(57)【要約】  建築材料として使用するのに適したタイプの中空複合建設部材を形成する方法は、縦軸、細長い膨張性空隙を画定する可撓性管状ブラダ壁、可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリック、およびファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性不通気性外層を有する細長い膨張性金型アセンブリを提供することを含む。ブラダ壁および外層は、内部にファブリックが配置された状態で、細長い環状空間を画定する。ファブリックに長手方向に張力が加えられ、流体が空隙に導入されて、金型を少なくとも部分的に膨張させ、ファブリックを成形する。金型は、ファブリックへの張力を維持しながら、所望の形状へと成形される。細長い環状空間およびファブリックに、剛化材料が注入される。剛性中空複合建設部材を形成するために、ファブリックへの張力を維持しながら、剛化材料が硬化される。
2009520897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築材料として使用するのに適したタイプの中空複合建設部材を形成する方法であって、
縦軸を有し、さらに、
細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁と、
前記可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリックと、
前記ファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層とを有し、前記ブラダ壁および前記外層が細長い環状空間を画定し、前記ファブリックが前記空間内に配置された
細長い膨張性金型アセンブリを提供するステップと、
長手方向に前記ファブリックに張力を加えて、流体を前記空隙に導入し、前記金型を少なくとも部分的に膨張させて、前記ファブリックを成形するステップと、
前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記金型を所望の形状に成形するステップと、
前記細長い環状空間および前記ファブリックに剛化材料を注入するステップと、
剛性の中空複合建設部材を形成するために、前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記剛化材料を硬化するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記ファブリックが編組ファブリックであり、前記張力を前記ファブリックに加える前記ステップが、前記金型の前記縦軸に対する前記ファブリックの繊維の位置合わせを変化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記成形するステップが、前記金型アセンブリを曲線形状に曲げることを含み、曲げる前に前記ファブリックに加えられる前記張力が、前記金型アセンブリを前記曲線形状に曲げた後でも、前記ファブリックへの張力を維持するのに十分である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ファブリックが、張力を受けた状態に保持されている間にも、様々な曲率に成形された金型アセンブリに一致できるように構築される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ファブリックが編組ファブリックであり、前記張力を加える前記ステップが、前記縦軸に対する前記ファブリックの前記繊維の前記角度を変化させる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記金型アセンブリの前記管状ブラダを十分に膨張させる前に、前記ファブリックに張力を加えるステップと、次に、前記管状ブラダを十分に膨張させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ファブリックが複数の繊維を備え、その一部が、前記フープ方向に対してある角度であるフープを外れた方向に配向され、さらに、前記剛化材料の前記注入中に前記ファブリックに張力を加える前記ステップが、前記金型アセンブリに曲率を加えるときに前記繊維の座屈を防止し、その結果、張力を加えなかったファブリックに対して優れた構造的特性となる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記剛性中空複合建設部材を、無収縮コンクリート、膨張コンクリート、無収縮グラウト、膨張グラウト、発泡体、および砂を含むグループから選択された耐力材料で少なくとも部分的に充填する追加のステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記細長い膨張性金型アセンブリが、各端に機械的把持部を含み、前記機械的把持部が、前記ファブリックに張力を加えるために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記剛化材料が硬化した後、前記剛性中空複合建設部材から前記可撓性ブラダ壁を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記細長い膨張性空隙が、膨張した場合に、前記細長い膨張性金型アセンブリの前記縦軸に沿って変動する断面寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数の前記細長い膨張性金型アセンブリが一緒に配置構成され、各金型アセンブリの前記ファブリックに張力が加えられ、さらに、複数の剛性中空複合建設部材を形成するために、前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記金型アセンブリを所望の形状に成形するステップと、前記ファブリックおよび前記細長い環状空間に剛化材料を注入するステップと、前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記剛化材料を硬化させるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の細長い膨張性金型アセンブリがすべて、同じ曲率に形成され、すべてが同時に注入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ファブリックが織物ファブリックである、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
建築材料として使用するのに適した中空複合建設部材を形成する膨張性金型アセンブリであって、縦軸を有し、さらに、
細長い膨張性空隙を画定する、実質的に管状の可撓性ブラダ壁と、
前記可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリックと、
前記ファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性不通気性外層とを有し、前記ブラダ壁および前記外層が細長い環状空間を画定し、前記ファブリックが前記空間内に配置される金型アセンブリ。
【請求項１６】
前記ファブリックが編組ファブリックであり、前記ファブリックに張力が加えられる場合、前記ファブリックの前記繊維が、前記金型の前記縦軸に対するその角度を変化させるという特徴を有する、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項１７】
前記ファブリックが編組ファブリックである、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項１８】
前記金型が、多くの異なる曲率のいずれか１つに膨張した後に、曲線形状に曲げられるように構築され、前記ファブリックは、前記金型を曲げる前に前記ファブリックに張力が加えられる場合、前記金型が前記曲線形状に曲げられた後でも、前記ファブリックの前記繊維への張力が維持されるように構築される、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項１９】
ファブリックが複数の繊維を備え、その一部が、前記フープ方向に対して３０°以上の角度であるフープから外れた方向に配向され、前記ファブリックは、前記ファブリックに張力が加えられた場合に、前記金型アセンブリに曲率が加えられていると、前記フープから外れた方向の繊維の座屈が防止されるように構築され、その結果、張力が加えられなかったファブリックに対して優れた構造的特性となる、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２０】
前記細長い膨張性金型が各端に機械的把持部を含み、前記機械的把持部が前記ファブリックに接続され、前記ファブリックに張力を加えるように構成される、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２１】
前記細長い膨張性空隙が、膨張した場合に、前記細長い膨張性金型の前記縦軸に沿って変動する断面寸法を有する、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２２】
前記細長い膨張性金型の各端に把持システムを含む、請求項１５に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２３】
前記把持システムの外側に配置された真空入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２４】
前記把持システムの間に配置された真空入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２５】
前記把持システムの内側に配置された真空入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２６】
前記把持システムの外側に配置された剛化材料入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２７】
前記把持システムの間に配置された剛化材料入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２８】
前記把持システムの内側に配置された剛化材料入口を含む、請求項２２に記載の膨張性金型アセンブリ。
【請求項２９】
剛性中空複合建設部材を作成するシステムであって、
建築材料として使用するのに適した中空複合建設部材の膨張性金型アセンブリを備え、前記膨張性金型アセンブリが細長く、縦軸を有し、さらに、
細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁と、
前記可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリックと、
前記ファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性不通気性外層とを有し、前記ブラダ壁および前記外層が細長い環状空間を画定し、前記ファブリックが前記空間内に配置され、さらに、
前記ファブリックに長手方向に張力を加える装置と、
前記管状ブラダ壁を膨張させるために前記空隙に流体を導入する装置と、
剛性中空複合建設部材を形成するために、前記細長い環状空間および前記ファブリックに剛化材料を注入する装置とを備えるシステム。
【請求項３０】
前記剛性中空複合建設部材に、無収縮コンクリート、膨張コンクリート、無収縮グラウト、膨張グラウト、発泡体、および砂を含むグループから選択された耐力材料を導入する装置を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記ファブリックが編組ファブリックであり、前記ファブリックに張力が加えられる場合、前記ファブリックの前記繊維が、前記金型アセンブリの前記縦軸に対するその角度を変化させるという特徴を有する、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ファブリックが織物ファブリックである、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３３】
前記金型アセンブリが、多くの異なる角度のいずれか１つに前記管状ブラダが膨張した後に、曲線形状に曲げられるように構築され、前記ファブリックは、前記金型アセンブリを曲げる前に前記ファブリックに張力が加えられる場合、前記金型アセンブリが前記曲線形状に曲げられた後でも、前記ファブリックの前記繊維への張力が維持されるように構築される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３４】
ファブリックが複数の繊維を備え、その一部が、前記フープ方向に対して３０°以上の角度であるフープから外れた方向に配向され、前記金型アセンブリに曲率が加えられた場合の前記フープから外れた繊維の座屈を防止するために、前記ファブリックに張力が加えられ、その結果、張力が加えられなかったファブリックに対して優れた構造的特性となる、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３５】
前記細長い膨張性金型アセンブリが、各端に機械的把持部を含み、前記機械的把持部が前記ファブリックに接続され、前記ファブリックに張力を加えるように構成される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３６】
前記細長い膨張性空隙が、膨張した場合に、前記細長い膨張性金型アセンブリの前記縦軸に沿って変動する断面寸法を有する、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３７】
建築材料として使用するのに適したタイプの中空複合建設部材を形成する方法であって、
縦軸を有する細長い膨張性金型アセンブリを提供するステップを含み、前記金型が、前記金型アセンブリに沿って延在する編組補強ファブリックを有し、さらに、
前記金型アセンブリを成形する間に、前記ファブリックに長手方向に張力を加えて、前記ファブリックに剛化材料を注入するステップと、
剛性中空複合建設部材を形成するために、前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記剛化材料を硬化させるステップとを含む方法。
【請求項３８】
建築材料として使用するのに適したタイプの中空複合建設部材を形成する方法であって、
縦軸を有し、さらに、
細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁と、
前記可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置され、樹脂材料が予備含浸されている補強ファブリックと、
前記ファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層とを有し、前記ブラダ壁および前記外層が細長い環状空間を画定し、前記ファブリックが前記空間内に配置された
細長い膨張性金型アセンブリを提供するステップと、
長手方向に前記ファブリックに張力を加えて、流体を前記空隙に導入し、前記ブラダ壁を少なくとも部分的に膨張させて、前記ファブリックを成形するステップと、
前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記金型アセンブリを所望の形状に成形するステップと、
剛性の中空複合建設部材を形成するために、前記ファブリックへの張力を維持しながら、前記樹脂材料の剛化を開始するステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、複合建設部材（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｍｅｍｂｅｒ）の様々な実施形態およびそのような建設部材の作成方法について説明する。特に、本明細書で説明する実施形態は、通常は建築材料（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）として使用するのに適したタイプの改良された複合建設部材に関する。そのような部材の例としては、軽量管状アーチ（ｌｉｇｈｔｗｅｉｔ  ｔｕｂｕｌａｒ  ａｒｃｈ）および梁がある。
【背景技術】
【０００２】
これまでは、短いスパンおよび中位のスパンの埋設型アーチ橋（ｂｕｒｉｅｄ  ａｒｃｈ  ｂｒｉｄｇｅ）、さらにある種の地下貯蔵施設およびトンネルを建設するために使用されている数タイプの技術がある。これらの構造は一般的にアーチ形であり、典型的には交通機関または他の負荷を受ける土被りで覆われている。アーチ形建設部材は、構造部材などの建築構造にも使用される。
【０００３】
このような建設部材を提供する１つの方法は、１つの場所で作成され、次に建設現場へと輸送されるプレキャスト・コンクリート構造を使用することである。別のシステムは、建設現場で形成され、次にクレーンなどによって所定の位置に吊り上げられる現場流延コンクリート構造（ｃａｓｔ−ｉｎ  ｐｌａｃｅ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を使用することを含む。さらに別の技術は、金属パイプ構造を使用することを含む。さらに、金属および鋼で補強したコンクリートを構造部材として使用することができる。建設業における複合材料の使用量は増加している。
【発明の要約】
【０００４】
建設材料の選択における重要な要素は、材料の費用、輸送および設置の容易さ、耐久性、重量、建設時間の長さ、設置用の吊り上げ機器の必要性、建設シーケンスの複雑さ、全体的性能、および全体的な設置費用を含む。建設業のために改良された建設材料およびシステムを開発できれば有利である。
【０００５】
本出願は、建設部材の様々な実施形態について説明する。建築材料として使用するのに適したタイプの中空の複合建設部材を形成する方法の一実施形態は、縦軸を有する細長い膨張性金型アセンブリ（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ  ｉｎｆｌａｔａｂｌｅ  ｍｏｌｄ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）、細長い膨張性空隙を画定する可撓性の管状ブラダ壁（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｔｕｂｕｌａｒ  ｂｌａｄｄｅｒ  ｗａｌｌ）、可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリック（ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ  ｆａｂｒｉｃ）、およびファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層を設けることを含む。ブラダ壁および外層は、中にファブリックが配置された細長い環状空間を画定する。ファブリックに縦方向に張力を加えて、空隙に流体を導入し、金型を少なくとも部分的に膨張させて、ファブリックを成形する。金型はファブリックへの張力を維持しながら所望の形状に成形される。細長い環状空間およびファブリックに、剛化材料（ｒｉｇｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を注入する。剛化材料は、中空の剛性複合建設部材を形成するために、ファブリックへの張力を維持しながら硬化される。
【０００６】
別の実施形態では、建築材料として使用するのに適した中空の複合建設部材を形成するための膨張性金型アセンブリは、金型アセンブリを含む。金型アセンブリは縦軸を有し、さらに細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁、可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリック、およびファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層を含み、ブラダ壁と外層が細長い環状空間を画定し、ファブリックが空間内に配置されている。
【０００７】
別の実施形態では、剛性の中空複合建設部材を作成するシステムは、建築材料として使用するのに適した中空複合建設部材の膨張性金型アセンブリを含む。膨張性金型アセンブリは細長く、縦軸を有する。金型アセンブリはさらに、細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁、可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置された補強ファブリック、およびファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層を有し、ブラダ壁および外層が細長い環状空間を画定して、ファブリックが空間内に配置される。ファブリックに縦方向に張力を加える装置、流体を空隙に導入して管状ブラダ壁を膨張させる装置、および細長い環状空間およびファブリックに剛化材料を注入して、剛性の中空複合建設部材を形成する装置が提供される。
【０００８】
別の実施形態では、建築材料として使用するのに適したタイプの中空の複合建設部材を形成する方法は、縦軸を有する細長い膨張性金型アセンブリを提供することを含み、金型は、金型アセンブリの周囲に延在する編組補強ファブリック（ｂｒａｉｄｅｄ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ  ｆａｂｒｉｃ）を有する。張力が縦方向でファブリックに加えられ、金型アセンブリを成形しながら、ファブリックに剛化材料が注入される。剛化材料は、ファブリックへの張力を維持しながら硬化されて、剛性の中空複合建設部材を形成する。
【０００９】
別の実施形態では、建築材料として使用するのに適したタイプの中空の複合建設部材を形成する方法は、縦軸を有する細長い膨張性金型アセンブリを提供することを含む。金型アセンブリはさらに、細長い膨張性空隙を画定する実質的に管状の可撓性ブラダ壁、可撓性ブラダ壁の周囲に同心円状に配置され、樹脂材料を予備含浸した補強ファブリック、およびファブリックの周囲に同心円状に配置された可撓性の不通気性外層を有し、ブラダ壁および外層が細長い環状空間を画定し、ファブリックが空間内に配置される。張力が縦方向でファブリックに加えられ、流体が空隙に導入されて、ブラダ壁を少なくとも部分的に膨張させて、ファブリックを成形する。金型アセンブリは、ファブリックへの張力を維持しながら、所望の形状に成形される。次に、ファブリックへの張力を維持しながら、樹脂材料の硬化を開始して、剛性の中空複合建設部材を形成する。
【００１０】
建設部材の他の利点は、添付図面に照らして以下の詳細な説明を読むと当業者には明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
膨張性管状金型アセンブリから湾曲した複合構造を生産する現在の技術は、ファブリックの構造によって制限されている。膨張性金型アセンブリから複合構造を作成する従来の方法では、各曲線幾何形状が独特のファブリック構造を必要とし、そのために膨張性金型アセンブリの広範囲の曲線部材の幾何形状を設計し、生産するのに非常に費用がかかる。図示の実施形態では、最初の膨張性金型アセンブリが単一の親ファブリック構造（ｓｉｎｇｌｅ  ｐａｒｅｎｔ  ｆａｂｒｉｃ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）を有していても、様々な湾曲が達成可能な状態で、単一の膨張性金型アセンブリで作成した膨張性複合構造を剛化することによって、広範囲の曲線の管状繊維強化ポリマ複合構造部材を生産することが可能である。この親ファブリック構造は様々でよく、それでも任意の連続的な湾曲を有する部材を生成することができる。
【００１２】
本明細書で図示し、説明する実施形態は、膨張性金型アセンブリで作成され、曲線支持体の周囲に形成され、有機または無機ポリマ材料などの剛化材料が注入された曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を含む。長手方向に配向された連続的繊維は、剛化材料が注入されているので、大きい曲率へと形成された場合、構造の内側でも、ファブリックの端に張力を加えることによって実質的に座屈が防止される。これは、曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材の負荷容量を大幅に改良する。
【００１３】
曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材は、膨張性金型上に張力を加えた編組ファブリックを使用することにより、構造的に有意の、または実質的に目に見える繊維のしわがない状態で生産することができる。繊維は、繊維の有意のしわまたは座屈がない状態で膨張性金型の縦軸付近に配置することができるので、最終的に生産される曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材は、多くの構造で複数のタイプの負荷を効率的に支持することができ、それは曲線アーチ状橋、飛行機格納庫、埋設トンネルおよび燃料庫、高速配置可能な埋設アーチ橋および大スパン暗渠を含むが、それに制限されない。
【００１４】
１つの実施形態では、建築材料として使用するのに適したタイプの曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を形成する方法が開示される。このような曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材の形成方法は、完成した補強構造に弱点を引き起こす繊維の座屈またはしわのいずれも解消するか、実質的に減少させる。特定の実施形態では、ファブリック層は樹脂などの適切な剛化材料が注入された３次元編組繊維質ファブリック材料を備える。
【００１５】
次に図１から図４を参照すると、膨張性管状金型アセンブリ２０２は、内部空隙２０１を画定する。図１は、収縮状態の膨張性金型アセンブリ２０２を示す。図で概略的に図示された膨張性金型アセンブリ２０２は、十分に膨張すると全体的に円形の断面形状を有するが、膨張性金型アセンブリ２０２の特定の寸法は、膨張性金型アセンブリ２０２が使用されている最終用途に左右されることを理解されたい。例えば、膨張性金型アセンブリ２０２内の膨張性ブラダ２０４の外部形状は、全体的に円形、楕円形、または（例えば図９から図１０に図示されているように）他の有用な構造的形状を有することができる。別の実施形態では、膨張性ブラダ２０４は、図１１に示すように、Ｉ形鋼の断面形状に近似した形状を有する断面を有することができる。
【００１６】
図２から図４に示すような内部断面寸法２０３とは、ブラダが膨張した場合の膨張性ブラダ２０４の内部直径である。外部断面寸法２０５とは、図６で最もよく図示されているように、膨張性ブラダ２０４の外部の直径および剛化した膨張性複合構造２３８の内部の直径である。膨張性金型アセンブリ２０２の断面の幾何形状に関係なく、膨張性金型アセンブリ２０２を使用した結果である曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８（図６に図示）は、本明細書で説明するように管状であると見なされる複合部材である。
【００１７】
また、本明細書で図示し、説明する特定の他の実施形態では、膨張性ブラダ２０４の断面寸法２０５は、軸方向または長手方向の長さに沿って変化可能である。このような実施形態では、膨張性ブラダ２０４の直径、つまり主要な外部断面寸法２０５は、完成した曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８が、最終用途の必要性に応じて様々な位置で様々な断面寸法を有することができるように変化可能である。例えば、アーチなどの特定の最終用途では、完成した曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８の上部分に追加の支持を追加するために、地面に隣接した膨張性金型アセンブリ２０２の下部分の方が大きい断面を有することが望ましい。
【００１８】
膨張性金型アセンブリ２０２は、少なくとも１つの管状膨張性ブラダ２０４、可撓性ファブリック層２０６などの少なくとも１つの補強ファブリック、および少なくとも１つの不通気性外層２０８を含む。膨張性ブラダ２０４の壁は、細長い膨張性空隙２０１を画定する。可撓性補強ファブリック層２０６は、膨張性ブラダ２０４の周囲に同心円状に配置される。可撓性不通気性外層２０８は、可撓性ファブリック層２０６の周囲に同心円状に配置され、膨張性ブラダ２０４および不通気性外層２０８が細長い空間２２６を画定し、可撓性ファブリック層２０６が空間２２６内に配置される。膨張性ブラダ２０４の断面形状がほぼ円形である場合、細長い空間は実質的に環状の断面を有する。
【００１９】
特定の代替実施形態では、膨張性管状ブラダ２０４は、適切に可撓性の不通気性材料で作成される。膨張性管状ブラダ２０４に使用可能な材料の例はナイロン、マイラ、ウレタン、ブチルゴム、高密度ポリエチレン、ビニル、ポリエステル、強化ゴム、およびシリコーンである。他の材料も使用することができる。特定の実施形態では、可撓性ファブリック層２０６は、編組または織物の繊維のような繊維の所望のパターンまたは幾何形状を有する繊維質材料を備える。特定の代替実施形態では、ファブリック層は、例えばガラス、炭素、ポリエチレン、ポリエステル、アラミド繊維、およびその混合物など、１つまたは複数のタイプの繊維を備えることができる。不通気性外層２０８は、例えばナイロン、マイラ、ウレタン、ブチルゴム、高密度ポリエチレン、ビニル、ポリエステル、強化ゴム、およびシリコーンなど、任意の適切な可撓性不通気性材料でよい。
【００２０】
図示の実施形態では、膨張性金型アセンブリ２０２は細長く、縦軸２１０を有する。膨張性金型アセンブリ２０２は、膨張性金型アセンブリ２０２の第１端２１４にある第１キャップ部材２１２、および膨張性金型アセンブリ２０２の反対側の第２端２１８にある第２キャップ部材２１６を含む。キャップ部材２１２は密封可能な開口２１９を含み、それを通して流体材料が流れて、膨張性金型アセンブリ２０２を膨張させることができる。特定の実施形態では、例えば流体材料は気体状（空気など）または液体（水など）でよい。金型は細長いものとして図示されているが、細長い必要はないことを理解されたい。
【００２１】
図２は、空気が、開口２１９を通して膨張性管状ブラダ２０４の内部空隙２０１内へと配向されている、部分的に膨張した状態の膨張性金型アセンブリ２０２を示す。図３に示すように、不通気性外層２０８は密封可能な開口２２０を含むことができ、それを通して不通気性外層２０８と膨張性管状ブラダ２０４の間の空間２２６から空気を除去することができる。空間２２６は、少なくとも部分的に可撓性ファブリック層２０６で充填されることを理解されたい。空間２２６内の空気を除去するために適切な装置は、モータＭによって動作する真空ポンプＰであるが、他の装置を使用することもできる。開口２２０は、膨張性金型アセンブリ２０２の一方端の位置を含め、膨張性金型アセンブリ２０２の長さに沿った任意の位置に配置することができる。任意の数の開口２２０を使用することができる。例えば樹脂トランスファ成形プロセスを使用する場合、排気機構の使用が任意であることを理解されたい。
【００２２】
樹脂などの流体剛化材料２３２を注入中に、剛化材料は、樹脂ポート２３４を介し、空間２２６を通して差圧によって駆動または給送される。それと同時に、通常は空間２２６から気体を除去することができる。任意の数の樹脂ポート２３４を使用することができる。樹脂ポート２３４は、図示のように膨張性金型アセンブリ２０２の端部に配置するか、膨張性金型アセンブリ２０２の長さに沿って任意の位置で、不通気性外層２０８を通して配置することができる。樹脂は、可撓性ファブリック層２０６内に注入され、これに浸透する。剛化材料２３２を空間２２６に注入するために開示された装置は例示にすぎず、可撓性ファブリック層２０６に剛化材料を注入する任意の適切なシステムを使用することができる。
【００２３】
図４は、可撓性ファブリック層２０６に十分に浸透した剛化材料２３２を示す。剛化材料は、空間２２６内に給送または注入することができ、これで剛性または半剛性材料へと固化または硬化する任意の有機または無機材料でよい。有機材料の例は、ビニルエステル、ポリエステル、エポキシなどの熱硬化性樹脂を含む。剛化材料には、セメントまたはグラウトなどの他の無機材料も使用することができる。剛化材料２３２を空間２２６内に配置し、材料の剛化または硬化が実行されると、図７に示した曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８などの複合建設部材が形成される。曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８は主に、建築材料として有用であるが、他の目的にも使用することができる。
【００２４】
図５に示すように、膨張性金型アセンブリ２０２が枠組２４０の周囲で曲がるか、他の方法でそれと一致するような状態で、成形プロセス中に膨張性金型アセンブリ２０２が、枠組２４０に当てるか、少なくとも部分的にそれに入るように配置される。図示の実施形態では、枠組２４０は連続的な半円形状を有する。枠組２４０は、形成中に膨張性金型アセンブリ２０２が所望の形状に曲がるのを促進する。枠組２４０は、必要な構成の複合建設部材を生成するために適切な任意の形状を有することができる。
【００２５】
枠組２４０は、複合曲線および非平面曲線などの任意の連続的で全体的に曲線の形状を有することができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、枠組２４０は、非円形の側壁を有することができ、したがって膨張性金型アセンブリ２０２を、円形ではない断面形状を有する複合構造に形成することができる。図９は、複合構造３３８の丸まった六角形輪郭を示す。図１０は、複合構造４３８の丸まった正方形輪郭を示す。図１１は、複合構造５３８のほぼＩ形鋼の形状の輪郭を示す。
【００２６】
任意選択で、剛化した膨張性複合構造２３８は、例えば図８に示すような無収縮コンクリート、膨張コンクリート、無収縮グラウト、膨張グラウト、発泡体、砂などを含むグループから選択された材料のような耐力材料２４４で充填することができる。
【００２７】
膨張性金型アセンブリ２０２を全体的にアーチ形の長手方向形状に形成しているときに、膨張性金型アセンブリ２０２の湾曲に対して接線方向で接触点に適切な外力を加えられることを理解されたい。また、本明細書の図に示された枠組２４０は、図６に示すように膨張性金型アセンブリ２０２の内弧２０２ａに沿って膨張性金型アセンブリ２０２を支持しているが、枠組２４０は、膨張性金型アセンブリ２０２の外弧２０２ｂで膨張性金型アセンブリ２０２に所望の曲率を提供することも可能である。
【００２８】
有利には、全体的に汎用タイプまたは構造の可撓性ファブリック層２０６を１つしか使用せずに、多くの異なる形状および構成の剛化した膨張性複合構造２３８が形成できる。したがって、膨張性金型アセンブリ２０２の製造業者は、１つのタイプまたは設計のファブリック構造を使用して、任意の所望の曲率を有する広範囲の曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を生産することができる。
【００２９】
本明細書で説明する方法の特定の実施形態では、適切な量の張力をフープ（半径）および／または長手（軸）方向の一方または両方でファブリックに加えて、膨張性金型アセンブリ２０２が曲げられる場合でも、ファブリックの繊維のしわおよび座屈を最小限に抑えるか、最も適切なように実質的に解消する。適切な量の張力は変動することができるが、本明細書で使用する適切な量の張力は、繊維の極限引っ張り容量（ｆｉｂｅｒ’ｓ  ｕｌｔｉｍａｔｅ  ｔｅｎｓｉｌｅ  ｃａｐａｃｉｔｙ）の約２パーセント未満程度の応力を繊維内に引き起こす量の張力でよい。本明細書で図示し、説明する実施形態では、繊維内に約３０ｐ．ｓ．ｉ．から約１０００ｐ．ｓ．ｉ．の範囲内の応力を引き起こす張力が加えられる。
【００３０】
図７は、図６の一区域の拡大略図であり、膨張性金型アセンブリ２０２のフープ方向２５２に対する可撓性ファブリック層２０６の繊維２５０の一部の編組角度θを示す。フープ方向２５２は、それを辿ると、断面の表面に沿って最短の平面閉路になる方向である。図７では、明快さを期して、ファブリックの繊維の大部分が省略されており、したがって、残りの代表的な繊維の路が、さらに容易に見られる。挟角θは、繊維のフープ方向から外れた角度である。繊維は、可撓性ファブリック層２０６の表面に沿って一方端から他方端へと連続的なほぼ螺旋状の路を辿る。図７には、１つの繊維角度しか図示されていないが、複数の層および層毎に複数の角度を、このプロセスに合わせて選択された任意の組合せで使用することができ、個々の繊維の角度は剛化膨張性複合構造２３８の断面の周囲で、または長手方向の長さに沿って変動することができる。
【００３１】
任意の特定の繊維がフープ方向２５２に平行でない場合は、繊維が非フープ方向に配向され、フープ方向からのその偏りは、角度θで測定することができる。例えば３０°などの閾値レベルより大きい角度θに配向された繊維は、有意の長手方向の成分を有するものと見なすことができる。つまり、これらは縦軸２１０の方向に有意の成分を有する。これらの繊維は、全体的に長手方向に延在する繊維と見なすことができる。樹脂が可撓性ファブリック層２０６に注入されているので、成形プロセス中に可撓性ファブリック層２０６に張力を加えることによって膨張性金型アセンブリ２０２が曲げられている間に、可撓性ファブリック層２０６内の長手方向に延在する繊維は、大きい曲率の座屈が防止される。これらは、部材内の曲げ応力を担持しているので、構造的観点から重大な繊維である。フープを外れた繊維とは異なり、フープ方向の繊維は、金型アセンブリに大きい曲率が加えられた場合に座屈しにくい。
【００３２】
曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８は、全体的に長手方向に延在する繊維、つまり最初に約３０°より大きい角度に配向されている繊維の繊維しわが実質的にない状態で生産することができる。というのは、樹脂の注入および硬化中に、全体的に長手方向に配向された繊維の有意の部分に張力が加えられると、フープを外れた繊維が、膨張性ブラダ２０４の外面に沿って設計通りに位置合わせされて、保持され、繊維のしわまたは座屈を効果的に最小にするか、解消するからである。特定の実施形態では、可撓性ファブリック層２０６には、織物または編組ファブリックなどの反復パターンの単純なセットが作成され、これは反復パターンまたは所望のファブリック構造内に同様に配向された繊維のセットの束またはストランドを有する。
【００３３】
本明細書で図示し、説明する例示的方法によって、任意の所望の形状を有することができる構造的複合材を形成することができる。例示的方法ではさらに、成形した構造を形成するために、様々な織りパターンまたは繊維構成のファブリック材料の区間を有するファブリックを、最初に形成する必要がなくなる。
【００３４】
特定の実施形態では、特定の繊維または繊維束を、張力を加えるか、その元の方向によって、約３０°から９０°のフープを外れた方向に配向することが望ましい。抑制されるか、張力を加えられてフープから外れた方向の繊維は、膨張性金型が曲げられる場合でも、座屈またはしわがない状態で所望の方向を保持し、それによって最終的な曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８に強度を加える。ファブリックに張力を加える間に、繊維または繊維束を引っ張られるか、弛緩可能にして、所望のフープから外れた方向にする。
【００３５】
適切に構築された可撓性ファブリック層２０６を使用し、曲げおよび樹脂注入プロセス中に張力を使用することによって、単一のファブリックの設計または構造を作成して、多くの異なる曲げ構成に対応できることが分かる。その結果、可撓性ファブリック層２０６は、なお張力で保持されていながら、様々な曲率に成形された金型に適合できるように構成される。
【００３６】
特定の実施形態では、繊維のしわを克服するためにファブリックに加える必要がある張力の量は、ファブリックの極限引っ張り容量の小さい部分でよい。ファブリックにかかる張力は、把持装置などの任意の適切な装置を使用して加えることができる。このような把持装置の一例が、図３から図５に概略的に図示され、ここでは把持システム２４６および２４８が、それぞれ膨張性金型アセンブリ２０２の端部２１４および２１８に配置されている。把持システムは可撓性ファブリック層２０６に張力を加える。把持システム２４６および２４８は、可撓性ファブリック層２０６に接続して、それに張力を加えるのに適した任意の機構でよい。把持システム２４６および２４８は、端環の形態であるか、空気圧で拡張可能な栓または機械的栓でよい。さらに、細長い膨張性金型アセンブリ２０２は、把持システムの外側に配置された真空入口、把持システムの間に配置された真空入口、または把持システムの内側に配置された真空入口を含むことができる。また、細長い膨張性金型アセンブリ２０２は、把持システムの外側、把持システムの間、または把持システムの内側に配置された剛化材料入口を含むことができる。把持システムによって加えられる張力は、膨張性金型アセンブリ２０２と枠組２４０との接触を維持する働きもすることができる。膨張性金型アセンブリ２０２のいくつかの設計では、繊維に張力を加えるために、膨張性ブラダ２０４を膨張させるだけで十分である。このような場合、把持システム２４６および２４８は、繊維への張力の印加を抑制または制御するように作用することができる。
【００３７】
可撓性ファブリック層２０６に張力を加える実施形態では、張力を加えると波打ちが減少して、織りパターンの均一性が向上し、それによって最終的に、張力を加えていないこと以外は同一の繊維を使用して生産したものよりはるかに高い負荷容量を有する完成品の曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８を生成する。可撓性ファブリック層２０６に張力を加えると、完成した製品特性の変動も著しく低下する。また、可撓性ファブリック層２０６に張力を加えると、再配向される繊維は、部材の縦軸に近い方に張力を加えることによって再配向され、したがって最終的な曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８の強度が最終的に増加する。いくつかの実施形態では、膨張性金型アセンブリ２０２が湾曲しているので、有意のしわまたは座屈がない状態で、可撓性ファブリック層２０６の繊維を再度位置合わせすることができる。いくつかの実施形態では、ファブリックに張力を加える間、端部２１４および２１８を把持すると、負荷が再分配されるまで、隣接する繊維よりもはるかに高い張力を受けている特定の繊維が滑ることができる。
【００３８】
特定の実施形態では、管状の膨張性ブラダ２０４の最終的な膨張圧力に到達する前に、所望の張力を達成するか、確立することができる。例えば、管状の膨張性ブラダ２０４を最終的に膨張させる前に、把持システム２４６および２４８を可撓性ファブリック層２０６に締め付けることができる。他の実施形態では、所定の幾何形状が達成されたら、ブラダ圧力の増加によって刺激された金型の伸張によって、張力を加え始める。
【００３９】
特定の実施形態では、膨張性金型アセンブリ２０２の剛化は、繊維に張力が加えられている間に、ファブリックに樹脂を注入することによって進行することができる。また、曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材２３８の形成は、いくつかの異なるステップ構成で実行することができ、それは例えば以下を含む。
【００４０】
ｉ）ファブリック層を膨張性の管状壁上に配置し、管状壁を膨張させてファブリックを成形し、ファブリックに剛化材料を注入する。
【００４１】
ｉｉ）ファブリック層を膨張性の管状壁上に配置し、管状壁を膨張させてファブリックを成形し、膨張した管状壁を所望の形状に曲げ、成形したファブリックに剛化材料を注入する。
【００４２】
ｉｉｉ）管状壁を膨張させ、ファブリック層を膨張した管状壁上に配置し、膨張した管状壁およびファブリックを所望の形状に曲げ、成形したファブリックに剛化材料を注入する。
【００４３】
ｉｖ）ファブリック層を膨張性の管状壁上に配置し、管状壁を部分的に膨張させてファブリックを成形し、膨張した管状壁を所望の形状に曲げ、管状壁の膨張を終了させ、成形したファブリックに剛化材料を注入する。以上の構成の全部で、ファブリックは張力を受ける。
【００４４】
代替実施形態では、可撓性ファブリック層２０６に樹脂を予備含浸し、成形プロセス後または成形プロセス中に、任意の適切な機構によって剛化プロセスを開始して、曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を生成する。樹脂の剛化は、化学的開始剤または触媒を注入するか、熱または光を加えるか、任意の他の適切な方法によって開始することができる。
【００４５】
別の実施形態では、各金型アセンブリのファブリックに張力を加えた状態で、複数の細長い膨張性金型アセンブリを一緒に配置する。複数の金型アセンブリは各々、ファブリックへの張力を維持しながら、所望の形状に成形される。各金型アセンブリの補強ファブリックには、剛化材料が注入され、剛化材料は、各金型アセンブリに別個に、または同時に注入されることができる。この方法で、ファブリックへの張力を維持しながら、剛化材料を硬化させた後、多数の曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を形成することができる。多数の細長い膨張性金型アセンブリを、同じ曲率に形成するか、様々な曲率で構成することができる。
【００４６】
図示の膨張性金型アセンブリ２０２は、建築材料として使用するのに適した曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材の先駆物質と見なすことができる。細長い膨張性金型アセンブリ２０２を使用して、建物、埋設橋構造、または曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材が必要な他の構造の建設現場のような任意の望ましい適切な位置で、曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を作成することができる。さらに、曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材は、所定の位置で、無収縮コンクリート、膨張コンクリート、無収縮グラウト、膨張グラウト、発泡体、および砂などの任意の所望の材料で充填することができる。また、１つまたは複数の細長い膨張性金型アセンブリを含む建設キットを準備し、建設現場に輸送することができる。このようなキットは、任意選択で、管状ブラダを膨張させる圧縮空気の供給源、樹脂成分の供給源、真空の供給源、および製品の剛化中に膨張性金型アセンブリを成形し、および剛化材料の注入中に張力を供給するために適切な枠組を含むことができる。このようなキットは、任意の望ましい曲率の曲線管状繊維強化ポリマ複合構造部材を生産するための自立型の予め組み立てられたキットでよい。
【００４７】
建設部材の原理および操作モードならびにこのような建設部材の作成方法について、様々な実施形態で説明してきた。しかし、本明細書で説明した建設部材およびこのような建設部材の作成方法は、その範囲から逸脱することなく、特に図示し、説明したもの以外で実践できることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】収縮した状態である、複合建設部材を作成する膨張性管状金型アセンブリの部分の略図である。
【図２】部分的に膨張した状態の金型アセンブリの一部の略縦断面図である。
【図３】金型アセンブリが十分に膨張し、金型アセンブリに部分真空が加えられた状態の図２のそれと同様の略図である。
【図４】金型アセンブリが剛化している状態の図２のそれと同様の略図である。
【図５】膨張した曲線金型アセンブリの湾曲に対して接線方向で、枠組との接触点に外力が加えられている間に膨張した金型アセンブリが枠組の周囲で曲げられていることを示し、湾曲した金型アセンブリの端部に張力を加える装置を示す略図である。
【図６】枠組から外された後の剛化膨張性複合構造の略図である。
【図７】剛化膨張性複合構造のフープ方向（ｈｏｏｐ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対する剛化膨張性複合構造の繊維の編組角度を示す、図６の区域の拡大略図である。
【図８】耐力材料で充填された剛化膨張性複合構造を示す、図６の線８−８に沿って切り取った略図である。
【図９】耐力材料で充填された追加の剛化膨張性複合構造の断面形状の略図である。
【図１０】耐力材料で充填された追加の剛化膨張性複合構造の断面形状の略図である。
【図１１】耐力材料で充填された追加の剛化膨張性複合構造の断面形状の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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