(57)【要約】【課題】軽量の繊維複合シェル用いたコンクリート補強用の複合補強部材を提供すること。【解決手段】管状の繊維複合シェル中にコンクリートを充填して硬化させ、シェル中に内部コンクリートコアを形成してコンクリートを得る。【選択図】図１Ａ
2007247401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化ポリマーマトリックス中に補強繊維を含む外側管状シェル、および該外側シェル中に配されると共に、非硬化状態のコンクリートを前記シェル中に注ぐかまたはポンプ送りして該コンクリートを前記シェル中で硬化させることにより形成される内側コンクリートコアを含んでなる複合構造部材。
【請求項２】
前記補強繊維が炭素繊維を含む請求項１記載の複合部材。
【請求項３】
前記ポリマーマトリックスが予定の硬度から硬化したエポキシバインダーを含む請求項１記載の複合部材。
【請求項４】
前記外側シェルが、該シェルの長手軸に対して第１の角度で配向されると共に組み合わされた第1の予定の厚さを有する第１の群の補強繊維、および前記シェルの長手軸に対して第２の角度で配向されると共に組み合わされた第２の予定の厚さを有する第２の群の繊維から形成される請求項１記載の複合部材。
【請求項５】
前記長手軸に対して、前記第１の群の補強繊維が約±10°で配向され、前記第２の群の補強繊維が約90°で配向される請求項４記載の複合部材。
【請求項６】
前記第１の予定の厚さが約0.1〜0.5インチ(約2.54〜12.7mm)である請求項５記載の複合部材。
【請求項７】
前記第２の予定の厚さが約0.005〜0.1インチ(0.13約〜2.54mm)である請求項５記載の複合部材。
【請求項８】
前記シェルが、回転マンドレルの回りに前記補強繊維のフィラメントを巻くことにより形成される請求項５記載の複合部材。
【請求項９】
前記シェルが、さらに、相対的軸変位を抑制するように前記コンクリートコアにかみ合うように適合された内側表面に形成された複数のリブを含む請求項１記載の複合部材。
【請求項１０】
前記リブが、基礎または他の構造部材への接合を収容するようにプラスチックヒンジ領域を規定する前記シェルの少なくとも一つの端部上に形成され、前記リブが、空間を空けて離れると共に、予定の最大設計負荷において前記コンクリートコアの抜け出しを実質的に防止するのに充分な距離内側に延びている請求項９記載の複合部材。
【請求項１１】
前記コンクリートコアが抗収縮剤または膨張剤を含む請求項１記載の複合部材。
【請求項１２】
弾性スペースフレーム構造体を形成するように組み合わされ一緒に接合した請求項１記載の複数の複合部材。
【請求項１３】
未硬化状態のコンクリートを含んでなる繊維補強シェルであって、そのコンクリートは硬化し、硬化後にその場で補強され、前記シェルはそのシェルの長手軸に実質的に平行に配向された補強繊維のポリマー含浸フィラメントを含むと共に組み合わされた第１の予定の壁厚を有する繊維補強シェル。
【請求項１４】
複合構造部材を形成するコンクリートコアと組み合わされる請求項１３記載のシェル。
【請求項１５】
前記補強繊維が炭素繊維を含む請求項１３記載のシェル。
【請求項１６】
前記補強繊維がエポキシバインダーで含浸される請求項１３記載のシェル。
【請求項１７】
さらに、相対的軸変位を抑制するように前記鋳造コンクリートにかみ合うように適合された前記シェルの内側表面に形成された複数のリブを含む請求項１３に記載のシェル。
【請求項１８】
さらに、前記シェルの長手軸に実質的に垂直に配向された補強繊維のポリマー含浸フィラメントを含むと共に組み合わされた第２の予定の壁厚を有する請求項１３記載のシェル。
【請求項１９】
内側空間を有する繊維補強複合シェルを形成する工程、前記内側空間の少なくとも一部をコンクリートで充填する工程、および前記シェルの内側で前記コンクリートを硬化させる工程を含んでなる複合コンクリート構造体を形成する方法。
【請求項２０】
繊維補強複合シェルが、作業場に搬送され、次にその作業場で、コンクリートで充填され得るように作製される請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造コンクリート部材、特に、向上した強度および耐腐食性を有する低コストコンクリート充填補強繊維複合構造部材、および複数の弾性繊維補強複合構造部材を互いに接合させて組み立ておよびメンテナンス費用が少なく地震による衝撃および化学的攻撃に耐性のあるフレームおよび支持構造体を形成するための種々の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造コンクリート部材は、種々の国内工学的用途において、広く受け入れられてきた。高圧縮強度、低コストおよび入手容易性により、コンクリートは、橋の柱、はりおよび支持パイロンのような多くの国内用途に特に適している。
【０００３】
コンクリート部材は、予め形成し、機械的締結機を用いて現場で組み立てることができ、より典型的には、適当な型ワークを用いて現場でその場で鋳造することができる。橋の支持柱のような高強度および/または増加した変形能を必要とする用途において、補強コンクリート部材が用いられることが多い。
【０００４】
従来の補強は、埋め込みスチール補強バー、または通常部材の軸と並べられた構造部材の長さに沿って延びる引張ケーブル/ロッドからなる。地震で動く場合に補強コンクリート構造部材の非弾性変形能および可塑性反応特性を最大限にするように地震地域で用いるために、穏やかなスチール補強が典型的に選択される。
【０００５】
そのような補強構造コンクリート部材の予備形成が可能であるが、その重量故に、実質的距離を運搬するのは困難であり費用がかかる。また、組み立て時に構造部材を位置付けおよび支持するために、重いリフト装置が利用できなくてはならない。現場での形成も可能であるが、(１)所望の形状のコンクリートを鋳造するために適当な一時的現場用型ワークを形成すること、(２)充分な引張能を提供するためにコンクリートの内側でスチール補強またはケージ(溶接しなければならない場合がある)を縛ること、および(３)コンクリートが一旦固まると型ワークを除去および処分すること、が必要であるために、時間が消耗され、組み立て労力が増す。
【０００６】
最初の組み立てが完了した後でも、特に地震の作用を受け易い領域または塩もしくは他の化学試薬に曝される領域において、従来のスチール補強コンクリート構造体を補修および/または維持するのに必要な、さらにかなりのコストがかかることが多い。これは、従来の補強コンクリートが、その設計哲学に基づいて、亀裂して柔軟張力をスチール補強部に付与する必要があるからである。これらの亀裂は、スチール補強バーとしてのコンクリート部材の張力側に、付与された負荷に応じて引張力を形成する。これらの亀裂により、水および空気が入り、スチール補強部が腐食する。このスチールの腐食には、スチール腐食部位の体積膨張が伴う。
【０００７】
経時により、亀裂領域の周囲のスチール補強部の局部的腐食が、コンクリート被覆部を剥離させ、コンクリート部材の構造的一体性を弱め得るが、それにより必要な最低基準および設計許容を下回る。部材の構造的一体性を修復するのに多大な労力を必要とする補修作業が求められることが多く、そのような補修後でもスチール補強部の腐食が続くのが典型的である。
【０００８】
補強バーの予備加圧、または張力後ケーブル/ロッドのような内部支持部を提供することは、補強コンクリート構造部材の名目上の弾性強度を増加させることができ、それにより応力誘発亀裂の量が制限される。Yeeの米国特許5,305,572を参照されたい。しかし、これにより、あまり変性およびエネルギー吸収をすることができず、したがって脆さの欠点を生じ易い、より剛直な構造部材が形成される。通常、特に地震領域において、できるだけ大きな可塑性変性能を保持することが望ましい。
【０００９】
Satoの米国特許4,722,156は、一旦コンクリートが硬化すると補強部としてその場に残ることができるコンクリート構造部材のための型ワークを提供するために、予め形成された外側スチール管またはジャケットの使用を提案している。スチール補強管はコンクリートコアの外側にあるので、スチール補強部の腐食または外部弱化は視党的に調べて補修することができる。
【００１０】
しかしながら、スチール管の欠点は、重く作業が困難なことである。スチール管を組み立てるときに位置付けおよび支持のために現場で重いリフト装置が必要とされる。スチール補強部の付加重量が、望ましくないことに、構造物の地震刺激部分を増加させる。
【００１１】
熟練溶接工も管部材に隣接して溶接することが要求される。そのような溶接は、組み立ての全体コストを増加させるのみならず、溶接接合部が脆性破壊もするので、望ましくない。
【００１２】
さらに、得られる構造体は、スチール補強部材が完全に露出されるので、特に腐食性化学または海洋環境において腐食損傷をなお受け易い。これにより、定期的にスチール管を塗装し、腐食損傷を補修する必要があるので、メンテナンスコストが増加する。
他の文献は、硬化ポリマーマトリックス中に維持された炭素、アラミドまたはガラス繊維のような非腐食性複合材料でバーまたば張力ロッドで、従来のスチール補強バーまたは張力ロッドを置き換えることを提案した。そのような材料は、壁、橋の柱および支持パイロンのような既存の補強コンクリート構造体の地震用改造を約束するものである。Seible,F.,Priestley,M.J.N.,Kingsley,G.R.およびKurkchubasche,A.,著、「Seismic Response of Five Story Full Scale Reinforced Masonry Building」ASCE Journal Of Structural Engineering、1994年3月、120巻、3号、925〜946頁、を参照されたい。
適当な樹脂で繊維材料を含浸しつつ、コンクリート構造部材の外周回りに繊維ストランドを巻き付けることにより地震損傷コンクリート構造部材の外側周囲部に炭素繊維が適用される。これにより、脆性破壊を防止するようにコンクリートの密閉を補助することにより補強コンクリート部材の強度が増加する。Fyleの米国特許5,043,033およびKobatakeらの米国特許4,786,341を参照されたい。
【００１３】
しかしながら、そのような複合材料は、構造的効果および経済性の点で、新しい構造において限定された成功しか納めなかった。アンカー問題や長期クリープ/弛緩のような未解決の技術的困難により、スチール補強バーを炭素繊維ロッドまたは鍵で置換することが躊躇されていた。従来のスチール補強コンクリート部材の数倍に増加した材料コストが、この領域のさらなる研究および発展を阻害してきた。
【００１４】
一方、改造された既存のコンクリート構造体の連続的使用は困難であり時間がかかる。また、炭素繊維は通常、密閉強度を最大限にするために、構造部材の長手軸にほとんど垂直の角度で配向される。
【００１５】
すなわち繊維は、改良構造部材の屈曲変形能に直接大きく貢献することはない。
【００１６】
むしろ、スチール補強部がなお必要とされている。最後に、そのような改良技術は隣接構造部材間の接合の問題に触れなかった。これは、複数の構造部材からなる構造の一体性が、個々の構造部材を一緒に保持する接合の強度および靱性により制限されるので重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
近年、産業において、腐食効果を受けず、軽量の装置および非熟練または半熟練労力を用いて、現場で迅速且つ容易に組み立てることができると共に、実質的に世界の任意の現場において弾性成分として予備形成および運搬することのできる、低コストで軽量の補強構造部材が必要とされている。
【００１８】
したがって本発明の目的は、この要求を満たし、従来の補強コンクリート構造部材の前記欠点および制限を克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一つの態様において、現場において迅速且つ容易に組み立てられ、コンクリートで満たされることにより、コンクリートの圧縮強度特性および複合繊維の引張強度特性を有する複合構造部材を形成する、予備形成された軽量の繊維補強シェルが提供される。高強度繊維材料の比較的高い材料コスト(例えば、炭素は約10〜15ドル/ポンド)に拘わらず、本発明により組み立てられる繊維補強複合システムの全ライフサイクルコストは、匹敵する負荷/変形能を有する従来の補強コンクリート構造システムのコストより驚くほど低くなし得る。
【００２０】
これは、主に、軽量シェルを組み立てるための非熟練または低熟練労力を使用する性能における大きなコスト節約、多大な労力を必要とする型ワークおよび型ワーク除去工程ならびに補強部の置換および結びつけが無いこと、組み立てスケジュールが速いこと、耐久性が高いこと、およびメンテナンスコストが低いことによる。
【００２１】
本発明のもう一つの態様によれば、一つ以上の予め定められた厚さに対して一つ以上の予め定められた角度で巻かれた高度繊維のフィラメントを含む繊維補強シェルであって、各角度および/または厚さが、柔軟設計のための最適の強度および密閉、ならびに所定の全壁厚のためのせん断力を提供するように選択されたものが提供される。シェルは、軽量で、そのため、現場での取り扱いが容易である。シェルは、さらに、要すれば使用することのできるものであるが、さらなる補強が必要無いように長手方向に実質的引張強度能を有するように形成される。
【００２２】
本発明のもう一つの態様によれば、コンクリートコアのシェルに対する動きを防止し、コンクリートコアとシェルとの間の力伝達機構を提供するために、リブまたは類似の特徴を有する繊維補強シェルが提供される。
【００２３】
リブは、隣接構造部材との好適な接合を維持するようにシェルのみの端部に配することができる、または複合部材の長さにわたってコンクリートコアとの適当な結合を提供するために、シェルの内側全体に連続的に提供することができる。
【００２４】
本発明のもう一つの態様によれば、複数の複合構造部材からなるトラス橋(truss bridge)のような空間フレーム構造が提供される。トラス部材は、弾性繊維補強シェルを用いて現場で組み立てられ、次にコンクリートで満たされて得られる構造体を形成する。また、本発明は、複合構造部材からなるアーチ橋またはケーブル補強橋を提供する。
【００２５】
本発明のこれらおよび他の目的および利点は、以下の好ましい態様の記載を、参照図面と共に考慮すると、当業者には容易に明らかとなるが、本発明は開示された特定の好ましい態様により制限されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図1Aおよび図1Bは、本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材100の一部切り欠き図を示す。示される部分複合部材は円筒形状を有し、それは、所定の断面について最も効率的な材料の使用を提供し、最高の構造一体性を提供するので好ましい。
【００２７】
本発明は、円筒構造部材に限定されないが、例としてのみ提供される図2A〜2Cに示されるような種々の他の形状および寸法を用いて実施してもよい。
【００２８】
図2Aは、前述の好ましい円形断面を示す。図2Bは、比較的平坦なはりまたは柱表面を必要とする用途において特定の利点を有し得る密閉矩形、すなわち「conrec」断面を示す。図2Cは、図示されている比較的小さい外側角部半径Rminを有する、実質的正方形断面を示す。
【００２９】
これらおよび他の凸管、角柱状または非角柱形状を、ここに開示の本発明の利益および利点を享受しつつ用いることができる。
【００３０】
以下におよび再び図１を参照してより詳細に説明するように、複合部材100は、通常、繊維補強外側シェルまたはジャケット103、およびシェル103内に注がれ所定の位置で硬化されるコンクリートコア105を有する。
【００３１】
繊維補強シェル
シェル103は、適当なポリマーマトリックスまたはバインダー中に機能できる状態に維持された高強度繊維フィラメントの複数の巻き線を含む。適当な高強度繊維は、例えば、ガラスまたはアラミド繊維、またはより好ましくは高強度炭素繊維を含み得るが、これらに限定されない。
【００３２】
適当なポリマーマトリックス材料は、化学試薬、熱またはUVにより硬化することのできる任意の種々のエポキシ、ビニルエステル、またはポリエステルを含み得るが、これらに限定されない。エポキシ樹脂、およびより具体的にはHercules Aerospace HBRF55Aエポキシ樹脂が、優れた機械的特性および入手性故に、マトリックス材料として特に好ましい。種々の良く知られている添加剤を、必要な場合、作業性、機械的性能および/または燃焼遅延性を向上させるために、またはUV照射からの保護を提供するために非硬化ポリマーマトリックスに添加することができる。
【００３３】
フィラメントは、好ましくは、従来の方法により、回転マンドレルの周囲に高強度フィラメントの綱を巻き付けることにより適用される。綱は、予備含浸材料としてのポリマーバインダーで予備被覆(「乾燥巻き付け」)する、または所望により、マンドレル上への巻き付け(「乾燥巻き付け」)前に樹脂中に飽和させることができる。フィラメント巻き付けは、予定の壁厚「ｔ」を有するシェルを形成するように互いに重ねられる。
【００３４】
好ましくは、予定の設計基準にしたがってシェル103の応力および屈曲特性を提供するように一以上の予め定められた巻き角でマンドレル上に種々のフィラメント層が巻かれる。図示の好ましい態様において、複合部材100の長手軸「ｚ」に対して、それぞれ±10°(長手繊維)および90°(帯筋繊維)の角度で炭素繊維フィラメント107、109を巻く。もちろん、ここに教示の本発明の利益および利点を享受しつつ他の巻き角度を用いてもよい。
巻きフィラメントの層は、波または他のパターンで十字交差してよく、要すれば、設計の考察および材料コストに依存して、分離して別々の層にしてもよい。
【００３５】
例えば、シェル103の内側部分が実質的に全ての90°繊維109からなり、シェル103の外側部分が実質的に全ての±10°繊維107からなるように、フィラメント層を適用して分離部分を形成してよい。逆に、一つの巻き角度におけるフィラメントの層を、異なる巻き角度において巻かれた複数の繊維層の間に挿入することができる。
【００３６】
好ましい作製技術の前記記載は、説明の目的のみのものである。当業者は、本発明による所望の強度およびそれに従う特性を有するシェル103を製造するために種々の他の作製技術を用い得ることを容易に理解する。
【００３７】
他の適当な作製技術は、例えば、回転マンドレルの型への高強度繊維布の適用、マンドレルの型へのランダム配向「切断」繊維の適用、マトリクス材料中の切断繊維の連続的押し出し、または高強度繊維フィラメントからなる管状スリーブの連続織りまたはポリマー被覆を含む。
【００３８】
シェル103の内側表面は、好ましくは、図1Bの部分的切り欠き図に示されるように、少なくともその一部に形成されたリブ115を有する。リブ115は、外側シェル103と内側コンクリートコア105との間に機械的結合かみ合わせを提供する。リブ115は、好ましくは、約0.01〜0.10インチ、およびより好ましくは、0.45インチの高さを有し、従来のスチール補強部材のこぶを有する外側表面を真似るように形成される。もちろん、必要ならば、他の従来の形状および寸法も用いることができる。
【００３９】
リブ115は、同心的、または図1Aに示すように繊維補強複合シェルの一端から所定の深さｄまでつながる螺旋であり得る。またリブ115は、部材100の全長にわたってシェル103とコンクリートコア105との間に機械的結合を提供するように、繊維補強複合シェル103の長さにわたって連続的に延びてよい。好ましくは、リブ115が付着位置においてシェル103の厚さを減少させないように、シェル103の内側表面からコンクリートコア105に延びる上方向突起としてリブ115が形成される。また、各リブ115に隣接するシェル103の厚さを、リブ115により生じる壁厚「ｔ」の変化を補うように増加させることができる。
【００４０】
コンクリートコア
コンクリートコア105は、所望により添加された砂または骨材を有する従来のモルタルまたはコンクリートグラウトを含んでよい。また、コンクリートコア105は、特殊セメント、骨材またはグラウト、例えば軽量コンクリート、起泡コンクリート、または良く知られており建築産業において容易に入手される他の硬化性石工固体の任意の一種から全体がまたは部分的になってよい。
【００４１】
作業性の向上および/または向上した構造的特性の提供のために、種々の添加剤を未硬化コンクリートコア105に混入することができる。シェル103が、硬化コンクリートコア105に対して充分な最小限定圧力を維持するように、硬化中にコンクリートコア105の過剰収縮を防止する、または硬化中にコンクリートコア105を膨張させるために、他の良く知られている添加剤を添加することができる。パラメーターの研究に基づいて、εｄ=約0.001インチの膨張ひずみが、プラスチックヒンジまたは「変位」領域において充分な制限圧力を提供することがわかった。
【００４２】
コンクリートコア105が、最初に、液体または非硬化状態の繊維補強複合シェル103に注がれる。所望により、ボイドの形成を抑制するようにシェル103中のコンクリートを静めるために、機械的撹拌器または他の振動器を用いることができる。コンクリート希釈剤、砂または細分粒子も、均質ボイド非含有コンクリートコア105の製造に役立ち得る。
任意のスチール補強部材または後引張ケーブル/ロッド(図示せず)を、強度添加のためにコンクリートコア105中に提供してよいが、ここに開示の本発明の実施は供給されない。
【００４３】
複合柱/パイロン設計
本発明を、広範囲の国内工学および構造設計用とに適用することが考えられるが、初期の発達は、繊維補強複合柱支持体およびパイロンに集中されていた。したがって、以下の詳細な記載は特に、種々の複合柱指示部材の設計に関するが、ここに開示の原理および設計技術は、はり、接合部、トラス、アーチ等の他の複合構造部材の設計に同様に適用し得ることを留意すべきである。
【００４４】
図3Aおよび3Bは、本発明の特徴を有する繊維補強複合柱部材の二つの別の態様を示す。図3Aの複合柱は、最大の可塑性反応および変形能のために設計されており、地震の作用を受け易い領域において好ましく用いられる。図3Bの複合柱は、最大強度のために設計され、非地震領域または平均的地盤刺激を有する地震領域において好ましく用いられる。
【００４５】
図3Aに示される態様で始まって、複合部材120は、図示するように、内径「D」の繊維補強外側シェル123および実質的に等しい外径の内側コンクリートコア121を含む。複合柱120は、複数の軟質スチールスターター「starter」バー125を介して基礎129に設けられる。当業者は、スターターバー125およびシェルにより提供される密閉が、地震のショックの場合に柱120の可塑性対応を最大限にするプラスチックヒンジを形成することを理解する。
【００４６】
基礎およびスターターバー125をそこに位置づけるための型ワークを形成することにより、柱120が基礎129に固定される。バー125は、好ましくはL字型またはT字型であり、図示するように、各バーの下側端部が放射状に外側および/または内側に延びている状態で、空間をおいた円形パター内に配される。スターターバーの上側垂直部分は、予定の間隔「L」で上側に延びてシェル123に入り、シェル123の内径「D」より小さい、約１〜５インチ、より好ましくは3インチの直径を有する仮想円筒を定める。要すれば、スターターバーの下側垂直部分は、補強ケージ128を形成するための従来の組み立て法を用いてスターターバー部材125の周囲に連続的に、ラッピングにより一つ以上の補強部材126と一緒に結び付けて良い。
【００４７】
スターターバー125を所定の位置に固体した後、基礎129を注ぎ、コンクリートを硬化させる。次に、シェル123をスターターバー125の上に置き、筋違、足場組または他の適当な支持構造体を用いて所定の位置に固定される。複合柱120の大きな角度範囲の場合に、シェル123の破壊を防止hするために、シェル123の基部と基礎129の上側表面との間に小さいギャップ127が好ましく設けられる。大部分の用途において、約0.5〜3.0インチ、より好ましくは約1.0インチのギャップ127が充分であるはずである。要すれば、非硬化状態においてコンクリートコア121の漏れを防止するために、基礎129の上側表面にシェル123を封止するように、ゴム、泡または金属リング(図示せず)のような伸展性材料をギャップ127内に配することができる。
【００４８】
シェル123が基礎129に一旦固定(要すれば封止)されると、次にコンクリートがシェル123内に所望の水準まで注がれる。柱120の上側に第2の接合部が必要である場合、これはコンクリートコア121を注ぐ前に所定の位置に配する、または接合部を相内に形成することができる。例えば、コンクリートを第1の水準まで注ぎ、硬化させて、さらなる継ぎ手または接合部を所定の位置に固定し、次に、第2の水準まで注ぎ、支持フレーム構造体を形成するのに必要なだけプロセスを繰り返す。
【００４９】
先に簡単に述べたように、コンクリート混合物を固めボイドの形成を抑制するために、コンクリートコア121を注ぐときに、機械的撹拌器または振動器を用いることができる。また、コンクリートをシェル123内にポンプで圧入し、加圧下に封止して実質的に同じ所望の結果を得る。前述のように、コンクリートコア121に対して充分な密閉圧が維持されるように、非収縮または膨張性コンクリートも使用することができる。大幅な収縮が予想される場合、シェル123とコンクリートコア121との間の機械的かみ合わせを維持するために、リブ115(図1B)の寸法を増すこともできる。
【００５０】
図3Bに示す別の態様において、シェル139が、図示するように、より高い予想される圧力を収容するように深さが大きくなる、基礎137内に直接延びる。一旦シェル139が所定の位置に固定されると、コンクリートコア140および足場137が同時に鋳造される。要すれば、図3Cに示すように、複合柱135と基礎137との間に伸展性変位を提供するために、足場の界面において柱135の基部の周囲に変位領域141を設けることができる。変位領域141の寸法は所望により変化することができるが、好ましくは、足場137の上部から５〜12インチ内において少しずつ０まで狭くなる最も大きな地点において複合柱135の直径より１〜３インチ大きい。
【００５１】
当業者は、ここに教示の利益および利点を享受しつつ、種々の他の形状および寸法を用いて得ることを容易に理解する。変位領域141は、好ましくは、コンクリートよりも弾性率が低い、より好ましくはコンクリートの約1/2の弾性率を有する構造体接着剤のような伸展性材料を含む。
【００５２】
シェルの軸が抜けないような抵抗を加えるために、シェル139の下側端部に、要すれば、外側に延びるリップまたはフランジを形成することもできる。所望により、水平アンカーバーを収容するために、複合部材135内に穴を設けることもできる。また、当業者は、前述の本発明の利益および利点を享受しつつ、基礎または他の構造体に複合部材を固定するために、多くの他の適当な方法および接合道具を持ち得ることを容易に理解する。
【００５３】
設計法
本発明により形成された繊維補強複合構造部材の有利な特徴は、繊維補強シェルを形成するために繊維配向および積層配列の適当な配置を選択することにより複合部材の居油土および伸展性特性を正確に調節する性能である。最も単純な場合、シェルの長さに沿って均一に適当された高強度フィラメントからシェルを作製することができる。
【００５４】
また、必要な領域のみに強度および伸展性を提供するように、フィラメント層の配向および/または厚さをシェルの長さに沿って変化させることができる。繊維補強シェルの強度特性を調節する性能は、さもなければスチールのような従来の材料より費用のかかる原料をより効率的に用いさせるので、本発明の重要な利点である。
【００５５】
本発明の複合構造部材の効率的設計は、柔軟性、せん断および密閉の三つの基本的作動を考慮する性能設計手段により首尾良く導くことができる。
【００５６】
各々を以下に考察する:
柔軟性の設計
本発明により形成される複合部材の柔軟性能は、所定の5負荷において所定の断面で力およびモーメント平衡を維持するために必要なシェル壁厚の評価に基づく。力平衡状態が、図4A〜4Dにおいて図示される。
【００５７】
図4Aに示すように、設計負荷P下の複合部材100を所定の公称設計性能モーメントMμに付すると、領域151において分配されたコンクリートにおける圧縮力Fcが得られる。この圧縮力は、図4Cおよび4Dに示すように、中性軸「ｎ」の反対側のシェル103の部分153における引っ張り力Fjにより逆に作用する。
【００５８】
複合部材の所定の断面積において、平衡条件は、以下のように数学的に示される:
Ｆj＋Ｐ＝Ｆc
Ｍj＋Ｍc＋Ｍp＝Ｍn（１）
式中:
・P=公称軸負荷
・Fj=繊維配向を考慮に入れた、繊維補強複合シェルの最大引張力成分
・Fc=コンクリートコアの最大圧縮力成分
・Mj=繊維補強複合シェルにより供給される最大モーメント成分
・Mc=コンクリートコアにより供給される最大モーメント成分
・Mp=軸負荷Pにより供給される結果としてのモーメント成分
・Mn=コンクリート充填複合部材の公称設計モーメント
前記式において、Fj、MjおよびFc、Mc嵐は、円形状の回りの外側シェルにおける応力を積分し、断面の圧縮部分におけるコンクリートコアへの圧縮応力を積分することにより決められる。応力は、極限負荷条件により定められる線形ひずみ状態に基づいて評価される。繊維補強複合シェルにおける応力は、各々の選択された繊維配向に相当する平衡弾性モジュールに基づいて計算される。この場合、巻き角度θ=０°(製造を考慮すると実用的下限は約±10°)を有する長手繊維は湾曲最大強度を提供する。
【００５９】
コンクリートコアにおける圧縮強度は、Manderら著「Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete」,Journal of Structural Engineering，ASCE，第114巻8号1998年8月1804〜26頁に(ここに参考として取り入れる)により提案された密閉コンクリート応力−歪モデルに基づいて計算される。
【００６０】
前記式を合わせ、平衡条件を解決することにより、公称設計モーメント性能Mnを支持するのに必要な所定の巻き角度のための予想される最小シェル壁厚さが誘導される。シェルとコンクリートコアとの間のスリップも、このモデルにおいて、シェル内側面に提供されるリブの寸法に基づいて考慮することができる。
【００６１】
せん断の設計
本発明により形成される複合部材のせん断力性能は、Priestleyら著「Seismic Shear Strength of Reinforced Concrete Columns」,Journal of Structural Engineering，ASCE,第120巻8号1994年8月2310〜29頁(ここに参考として取り入れる)により提案された予想的せん断カモデルに基づいて決められる。このモデルにおいて、複合構造部材のせん断力は、以下の三つの独立した成分からなると考えられる:その大きさがコンクリートの可塑性に依存するコンクリート成分Vc、その大きさが構造部材の偏平比(長さ対直径)に依存する軸負荷成分Vp、および、その大きさがこの場合はシェル補強の効果的力に依存するトラス成分Vj。
【００６２】
この平衡条件を以下に述べる:
Ｖn＝Ｖc＋Ｖp＋Ｖj（２）
複合部材の全せん断力への外側シェルの貢献度Vjは、図5に示すように、軸「ｚ」に対する推定45°せん断平面(すなわち、亀裂パターン)に基づく。巻き角度±θiでの複数繊維配向において、トラス成分Vjは以下のように表される:
【００６３】
【数１】
2007247401.tif 000003
【００６４】
式中:
・n=巻き角数
・D=断面直径
・ｔi=巻き角度±θiについてのシェル壁厚さ
・φ=材料強度減少因子；および
・ｆσ=配向角度δにおける補強繊維の極限引張力
ここでも、巻き角θ約０°(実用的下限約±10°)を有する長手繊維が最大せん断力を提供する。
【００６５】
密閉の設計
湾曲およびせん断設計について前述したように、本発明により形成した複合部材の密閉性能は、最大負荷条件下に平衡を維持するのに必要なシェル壁厚の評価に基づく。この場合、密閉供給は、複合部材の設計、特に、部材がプラスチックヒンジまたはスターターバーに接続するプラスチックヒンジ領域を含むかどうかに依存して変化する。
【００６６】
プラスチックヒンジ領域において、密閉または締め付け性能は、繊維補強シェル123の直接引張引抜時にスターターバー125(図3A)の外周部の回りに生じる結合損傷機構に基づく。
【００６７】
この領域において、設計手段は、従来のラップ接合の密閉のための許容された原理に基づく。Priestleyら著:「Design Guidelines for Assessment Retrofit and Repair of Bridges for Seismic Performance」,Research Report SSRP-92/01,Department of Applied Mechanics and Engineering Sciences）カリフォルニア大学、サンジエゴ、ラ・ジョラ、カリフォルニア州92093、1992年8月(ここに参考として取り込む)を参照されたい。
【００６８】
これらの原理および実験研究に基づき、プラスチックヒンジ領域の端部において直径Dを有する複合柱部材の公称必要膨張歪みを以下のように推定することができる:
εcu=0.004+2.5ρｆujεuj/ｆ'cc （４）
式中:ρ=体積密閉比=4ｔ/D
・ｆujεuj=繊維配向を考慮にいれた、シェルの、それぞれ極限許容膨張応力およびひずみ
・ｆ'cc=密閉コンクリートについてのManderの応力−ひずみモデル基づくコンクリートコアの圧縮強度
【００６９】
【数２】
2007247401.tif 000004
【００７０】
式中:
・ｆ1=所望の密閉圧;および
・ｆ'c=非密閉コンクリートの公称圧縮強度
部材軸に垂直な部分における平面内力の平衡により、以下のような、必要推定最小ジャケット厚ｔiの式が選られる。
ｔi＝０．１（εcu−０．００４）Ｄｆ'cc／ｆujεuj（６）
巻き角θ=90°において配向された繊維(「帯筋繊維」)は、最大密閉強度を提供する。したがって、一つの従来の設計手段は、最初に必要な屈曲およびせん断力を提供するのに必要な長手繊維(θ約±10°)の層の数を決め、次に、前記式を用いて、充分な密閉強度を提供するのに必要な帯筋繊維のさらなる層の数を決めることである。また、所定のシェル断面について必要な屈曲、せん断および密閉性能を提供するのに必要な最小および/または最大均一巻き角±θ１のために、前記式を同時に解く。
プラスチックヒンジ領域の外側において、目的の設計は、従来の補強コンクリート部材の性能に適合するような充分な密閉圧力を提供するのみである。
パラメーターの研究を通して、約0.001〜0.008インチ、より好ましくは約0.004インチの膨張ひずみεｄにおいて約150〜600psi(１〜４MPa)、より好ましくは約300psi(２MPa)の密閉圧力が、大部分の用途に許容できる性能を提供することが決められた。
好ましい範囲に基づいて、本発明により形成された複合部材の中央領域において必要な巻き角±θiに対する最小シェル壁厚「ti」は、以下のように計算することができる：
【００７１】
【数３】
2007247401.tif 000005
【００７２】
式中:
・D=シェルの内径
・ｆl=所望の密閉圧、および
・Ｅθ=巻き角±θiに対する膨張時のシェルの有効弾性モジュール
有利なことに、当業者は、所望のシェル強度および可塑性特徴を提供するために有効な複数フィラメント層の巻き角およびシェル厚を決めるために本発明の教示に従って、前記の設計手順、式および指針を用い得ることを理解する。
【実施例】
【００７３】
以下の実施例は、本発明により作製された繊維補強複合構造部材の幾つかの構造を示す。これらの実施例は、説明の目的のみに提供され、いかなる場合にもここに開示され記載された本発明を制限するものと解すべきでない。
【００７４】
実施例１（「ＣＳ１」）
第１の繊維補強複合構造部材(「CS1」)を、ユタ州ソルトレークシティー在Hercules Aerospace CompanyにおけるPlant No.2フィラメント巻き装置において、パイプ、容器、ケースおよびそのように形成される他の構造体の製造において用いられる従来のフィラメント巻き方法を用いて製造した。予定の巻きパターンにより回転マンドリル上に、補強繊維フィラメントの複数の短線を巻き、自動的に層形成することによりシェルを形成した。
マンドリルは、切断バルサ木材が適用されるスチールフレームから形成された従来の「中断」タイプのものであった。マンドリルとの相互作用時に構造プライへの表面損傷を避けるためにシェルの内側表面を形成するために、トレーサー炭素布繊維AW37D-5Hは使用しなかった。
【００７５】
次に、シェルに、Hercules HBRF-55Aエポキシ樹胞系に含浸したAS4D-GP(12K)炭素繊維を巻き付けた。高強度フィラメントの短線を張力下にマンドリルに巻きつけて、実質的に穴の無い繊維複合材料の均一列または添を提供した。材料の実質的均一コンシステンシーを達成するための必要により分離層を適用した。
【００７６】
巻きおよび被覆順は、積層材料の充分な品質制御を確保し、均一な比較的ボイドの無い構造を提供するように調整された厚さのための従来の方法によった。
【００７７】
マンドリル内に螺旋溝を形成することによりプラスチックヒンジ領域においてシェルの内側部分に螺旋リブを形成した。リブの大きさは、0.045インチ(1.2mm)の角形で、ピッチが0.5インチ(13mm)で、シェルの各端部から内側に40インチ(1m)延びている。CS1を、図3Aに示し記載するように、現場(USCD試験場所)で組み立てコンクリートを充填した。以下の表１は、実施例１に従い図3Aに示されるように形成された繊維補強複合構造部材の種々のパラメーターを要約している。
【００７８】
【表１】
2007247401.tif 000006
【００７９】
実施例２（「ＣＳ２」）
実施例１に記載のものと類似の手順および材料を用いて、Hercules Aerospace CompanyにおけるPlant No.2フィラメント巻き装置において、実施例２の繊維補強複合構造部材も製造した。しかしながら、この場合、長さに添って均一な厚さを有し、設計性能要求により決められる、±10°繊維から大部分がなるシェルを形成した。これは、実施例２によ形成された構造部材は、3Bに示すように基礎に直接延びるように設計されているからである。また、複合部材を基礎に固定するのにこの場合はスターターバーを用いなかったので、実施例２のシェルの内側にリブは設けなかった。
【００８０】
CS２シェルを、図3Bに示し記載するように、現場(USCD試験場所)で組み立てコンクリートを充填した。以下の表２は、実施例１に従い図3Bに示されるように実施例２により形成された繊維補強複合構造部材の種々のパラメーターを要約している。
【００８１】
【表２】
2007247401.tif 000007
【００８２】
図6A〜6Dは、それぞれ実施例１および２により形成され図3Aおよび3Bにより組み立てられた複合部材の可塑性反応特性を、従来のスチール補強橋(「建設時」)のものと比較して示す。試験柱は、各々、実施例１の側部が5.5フィートで深さが19インチ(483mm)の矩形基礎、および実施例２の深さ36インチ(914mm)の建設した柱の上に支持した。建設した柱は、約1インチ(25.4mm)のメインバーへの透明カバーを有する、長手スチール比2.66%に相当する、連続長手補強の20＃７ G60スチールバーを含んでいた。ピッチが2.25インチ(57mm)である#3 G60スチールスパイラルにより横方向補強を提供した。
【００８３】
単方向地震衝撃を刺激する円筒横方向負荷および設計負荷に相当する400Kips(1780KN)の一定軸負荷に、各試験柱を付した。試験床に予め張力をかけた高強度バーにより、軸負荷を各柱に適用した。高逆転性水圧アクチュエータにより、各柱の上部に横方向負荷を付与した。各カラムを、最初に12.5kips(55.6KN)の増加割合での増加負荷変位において試験し、次に変位制御により試験した。
【００８４】
図6Bは、実施例１により形成した柱の力変位曲線を示す。柱は、損傷につながる一定の履歴負荷変位特性を示す。損傷の開始前に、変位比(△I/l 8.6%)に相当する12.4インチ(315mm)の最高上部変位に達した。
【００８５】
図6Cは、実施例２により形成した柱の力変位曲線を示す。この場合、柱の挙動は、図示するように、約37.4kips(166KN)の負荷の適用および0.53インチ(13mm)の上部変位までは、本質的に線形弾性であった。最大負荷反応は、上部変位が3.05インチ(77.51mm)で115kips(512KN)において達成された。僅かな非線形反応が見つかり、それは、基礎ブロックからの繊維補強複合シェルのスリップおよび得られるコンクリートコアの脱結合の効果によると考えられる。図6Dは、各試験柱の力変位の結果を要約する。示されるように、実施例１により形成された試験柱は、従来の建設時柱と殆ど同じ置換変位曲線を有することがわかった。実施例２により形成された試験柱は、図示されているように、やや鋭敏な反応曲線を有しており、それは複合部材の増加して剛直制および低下した可塑性を示してる。
以下の表３は、前記実施例１および２により形成され試験された繊維補強複合構造部材の平均的機械的特性を要約する。
【００８６】
【表３】
2007247401.tif 000008
【００８７】
組み立て/接合
種々の方法および接合装置を用いて本発明の繊維補強複合構造部材を組み立てて、支持フレームまたは空間トラス構造を形成した。しかしながら必要により、所望の強度および/または伸展特性を有する一体性の高い構造を提供するのに特に適している幾つかの改良されたコネクターを一つを用いることが好ましい。幾つかのそのような改良されたコネクターおよび接合技術の例が、以下により詳細に説明する図7〜14に示されている。
【００８８】
図7〜13は、一つのコンクリート充填繊維補強複合部材を軸において他の部材につなぐための種々の接合(splice)コネクターを示している。そのような接合は例えば、必要により、トラススパン部材または他の構造支持部材を形成するように、複数の繊維補強複合部材を合わせるために用いることができる。図7Aおよび7Bは、二つの隣接繊維補強シェル203、205を接合するために内側カプラー201を用いることを示している。カプラー201は、接合すべきシェルに匹敵する強度および伸展性を有する繊維補強複合部材から形成される。
カプラー201は、各シェル203,205の端部の内側に確実に固定させる外径Dを有する。カプラー201は、エポキシのような適当な接着剤を用いることにより、各シェル203,205に固定される。また、機械的締結器または他の従来の手段を用いることができる。カプラー201は、カプラーを各隣接シェル内に距離1/2Lt延ばさせる長さLtを有する。
【００８９】
この距離は、カプラーが最大設計負荷において引き出されないように、各シェルとカプラー201との間の適当な結合領域を提供するように選択される。約5D〜2D、より好ましくは約Dの長さを有するカプラー201は、シェルをカプラーに結合するために選択される特定の接着剤に依存して、大部分の用途において適当な結果を提供するはずである。
【００９０】
シェル203,205が一旦、カプラー201に固定されると、得られる構造体はコンクリートを充填して所望の複合構造体を形成することができる。必要により、コンクリートをシェル203、205にポンプ送りさせるために必要な場合、任意のグラウト開口(図示せず)を設けてよい。グラウト開口は、切断、穿孔、または機会操作により所定部位に形成することができ、また、小さな開口として、すなわち選択的に所定位置に切り抜かれグラウト詰め後所定位置にラミネートすることのできる「ノックアウト」として設けることができる。
【００９１】
別の態様において、カプラー201を、シェル203または205のいずれかの一端に一体的に形成し得ることが考えられる。このようにして、一つのシェルの雄端部をもう一つのシェルの雌端部に単に挿入するだけで互いに接続して連続複合部材を形成することのできる、作製されたシェルを提供することができる。
【００９２】
図8は、別の接合コネクターおよび直径Dの隣接シェル213,215を接合させる方法を説明している。この方法において、長さLの複数のコネクターバー211が、図示するようにシェル213,215の各々に1/2Lの距離延びるように、接合すべき二つのシェルの間に提供される。D〜４D、より好ましくは約２Dである適当なコネクターバーの長さLは、大部分の用途において好適な結果を提供する。
【００９３】
コネクターバー211は、当業者に知られている、任意の数の従来の軟質スチールまたは繊維複合補強材からなってよい。例えば、＃7 G60スチールバーを用いることができる。また、コネクターバーは、接合の強度および伸展性要求に依存して、所望により、予備加圧または硬化スチールまたは繊維複合材料を含むことができる。
【００９４】
複合柱部材を接合するために、下側シェル部材において所定の位置でコネクターバー211をまず鋳造することができる。下側シェルにおいてコンクリートが一旦充分に硬化すると、次に、コネクターバー211の延長端部におよぶ所定の位置で第2のシェルを固定することができ、組み合わせ構造体はコンクリートが所望の水準に充填される。複合はり、および角を有する部材を接合するために、接着剤、スペーサー、または他の適当な手段を用いてコネクターバーを所定の位置に固定させることが必要となり得る。
【００９５】
好ましくは、プラスチックヒンジ領域においてコンクリート挿入コネクターバーへの充分な機械的結合を確保するために、少なくともその内側表面219の一部においてリブを有するようにシェル213、215が形成される。後引張のために、注入中にコンクリートコア207を封止し、たわみまたは屈曲中のシェルの破壊を防止するように隣接シェル間の伸展性圧縮界面を提供するために、隣接シェル213,215の間の界面に任意の封止または膨張ジョイント(図示せず)を提供することができる。
【００９６】
図9Aおよび9Bは、隣接シェル223,225のための接合コネクターのもう一つの別の態様を示す。この方法において、シェル223および225は、図示するように、軸配列され、互いに隣接される。後引張バーまたはケーブル221が、二つのシェル223,225を通して軸に沿う様に配置され、適当な張力調整アンカー(図示せず)により固定される。後引張バー221は、所望によりスチールまたは他の適当な材料から作製される一つ以上の緊張材(tendon)を含んでよい。
【００９７】
要すれば、コンクリートコア227への初期の結合を防止するために、波打被覆材またはPVCパイプのような任意のスリーブを引張バー221の回りに設けることができる。引張後バーが一旦所定の位置に配されると、次に、シェル223,225にコンクリートコア227が充填され、組み合わせが硬化させる。次に、複合部材を予め定めされた力で一緒にするために、引張バーを締め付け調節する。
【００９８】
ここでも、湿潤コンクリートの浸透に対して封止するため、また、正常屈曲中に繊維補強複合シェルの破壊を制限するように膨張ジョイントまたは圧縮ジョイントを提供するために、シェル223,225の隣接面の間に任意の封止または膨張ジョイント(図示せず)を設けることができる。
【００９９】
図10Aおよび10Bは、接合(splice)コネクター、および図7〜9において前述したコネクターおよび接合技術の種々の特徴および利点を組み合わせる方法を示している。
図11Aおよび11Bは、直径Dの隣接繊維補強複合シェル243,245を接合するためのねじ付き接合コネクターを示している。カプラー201は、好ましくは、接合すべき隣接シェルに匹敵する強度および伸展性能を有する繊維補強複合材料から形成される。
【０１００】
各隣接シェル243,245の端部は、ネジ付きカプラー241上に形成された外側「スクリュー・ジャック」ねじに相当する内側ねじを有するように形成される。これらのねじは、先に記載したリブと類似の方法で設けることができる、または、米国特許5,233,737に開示のような他の良く知られている繊維複合体作製技術により設けることができる。
【０１０１】
ねじ付きカプラー241の長さLcは、好ましくは、ねじのせん断強度を考慮に入れて、設計負荷においてシェル/カプラーの引き抜きを防止するのに充分な長さである。約5D〜2D、より好ましくは約Dの長さLcは、大部分の目的において適当な結果を提供するはずである。要すれば、より確実な固定を提供するために、ねじ付きカプラー241をシェル243、245に結合してよい。
【０１０２】
後引張のために、たわみまたは屈曲中のシェルの破壊を防止するように繊維補強シェル243、245の隣接表面間に任意の圧縮ジョイントまたは膨張ジョイント(図示せず)を提供することができる。また、形成および組み立て中に長さを調節するために、シェル243,245の対向表面間にギャップ242を設けることができる。
【０１０３】
シェルが一旦所定の位置に配されるが、ねじ付きカプラー242がスクリュー・ジャックのように回転してシェルを引き合せる。次に、組み合わせ構造体をコンクリート242で充填して選られる複合はりまたは柱を形成する。
【０１０４】
また、シェル243、245のいずれか一つを用いて、各シェルの一端が雄ねじ端部を有し、組み合わされるシェルの反対端が対応する雌ねじ端部を有するようにして、ねじ付きカプラー241を一体に形成することができると考えられる。
【０１０５】
これは、シェル作製プロセスそのものにおいて、または、分離したねじ付きカプラーを作製シェルの端部に工場で結合することにより行うことができる。このようにして、一つのシェルの雄端部をもう一つの隣接シェルの雌端部にねじ入れするのみで、作製シェルを一緒に組み合わせて構造体を形成することができる。
【０１０６】
図12Aおよび12Bは、水平または角付き複合はり部材に特に適用される図8Aおよび8Bに示す接合コネクターの一つの可能な態様を示している。この方法においてシェルコンクリートで充填しつつ、周囲に空間のあるコネクターバー251を所定の構造で維持するためにスペーサーリング252a、bが用いられる。
【０１０７】
ここでも、コネクターバー251の領域における適当な充填を確保しつつ、コネクターバーを調節し、コンクリートを水平または角付きシェル253、255にポンプ送りするために、アクセスまたはグラウト穴254を設けることができる。
【０１０８】
図12Bに示すように、スペーサーリング252a、bは、適当な材料から形成され、シェル253,255の対応する内径Dにほぼ等しい外径を有する環状リングである。コネクターバー251の挿入および支持を収容するように、中央外周部に添って複数の間隔を置いた開口が設けられる。
【０１０９】
組み立て中に、一つのスペーサー252aを、対応するシェル253の端部に、コネクターバー251を受け入れ支持するのに充分な深さまで挿入することができる。
【０１１０】
次に、コネクターバーを、環状に間隔を有するように支持されるように、スペーサー252a内の対応する穴に挿入する。
【０１１１】
次に、第2のスペーサーリング252aを、円筒状ケージを形成するように、コネクターバー251の他の端部に置く。次に、シェル255を、図示するように、スペーサーリング252bおよび補強バー251の端部上に固定し、所定の位置に支持する。接合したシェルに、次に、所望によりコンクリート257を満たして複合はりを形成する。
【０１１２】
また、複合はりの充分な確保するために、所望により、プラスチックヒンジ領域内にコンクリートをポンプ送りすることができる。例えば、繊維補強シェルの固有強度によってのみはりの支持が提供されるように、中央領域全体においてシェル253、255の一方または両方を空で放置することが望ましいかもしれない。
【０１１３】
これは、例えば、実質的屈曲または圧縮負荷を伝達するためにはりが必要とされない場合、またははり支持が引張負荷のみである場合に望ましいかもしれない。
【０１１４】
この特徴は、得られる構造体の地震刺激塊部を最小化するのが望ましい場合、コンクリート材料コストを節約し、地震領域に軽量フレームを構築するために、特別の利点を有し得る。この目的のために、空にしておくことが望ましい場合、シェル253、255の中央領域へのコンクリートの貫通を防止するために、それぞれグラウトアクセス穴254a、254bの左側および右側にプラグまたはディスク(図示せず)を挿入することができる。
【０１１５】
図13Aおよび13Bは、スライドヒンジカプラー261を用いて、直径Dの隣接シェル263,265を接合するため半可塑性接合コネクターのもう一つの別の態様を示す。
【０１１６】
ヒンジカプラー261は、接合されるシェルに匹敵する強度および伸展特徴を有する繊維補強複合材料から好ましく形成される。このヒンジカプラー261は、各シェルの端部上をスライドし得るように、シェル263,265の直径より僅かに大きな直径を有する。
【０１１７】
ヒンジカプラー261は、必要な結合のためにシェルに充分に重ねあわせ、隣接シェル間の任意のギャップ266を許容するのに充分な長さLcを有する。約D〜４D、より好ましくは約２Dの長さLcを有するヒンジカプラー261は、ギャップ266の大きさ、およびシェルをカプラーに結合するために選択される特定の接着剤に依存して、大部分の用途に充分な結果を提供すべきである。
【０１１８】
組み立て中、スライドヒンジカプラー261が、シェル263または265の一つの端部に挿入され、対向シェル265が図示されるように配される。構築の許容性のために、隣接シェルの間にギャップ266が存在することが多い。シェルは軸配列されているので、図示されるように、ヒンジカプラー261が、シェル263、265上をギャップ266を橋渡してスライドする。次に、シェルにコンクリートが充填されて複合構造体が形成される。強度を加えるために、所望により、前述の方法の任意の一つを用いて、所定の位置に任意の補強バー262を固定することができる。
【０１１９】
図14A〜14Dは、一つ以上の複合構造部材の間に逆または曲がった接合を提供するための本発明の特徴を有する十字型コネクターを示す。平面十字コネクター301が示されているが、当業者は、広範囲の他の平面または空間コネクター形状および寸法、例えばコーナー、角、"L's、T's等を本発明の教示に従って用い得ることを理解する。好ましくは、これらを、弾性複合構造体を組み立てるためのカタログから選ぶまたは保存することのできる標準的弾性要素として予備作製することができる。
【０１２０】
示される十字形コネクターは、繊維補強シェルとして形成され、「ｚ」軸に沿って軸方向に延びている垂直配向コネクター体303を含む。コネクター体303の長さは、設計性能における結合強度要求を考慮して、所望により変化し得る。作製したコネクターにおいて、例えば、標準的コネクターを廉価に製造、貯蔵および運搬し得るように、寸法および重量を最小化するために比較的短いコネクター体長を提供することが望ましい。
【０１２１】
好ましくは、そのように作製されたコネクターは、現場において一人の建築作業者により取り扱うことができるのに充分な寸法および形状である。一方、現場での作製において、コネクター体303は隣接複合柱部材の中央領域を含む可能性が最も高いので、コネクター体303の長さはあまり重要でなくなる。
コネクター延長部305a、bが所望の角度で垂直体303から横方向に延びて、ここに記載のように、隣接シェル307、309を接合するために好適な構造が提供される。コネクター延長部305a、bは、各々一端が切断されて、コネクター体303の外側円筒表面と組み合わされるように適合された横方向円筒表面を形成し、および好ましくは、適当な接着剤および/または繊維ラミネートを用いて所定の位置に結合される。好ましくは、各コネクター延長部305a、bの内側表面は、ここに記載のように、コンクリートコア314とコネクター体303との間に優れた機械的結合を提供するためにそこに形成されたリブを有する。
コネクターバー309とスライドヒンジスリーブ311a,311bが、図示するように、隣接ビーム部材の間にプラスチックヒンジ接合を提供する。ヒンジスリーブ311a,311bは、好ましくは、コンクリートコア314上に充分な密閉圧力を維持するのに充分な帯筋繊維を主に含んでなる適当な繊維複合材料からなる。スリーブ311a、311bは、好ましくは、その端部上をスライドし得るように、対応するシェル307およびコネクター延長部305a、305bの直径に等しいまたは僅かに大きな直径を有する。
【０１２２】
組み立て中、コネクター301が所定の位置で配置または作製される。図14Aに示すようにコネクター体303を通過し一方側に動くコネクターバー309の挿入を収容するようにコネクター体303を通して横方向に穴が形成される。端部上に配されたスライドヒンジスリーブ311aを有する隣接シェル307が、組み合わされるコネクター延長部305aに隣接する位置に運ばれる。
【０１２３】
次に、補強バーを、シェル307内に延びるように、コネクター体303の他の側に移動させる。次に、第2のシェル309を、図示され、端部上に配される対応するスライドヒンジスリーブ311bを有する位置に移動される。次に、コネクターバー309を中心に置き、図14Cおよび14Dに示されるように、シェル307および309がコネクター延長部305a、bに組み合わされる。
【０１２４】
次に、ヒンジスリーブ311aおよび311bが所定の位置にスライドされ、各コネクター延長部305a、bおよび対応するシェル307、309の間の界面において中心に置かれる。最後に、コンクリートコア314が各シェル307、309中に注がれまたはポンプ送りされ、硬化されて図14Dに示す複合構造体を形成する。
【０１２５】
前述したように、ヒンジスリーブ311a、bは、好ましくは、主に帯筋繊維を用いて形成される。当業者は、ヒンジスリーブ311a、bの主な目的が隣接組み合わせ部材間のギャップを橋渡しし、大きなプラスチック変形性能を提供するようにシェルおよびコネクター延長部のプラスチックヒンジ領域において向上した帯筋強度および密閉を提供することであると理解する。さらに、図7A,10A,11Aおよび13Aに示す接合カプラーとは異なり、ヒンジスリーブ311a,bは、好ましくは、プラスチックヒンジコネクター301の所望の可塑性反応を制限するので、屈曲応力への充分な耐性は提供しない。
【０１２６】
また、二つまたはそれ以上の隣接複合構造部材間に充分な弾性または非可塑性接合を提供することが望ましい場合がある。これは、図7A、10A、11Aおよび13Aに示す接合カプラーの一つ以上を利用するようにコネクター301を修正するのみで容易に収容することができる。
空間フレーム系
図15Aおよび15Bは、ここに開示および記載の複合構造部材およびコネクターを用いる本発明による二つの可能な設計形成技術を示す模式説明図である。構造体は平面で示したが、当業者は、図面が3次元空間フレーム構造体を説明するものであることを容易に理解する。図15Aは、はリプラスチックヒンジを用いて、一緒に接合された複数の複合構造部材を含む空間フレーム401を示す。フレーム401は、図3Aに示すように、適当な基礎コネクター402を介して対応する基礎405に接合された複数の複合柱403を含む。複合柱403は、コンクリートを充填された連続的繊維補強シェルとして形成し得る、または図7〜14に示す種々の接合コネクターの任意のものを用いて複数のシェルを接合することにより組み立てることができる。
【０１２７】
図14A〜14Dにより説明および記載されているように、はリプラスチックヒンジコネクター409を用いて隣接柱403間に複数のはり407が固定される。個々の複合柱およびはり部材が、ヒンジコネクター405、409、411のみによって変形反応が提供されるように、充分に弾性または硬質であることが推定される。
【０１２８】
空間クレーム401の破壊モードは、柱403の完全回転破壊であり、基礎コネクター402、ヘッダーコネクター411、およびはりプラスチックヒンジコネクター409により角度可塑性変形が提供される。図15Aに示されるフレーム構築技術は、プラスチックヒンジコネクターにより提供される全エネルギー吸収および可塑性変形性能故に、地震領域での使用に好ましい。
【０１２９】
図15Bは、カラムプラスチックヒンジ509を有する空間フレーム構造体501を示す。この場合、複合柱506および複合はり507を含む硬質フレーム構造体508が、柱プラスチックヒンジ509を介して硬質フレーム508に接合された複数のヒンジ付き支持パイロン503により支持されている。柱503は、図3Aに示すような、適当なヒンジ付き基礎コネクターを用いて基礎505に取り付けられる。構造体501の破壊モードは、緩進行モード破壊である。
【０１３０】
したがって、この空間フレーム構造は、柱プラスチックヒンジコネクター509により上側部分508に接合されたヒンジ付きパイロン503を含む限定された可塑性部分および単離された高強度上側部分508を有する比較的低エネルギー吸収構造体を表す。複合構造部材を用いるこの構築技術は、最大公称強度が要求される非地震領域において、または実質的地震変形からフレーム508の硬質部分を単離するのが望ましい地震領域において望ましいかも知れない。
【０１３１】
トラス橋
図16A〜16Cは、本発明による複合構造部材を込み込んでいるトラス橋601としての複合空間フレーム構造体の一つの可能な態様を示す。図16Aは、予備鋳造され予備加圧されたコンクリートパネル606を支持する3次元空間トラス系と含むトラス橋601の側部立面図である。トラス橋601は、道路605の下側の窪んだ空間トラス604を形成する、複数の相互接合繊維補強シェルを含む。橋601は、全スパンが約200フィートであり、一対の隣接部615a、bのいずれかの端部に支持される。
【０１３２】
歩道607が、歩道の各々の側部において路面605に隣接するように設けられる。
【０１３３】
空間トラス604は、単一底部コード部材609および二つの上側コード部材611a、bならびに相互接合トラス部材613からなる。下側コード部材609および二つの上側コード部材611bおよび611aは、図7Aおよび7Bに示すように、接合コネクターにより一つに接合された繊維補強複合シェルから形成される。また、橋構造体601の特別の反応要求に依存して、必要により、図7〜13に示される接合コネクターまたは技術の任意の一つまたは組み合わせを用いて適当な可塑性または弾性反応体を提供することができる。
【０１３４】
下側コード609は、繊維補強複合シェルにおいて引張応力を制限するように後引張される直径３フィートコンクリート充填繊維補強複合部材である。一部の後引張は、連続して隣接部615a、bにおよび、それにより橋の垂直たわみが制限さる。後引張系は、費用、入手性およびアンカー技術により、スチールまたは繊維補強ケーブル/ロッドであり得る。
【０１３５】
二つの上側コード611a,bは、直径1.5フィートコンクリート充填繊維複合部材である。圧縮は、二つの上側コード611a,b、および予備加圧され予備鋳造されたコンクリートスラブデッキ606により分配される。トラスコネクター部材613も、ここに記載のように、適当な接合手段を介して上側と下側コード611,609との間に接合されている1.5フィートコンクリート充填繊維補強複合シェルである。道路表面605および歩道607の両方が、図16Cに示すように、予備鋳造され予備加圧された平均厚が約９インチのコンクリートプランクからなる。道路障壁621および歩道レール623が、橋601を横切る通行人または歩行者への傷害を防止するために設けられる。
【０１３６】
アーチ橋
図16A〜16Cは、本発明による複合構造部材を組み込んだ、アーチ橋701の形状の複合空間フレーム構造体のもう一つの可能な態様を示す。橋701は一対のアーチトラス703a、bを含み、それから複数の横方向のけた705がケーブル/バー707を用いて釣り下がっている。各アーチトラス703a、bは、図示されるように一緒に接合されると共に、橋構造体701のいずれかの側に支持アーチを形成するように後引張された、12.5フィートスパンの直径３フィートコンクリート充填繊維補強シェルから形成される。
【０１３７】
橋701は、全スパンが約200フィートであり、一対の隣接部709a、bによりいずれかの端部に支持されている。橋は幅が64フィートで、４車線を支持するのに適当な40フィート路面を有する。図17Cに示すように、アーチトラス703a,bから分離した、路面711のいずれかの側に歩道719a,bも提供される。
【０１３８】
各アーチトラス703a、bは、頂部において、道路711の表面から約25フィートの距離上方まで上昇する。二つの下側主要けた704a,bも、図示されるように、一緒に接合され、横方向けた705のための支持骨格を提供するために後引張される。
【０１３９】
けた705は、好ましくは、ログキャビン内のノッチ付ログと同様に、主要けた704a,bと組み合わさるようにかん合するために、その各端部において形成された横方向ノッチを有する。
【０１４０】
これらは、前述の接合方法により、または機械的締結器もしくは接着剤により一緒に固定することができる。路面および歩道は、図示されているように、路面711を形成するように橋構造体に添って横方向に配された、複数の中空コア上乗せプランク721により一体に形成される。レール723a、bは、安全性を加えるために提供される。
【０１４１】
本発明を、種々の好ましい態様の要旨において開示および説明してきた。当業者は、当業者に容易に明らかとなるように、特性の開示態様を超えて他の別の可能な態様に及ぶことを理解する。これらは、軽量長スパンルーフ構造体、産業用支持構造体、化学工場におけるパイプラック、ケーブルを敷いた橋等のような用途を含むが、それらに限定されない。すなわち、本発明の範囲は、ここに開示された内容により制限すべきではなく、請求の範囲を正確に読んだ範囲によってのみ制限されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１Ａ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の一部切り欠き斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の特徴を有する繊維補強シェルの一部切り欠き斜視図である。
【図２Ａ】本発明の特徴を有する繊維補強シェルの幾つかの可能な断面形状を示す概略斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の特徴を有する繊維補強シェルの幾つかの可能な断面形状を示す概略斜視図である。
【図２Ｃ】本発明の特徴を有する繊維補強シェルの幾つかの可能な断面形状を示す概略斜視図である。
【図３Ａ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の長手方向断面図であり基礎に複合部材を固定する一つの好ましい方法を示している。
【図３Ｂ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の長手方向断面図であり基礎に複合部材を固定する別の好ましい方法を示している。
【図３Ｃ】基礎の界面における図３Ｂの繊維補強複合構造部材の拡大断面図である。
【図４Ａ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の典型的圧縮および引張力を示す応力−歪図である。
【図４Ｂ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の典型的圧縮および引張力を示す応力−歪図である。
【図４Ｃ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の典型的圧縮および引張力を示す応力−歪図である。
【図４Ｄ】本発明の特徴を有する繊維補強複合構造部材の典型的圧縮および引張力を示す応力−歪図である。
【図５】４５°の固定せん断面に沿った本発明の特徴を有する繊維補強シェルの典型的せん断特性を示す概略的な力図である。
【図６Ａ】横荷重に付された従来のスチール補強コンクリート柱の荷重−変位図である。
【図６Ｂ】横荷重に付された図３Ａにより組み立てられた繊維補強複合柱の荷重−変位図である。
【図６Ｃ】横荷重に付された図３Ｂにより組み立てられた繊維補強複合柱の荷重−変位図である。
【図６Ｄ】図６Ａ〜６Ｃに示される種々の荷重−変位反応の比較チャートである。
【図７Ａ】本発明の特徴を有する継手コネクターの、それぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図７Ｂ】本発明の特徴を有する継手コネクターの、それぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図８Ａ】本発明の特徴を有する別の態様の継手コネクターの、それぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図８Ｂ】は、本発明の特徴を有する別の態様の継手コネクターの、それぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図９Ａ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクターのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図９Ｂ】は、本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクターのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１０Ａ】図７〜９に示す継手コネクターの特徴を組み合わせるもう一つの別の態様の継手コネクターのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１０Ｂ】図７〜９に示す継手コネクターの特徴を組み合わせるもう一つの別の態様の継手コネクターのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１１Ａ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１２Ａ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１３Ａ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の特徴を有するもう一つの別の態様の継手コネクタのそれぞれ長手方向および横方向断面図である。
【図１４Ａ】本発明の特徴を有する十字型ヒジの典型的使用および組み立てを経時的に示す正面立図である。
【図１４Ｂ】本発明の特徴を有する十字型ヒジの典型的使用および組み立てを経時的に示す正面立図である。
【図１４Ｃ】本発明の特徴を有する十字型ヒジの典型的使用および組み立てを経時的に示す正面立図である。
【図１４Ｄ】本発明の特徴を有する十字型ヒジの典型的使用および組み立てを経時的に示す正面立図である。
【図１５Ａ】本発明により形成され組み立てられた、はリプラスチックヒンジを有する繊維補強空間クレームの概略説明図である。
【図１５Ｂ】本発明により形成され組み立てられた、柱プラスチックヒンジを有する繊維補強空間クレームの概略説明図である。
【図１６Ａ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合トラス橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１６Ｂ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合トラス橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１６Ｃ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合トラス橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１７Ａ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合アーチ橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１７Ｂ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合アーチ橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１７Ｃ】本発明により形成され組み立てられた繊維補強複合アーチ橋のそれぞれ側部立図、底部平面図および横断面図である。
【図１Ａ】
2007247401.tif 000009
【図１Ｂ】
2007247401.tif 000010
【図２Ａ】
2007247401.tif 000011
【図２Ｂ】
2007247401.tif 000012
【図２Ｃ】
2007247401.tif 000013
【図３Ａ】
2007247401.tif 000014
【図３Ｂ】
2007247401.tif 000015
【図３Ｃ】
2007247401.tif 000016
【図４Ａ】
2007247401.tif 000017
【図４Ｂ】
2007247401.tif 000018
【図４Ｃ】
2007247401.tif 000019
【図４Ｄ】
2007247401.tif 000020
【図５】
2007247401.tif 000021
【図６Ａ】
2007247401.tif 000022
【図６Ｂ】
2007247401.tif 000023
【図６Ｃ】
2007247401.tif 000024
【図６Ｄ】
2007247401.tif 000025
【図７Ａ】
2007247401.tif 000026
【図７Ｂ】
2007247401.tif 000027
【図８Ａ】
2007247401.tif 000028
【図８Ｂ】
2007247401.tif 000029
【図９Ａ】
2007247401.tif 000030
【図９Ｂ】
2007247401.tif 000031
【図１０Ａ】
2007247401.tif 000032
【図１０Ｂ】
2007247401.tif 000033
【図１１Ａ】
2007247401.tif 000034
【図１１Ｂ】
2007247401.tif 000035
【図１２Ａ】
2007247401.tif 000036
【図１２Ｂ】
2007247401.tif 000037
【図１３Ａ】
2007247401.tif 000038
【図１３Ｂ】
2007247401.tif 000039
【図１４Ａ】
2007247401.tif 000040
【図１４Ｂ】
2007247401.tif 000041
【図１４Ｃ】
2007247401.tif 000042
【図１４Ｄ】
2007247401.tif 000043
【図１５Ａ】
2007247401.tif 000044
【図１５Ｂ】
2007247401.tif 000045
【図１６Ａ】
2007247401.tif 000046
【図１６Ｂ】
2007247401.tif 000047
【図１６Ｃ】
2007247401.tif 000048
【図１７Ａ】
2007247401.tif 000049
【図１７Ｂ】
2007247401.tif 000050
【図１７Ｃ】
2007247401.tif 000051
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月6日(2007.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化ポリマーマトリックス中で補強された繊維よりなり、内側空間を有する繊維補強複合シェルを形成する工程、前記内側空間の少なくとも一部をコンクリートで充填する工程、および前記シェルの内側で前記コンクリートを硬化させる工程を含んでなる複合コンクリート構造体を形成する方法。
【請求項２】
繊維補強複合シェルが、作業場に搬送され、次にその作業場で、コンクリートで充填され得るように作製される請求項１記載の方法。