、他方の建築用ブロックは図３に示されるテトラックスフレームである。それぞれのキュービックフレームは、キューブの接線を限定する１２本の支柱１２を具備する。それぞれのキュービックフレームは八個の角部を有する。それぞれのテトラックスフレームは、四面体の角部の軸を有する四本の支柱１４によって構成される。四本の支柱は、長さが等しく、中心の点１４Ｅから外側に延長する。中心の点１４Ｅには、四本のすべての支柱が結合され、中心の点１４Ｅの位置では、支柱のいずれかの二本は、１０９．４７°の相互間の角度を形成する。つまり、これらの四本の支柱では、一度に二本の支柱を使用して形成される角度が、六個存在する。それぞれの角度は、１０９．４７°の値を有する。これらの四本の支柱の四個の端部の点１４Ｃが正四面体の四個の頂点であると考慮される場合、これらの四本の支柱は、四面体の中心から四面体の四個の頂点まで延びる四本の線である。
各テトラックスの端部の点１４Ｃはキュービックフレームの角部に結合され、各キュービックフレームの角部はテトラックスの端部の点１４Ｃに結合される。各テトラックスに対する四個の端部の点１４Ｃと、キュービックフレームの八個の角部とが存在するため、本発明の構造体には、キュービックフレームの二倍の数のテトラックスフレームが存在する。
好適な実施形態では、テトラックスフレームは正確なテトラックスであり、各支柱は長さが等しくかつ１０９．４７°の間の角度を有する。この間の角度は、四本の支柱のうちのいずれか二本の間の角度である。
ユニキューブ、キュービックフレーム及びテトラックスの間の関係
テトラックスの各支柱１４は、組み立てられた構造体のユニキューブの外側に延長する支柱である。図７は、この関係を示す補助になる。それゆえ、支柱には、同一の参照番号“１４”が使用される。同様に、ユニキューブのキューブの支柱１２は、組み立てられた構造体のキュービックフレームである。それゆえ、ユニキューブの支柱１４の端部の点１４Ｅは、テトラックスの支柱の中心の点である。テトラックスの支柱の端部の点１４Ｃは、キュービックフレーム１６の角部の点である。
同様に、キュービックフレーム１６の中心の点は、ユニキューブのキューブの中心の点である。
すべてのキュービックフレーム１６の中心の点は、互いに関係を有する点の組であり、中心の点のこの組の各要素は、点の組の１２個の隣接する要素からの距離が等しくなる。これらの点を通じて支柱に沿って力が伝達されるのを回避するために、その点の組は常に支柱１２、１４の組から間隔をあけられなければならない理由から、この関係は重要である。中心の点の組を通じての力の伝達を回避することにより、これらの力は、張力の増加を最小にするように向けられる。
配列が好適な実施形態に近ければ近いほど、張力の増加は小さくされる。しかしながら、構造体の支柱の張力の増加を最小にする本発明の改良が得られる場合でさえも、支柱１２、１４の長さの均一さ、及びテトラックスの中心の角度、及びキューブ１６の直角性のいくらかの逸れは許容可能である。それゆえ、語テトラックス構造体は、テトラックスに基づくが理想的に均一な長さより短い長さの支柱を有する及び／又は理想的な間の角度より小さい角度を有する、四本の支柱の構造体に言及するのに使用される。それゆえ、テトラックス構造体は、応力の方向付けの十分な改良を提供するテトラックスのモデル的な構造体である。
図７は、本発明に関する、概略二個のユニキューブの厚さに構成されたパネルを示す。この支柱１２、１４の網状組織は、例えば壁のトラス、床のトラス、ドーム、アーチ、及び多数の他の構造要素である、多数の幅広い範囲の建築用構造体を製作するために使用可能である。その構造体は、張力ではなく圧縮力の加重を分解するために、他の技術によって製造される類似点を有する構造体と比較して極めて軽量に製作可能である。それゆえ、その構造体は、重量比に対してかなり低い引張り強度を利用するのに比べて、重量比に対して高い圧縮強度を十分に利用する。
注目されることとして、支柱は、鉄、アルミニウム、繊維、補強プラスチック又は通常のプラスチック支柱である、任意の適切な材料によって製作可能である。支柱の材料、長さ及び断面寸法は、関連する構造体の特有の構想の要件の機能である。支柱は、例えばボルトによる締結、溶接、又は一体のキューブの及びテトラックスの建築用ブロックとしての鋳造である、任意の既知の技術を使用して互いに結合可能である。
本発明に従って製作される構造フレームの表面は、通常閉鎖されかつ好適にはいくらか平滑にされる。支柱１２又は１４は、周囲で、本発明の構造フレームの一部ではない構造体に結合される。
応力の方向付けに関する仮定
本発明のフレームは、張力の増加を最小にしかつ圧縮応力としてこれらの応力を分解する方法で、加重による応力の方向付けを行う。
出願人の認識では、このことが起こる理由の理解は、最適には、図５及び図６に示される切頭斜方十二面体（ＴＲＤ）配列を考慮することによって得ることが可能である。ＴＲＤは、六個の四角形のフレームと１２個の六角形のフレームとを有する閉鎖された構造体である。これらの四角形のフレームの対と六角形のフレームの対は、互いに平行である。すべての接線は、長さが正確に等しい。本発明の最適な実施形態を形成する支柱１２、１４の組（すべて均一な支柱を備えた正確なキュービックフレーム及びテトラックス）もまたＴＲＤを限定する。ＴＲＤは、支柱１２及び１４のそれぞれが三個のＴＲＤで共通でないために、厳密には建築用ブロックではない。
重要なこととして、この切頭斜方十二面体（ＴＲＤ）の容積は、ＴＲＤ内に内接される正確な球の容積とほぼ等しい。個々の球の集合体は、圧縮力のみ伝える。当然ながら、圧縮力は、端部の位置で拘束されなければ、分離してしまう。相互結合されたＴＲＤによって構成された本発明のフレームを見ることによって、個々の球の場合と同様の方法で、フレームの応力の方向付けが行われることがわかるであろう。しかしながら、ＴＲＤの相互結合によって、応力は分離しない。
認識されることとして、上述された支柱のパターンに合致しない付加的な補強支柱は、通常有益ではなく、その結果、通常、最適な性能がいくらか低下される。例えば、キュービックフレーム１６の表面に沿った斜めの支柱は、付加的な剛性及び強度を提供可能である。出願人の認識では、そのような付加的な支柱の主要な好結果により、本発明の支柱１２、１４によってもたらされた最適な力の方向付けは偏向され、それゆえ、所定の支柱部材の張力が増加される。最適には、そのような付加的な支柱は、張力を減少させる改良を行わず、付加的なコスト及び重量をもたらしてしまう。
更に、キュービックフレーム１６の中心を通過する、又はキュービックフレームの中心によって限定される点を通過する付加的な支柱により、引き起こされる張力を最小にするのではなく増加させる方法で力を解決することによって、この構造体の目的は小さくされてしまう。
テトラックス及びキュービックフレームの支柱の建築用ブロックが結合され、その結果、テトラックスの脚部又は支柱のそれぞれの端部の点はキュービックフレームの支柱の角部に結合され、キュービックフレームの支柱のそれぞれの角部はテトラックスの支柱の端部の点に結合される。
注目されることとして、キュービックフレーム及びテトラックスの建築用ブロックの結合のこの説明は、実際には、フレームの表面領域に当てはまらない。つまり、フレームはどこかで端部に到達しなければならない。

Claims (19)

1. 複数の間隔をあけられたテトラックス構造体を具備し、該テトラックス構造体は、共通の源部から延長する四つの堅牢な耐圧縮力支柱を有し、それぞれの前記テトラックス構造体のそれぞれの前記支柱は端部の点を有し、
   前記テトラックス構造体のうちの八個の近接するテトラックス構造体の前記支柱の前記端部の点は、八個の点の第一の組を構成し、前記点の第一の組は複数存在し、
   前記八個の端部の点の第一の組のそれぞれは、所定の堅牢な耐圧縮力構造体によって相互結合され、
   当該耐加重構造フレーム内の所定の第二の点集合の各点が各耐圧縮力構造体内に配置され、前記第二の点集合の各点は該第二の点集合のうちの近接する１２個の点から等距離間隔をあけられている、耐加重構造フレーム。
2. 前記所定の結合構造体は相互結合用の堅牢な支柱の組であり、前記相互結合用支柱のそれぞれは、前記テトラックス構造体のうちの個々のテトラックス構造体から支柱の端部の点を結合する、請求項１に記載の構造フレーム。
3. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、前記三本の結合用テトラックス構造体の支柱のそれぞれから実質的に１０９．４７°に位置する、請求項１に記載の構造フレーム。
4. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、前記三本の結合用テトラックス構造体の支柱のそれぞれから実質的に１０９．４７°に位置する、請求項２に記載の構造フレーム。
5. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく、テトラックスが構成される、請求項１に記載の構造フレーム。
6. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく、テトラックスが構成される、請求項３に記載の構造フレーム。
7. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく、テトラックスが構成される、請求項４に記載の構造フレーム。
8. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項２に記載の構造フレーム。
9. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項４に記載の構造フレーム。
10. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項７に記載の構造フレーム。
11. 複数の相互結合されたテトラックスフレーム及びキュービックフレームを具備し、テトラックスフレームのそれぞれは、共通の源部から延長する四つの堅牢な耐圧縮力支柱を有し、キュービックフレームのそれぞれは、１２本の堅牢な耐圧縮力の接線の支柱を有し、前記キュービックフレーム及びテトラックスフレームの支柱のすべては互いに実質的に等しく、
    前記キュービックフレーム及びテトラックスフレームは、相互結合されて、各テトラックスの支柱の外側の端部は、キュービックフレームの角部に結合され、各キュービックフレームの前記角部は、テトラックスの支柱の外側の端部に結合され、
    四本の支柱が各テトラックスフレームの中心の点から延長し、四本の支柱が各キュービックフレームの角部から延長し、
    各キュービックフレームの中心の点によって限定される点の組は、前記点の組の各要素が前記点の組の１２個のみの近接する要素から等距離間隔をあけられるように配置される、耐加重構造フレーム。
12. 八個の角部を有する１２本の堅牢な耐圧縮力用支柱のキュービックフレームと、八本の外側に延長する堅牢な耐圧縮力用支柱とを具備し、該支柱のそれぞれが前記八個の角部の個々の角部から外側に延長し、前記外側に延長する支柱のそれぞれが外側の端部を有する建築用ブロックであって、
    前記外側に延長する支柱のそれぞれの各外側の端部を別の三つの建築用ブロックの対応する外側に延長する支柱の外側の端部に結合させて複数の建築用ブロックからなる耐加重構造フレームを構築するために用いられる建築用ブロック。
13. 前記１２本の支柱のそれぞれは長さが等しい、請求項１２に記載の建築用ブロック。
14. 前記外側に延長する支柱のそれぞれと、その支柱に結合された前記三本のキューブの支柱との間の角度はすべて等しい、請求項１２に記載の建築用ブロック。
15. 前記１２本の支柱のそれぞれは長さが等しい、請求項１４に記載の建築用ブロック。
16. 請求項１２に記載の複数の前記建築用ブロックを具備する、耐加重構造フレーム。
17. 適切な長さを有しかつ互いに寸法が概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の組を選択する段階と、
    前記支柱の組からユニキューブの組を製作する段階とを含み、それぞれのユニキューブは、１２本のキューブの支柱と、前記キューブの支柱の八個の角部のそれぞれから外側に延長する八本の斜めの支柱とを有し、前記八本の外側に延長する支柱のそれぞれは外側の端部を有し、更に
    それぞれのユニキューブの各角部の前記外側に延長する支柱が、三個の他の近接するユニキューブの三本の外側に延長する支柱と共にテトラックスの一本の支柱を形成するように、四個の個々のユニキューブのうちの一本の外側に延長する支柱の外側の端部を結合することによって前記ユニキューブの組を組み立てる段階を含む、耐加重構造フレームの組立方法。
18. 概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の適切な組を選択し、前記支柱の第一の小組をキュービックフレームの組に結合し、
    前記支柱の第二の小組をテトラックスフレームの組に結合する段階を含み、キュービックフレームの約二倍の数のテトラックスフレームが存在し、更に
    各テトラックスフレームの各支柱の端部の点をキュービックフレームの角部に結合しかつキュービックフレームの各角部をテトラックスフレームの端部の点に結合する段階を含む、耐加重構造フレームの製造方法。
19. 概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の適切な組を選択し、
    前記支柱の第一の組をテトラックス構造体の組に組み立て、
    前記支柱の第二の組を、八個の所定の角部の点を有する所定の構造体の第二の組に組み立て、
    前記テトラックス構造体うちの八個の個々のテトラックス構造体の支柱の端部を、前記構造体の第二の組のそれぞれの前記八個の角部の点に結合する段階を含み、前記結合する段階は、各テトラックスの支柱の端部を前記構造体の第二の組の一方の角部の点に結合することを含む、耐加重構造フレームの製造方法。

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