(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位質量当たり非常に強化された荷重支持容量を有する構造部材において、
少なくとも２つの螺旋要素であって、前記少なくとも２つの螺旋要素の各々が端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、該少なくとも２つの螺旋要素は共通の角度指向及び共通の縦軸を有しかつ互いからほぼ等間隔で離間された、前記少なくとも２つの螺旋要素と、
少なくとも１つの逆螺旋要素であって、前記少なくとも１つの逆螺旋要素は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有しかつ前記少なくとも２つの螺旋要素と共にではあるが逆の角度指向で共通の縦軸を有する、前記少なくとも１つの逆螺旋要素とを備え、
前記少なくとも２つの螺旋要素及び前記少なくとも１つの逆螺旋要素は、交差位置で連結されており、
少なくとも２つの回転された螺旋要素であって、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素の各々が、端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素は共通の角度指向及び共通の回転縦軸を有しかつ互いからほぼ等間隔で離間され、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素のセグメントが前記少なくとも２つの螺旋要素のセグメントに対して回転された、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素と、
少なくとも１つの回転された逆螺旋要素であって、前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有しかつ前記２つの回転された螺旋要素と共にではあるが逆の角度指向で共通の回転縦軸を有し、前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素のセグメントが前記少なくとも１つの逆螺旋要素のセグメントに対して回転された、前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素とを備え、
前記少なくとも２つの回転された螺旋要素及び前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素が、前記少なくとも２つの螺旋要素及び前記少なくとも１つの逆螺旋要素に、交差位置で連結されている、構造部材。
【請求項２】
前記螺旋要素および逆螺旋要素は、前記要素の端を受けるように定置されかつ指向されたソケットを有するコネクタで連結されている、請求項１に記載の構造部材。
【請求項３】
前記少なくとも２つの螺旋要素と前記少なくとも１つの逆螺旋要素とに連結された少なくとも１つの軸方向要素をさらに有し、該少なくとも１つの軸方向要素は前記縦軸にほぼ平行になっている、請求項１又は２に記載の構造部材。
【請求項４】
前記少なくとも１つの軸方向要素は、前記少なくとも２つの螺旋要素および前記少なくとも１つの逆螺旋要素に外部結節点で連結されている、請求項３に記載の構造部材。
【請求項５】
前記少なくとも１つの軸方向要素は、前記少なくとも２つの螺旋要素および前記少なくとも１つの逆螺旋要素に内部結節点で連結されている、請求項３に記載の構造部材。
【請求項６】
隣接結節点間で連結された少なくとも１つの追加の要素をさらに有する、請求項１ないし５の何れかに記載の構造部材。
【請求項７】
前記追加の要素は、前記縦軸に垂直な面内で２つの結節点間で連結された周辺部材である、請求項６に記載の構造部材。
【請求項８】
前記追加の要素は、２つの結節点間で連結されかつ前記縦軸に関して角度を付けて向けられている斜めの周辺部材である、請求項６又は７に記載の構造部材。
【請求項９】
前記少なくとも２つの螺旋要素および前記少なくとも１つの逆螺旋要素のセグメントは、三角形断面の想像上の管状部材を形成する、請求項１ないし８の何れかに記載の構造部材。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの螺旋要素および前記少なくとも１つの逆螺旋要素のセグメントは、多角形断面の想像上の管状部材を形成する、請求項１ないし８の何れかに記載の構造部材。
【請求項１１】
単位質量当たり非常に強化された荷重支持容量を有する構造部材であって、少なくとも２つの螺旋要素と、少なくとも１つの逆螺旋要素とを備え、前記少なくとも２つの螺旋要素及び前記少なくとも１つの逆螺旋要素は交差配置で連結され、更に、少なくとも２つの回転された螺旋要素と、少なくとも１つの回転された逆螺旋要素とを備え、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素は前記少なくとも２つの螺旋要素および前記少なくとも１つの逆螺旋要素に交差配置で連結され、
前記少なくとも２つの螺旋要素の各々は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、該少なくとも２つの螺旋要素は共通の角度指向及び共通の縦軸を有しかつ互いからほぼ等間隔で離間され、
前記少なくとも１つの逆螺旋要素は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有しかつ前記２つの螺旋要素と共にではあるが逆の角度指向で共通の縦軸を有し、
前記少なくとも２つの回転された螺旋要素の各々は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、該少なくとも２つの回転された螺旋要素は共通の角度指向及び共通の回転された縦軸を有しかつ互いからほぼ等間隔で離間され、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素の前記セグメントは前記少なくとも２つの螺旋要素の前記セグメントに関して回転され、
前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素は端と端とを螺旋状に固く接続された少なくとも３つの細長い直線セグメントを有しかつ前記２つの回転された螺旋要素と共にではあるが逆の角度指向で共通の回転された縦軸を有し、
前記少なくとも１つの回転された螺旋要素の前記セグメントは前記少なくとも１つの逆螺旋要素の前記セグメントに関して回転されている、構造部材。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの螺旋要素、前記少なくとも１つの逆螺旋要素、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素、および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素に連結された少なくとも１つの軸方向要素をさらに有し、該少なくとも１つの軸方向要素は前記回転された縦軸にほぼ平行になっている、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの軸方向要素は、前記少なくとも２つの螺旋要素、前記少なくとも１つの逆螺旋要素、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素、および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素に外部結節点で連結されている、請求項１２に記載の構造部材。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの軸方向要素は、前記少なくとも２つの螺旋要素、前記少なくとも１つの逆螺旋要素、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素、および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素に内部結節点で連結されている、請求項１２に記載の構造部材。
【請求項１５】
前記縦軸および回転された縦軸は同軸であり、前記少なくとも２つの螺旋要素、前記少なくとも１つの逆螺旋要素、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素、および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素の前記セグメントは６点星の断面を有する想像上の管状部材を形成する、請求項１１ないし１４の何れかに記載の構造部材。
【請求項１６】
前記縦軸および回転された縦軸は同軸であり、前記少なくとも２つの螺旋要素、前記少なくとも１つの逆螺旋要素、前記少なくとも２つの回転された螺旋要素、および前記少なくとも１つの回転された逆螺旋要素の前記セグメントは、２つの多角形断面を有する想像上の管状部材を形成し、該２つの多角形のうちの一方の多角形は共通の縦軸を有してはいるが、他方の多角形に関して回転されている、請求項１１ないし１４の何れかに記載の構造部材。
【請求項１７】
前記縦軸および前記回転された縦軸は同軸であり、前記要素の前記セグメントは外部結節点を形成するように前記セグメントの端で交差し、複数の面が選択された外部結節点間に延び、前記面は前記縦軸および前記回転された縦軸に平行であり、前記セグメントは複数の面内に配置され、該複数の面のうちの３つは三角形断面の第１の想像上の管状部材を形成するように向けられ、前記複数の面のうちの別の３つは三角形断面の第２の想像上の管状部材を形成するように向けられ、前記第１の想像上の管状部材および前記第２の想像上の管状部材は共通の軸を有し、前記第２の想像上の管状部材は前記第１の想像上の管状部材に関して前記共通軸のまわりで回転される、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１８】
前記縦軸および前記回転された縦軸は平行で離間されており、前記要素の前記セグメントは外部結節点を形成するように前記セグメントの端で交差し、複数の面が選択された外部結節点間に延び、前記面は前記縦軸および前記回転された縦軸に平行であり、前記セグメントは複数の面内に配置され、該複数の面のうちの３つは三角形断面の第１の想像上の管状部材を形成するように前記縦軸のまわりで向けられ、前記複数の面のうちの別の３つは三角形断面の第２の想像上の管状部材を形成するように前記回転された縦軸のまわりで向けられた、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１９】
前記要素は心金のまわりに繊維を巻き付けることによって成形される、請求項１１ないし１８の何れかに記載の構造部材。
【請求項２０】
前記要素は、母材と前記母材内の繊維とを有する材料である、請求項１１ないし１９の何れかに記載の構造部材。
【請求項２１】
前記要素は、母材と前記母材内の繊維とを有する材料であり、前記螺旋要素および逆螺旋要素を連結する手段は、母材内の前記螺旋要素の繊維と前記逆螺旋要素の繊維との重なりを含む、請求項１１ないし１９の何れかに記載の構造部材。
【請求項２２】
前記螺旋要素および逆螺旋要素を連結する手段は、前記要素の端を受けるように定置されかつ指向されたソケットを有するコネクタを含む、請求項１１ないし２１の何れかに記載の構造部材。
【請求項２３】
隣接結節点間で連結された少なくとも１つの追加の要素をさらに有する、請求項１１ないし２２の何れかに記載の構造部材。
【請求項２４】
前記追加の要素は、前記縦軸に垂直な面内で２つの結節点間で連結された周辺部材である、請求項２３に記載の構造部材。
【請求項２５】
前記追加の要素は、２つの結節点間で連結されかつ前記縦軸に関して角度を付けて向けられている斜めの周辺部材である、請求項２３に記載の構造部材。
【請求項２６】
単位重量当たりの非常に強化された荷重支持容量を有する構造部材を成形する方法であって、次の工程からなる方法。
（ａ）心金を準備すること、
（ｂ）少なくとも２つの螺旋要素をつくるために前記心金のまわりに繊維を巻き付けること、ただし各要素は少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、前記少なくとも２つの螺旋要素は共通の角度指向、共通の縦軸を有し、互いからほぼ等間隔で離隔されていること、
（ｃ）少なくとも１つの逆螺旋要素をつくるように前記心金のまわりに繊維を巻き付けること、ただし該要素は少なくとも３つの細長い直線セグメントを有し、前記少なくとも２つの螺旋要素と共にではあるが逆の角度指向で共通の縦軸を有すること、
（ｄ）母材を繊維に加えること、
（ｅ）母材を養生すること、及び
（ｆ）心金を取り除くこと。
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
本発明は、単位質量当たり非常に強化された荷重支持容量を有する三次元構造部材に関する。さらに詳しく言えば、本発明は、縦軸のまわりに巻かれた複数の螺旋要素を有し、その螺旋要素が端と端とを固く接続されたものを有する構造部材に関する。
［背景技術］
一般の、機械、宇宙分野において構造上効率のよい構造物の追求が、前進的な探求となっている。効率的トラス構造は、高強度対重量比および／または高剛度対重量比を有するものである。効率的トラス構造は、比較的に安価で、製造および組立がし易く、材料をむだにしないものとして記載されることもできる。
トラスは、代表的には、荷重を支持するように設計された静止拘束構造物である。それらは、各部材の端においてジョイントで接続された直線部材からなる。その部材は、力が部材にそって向けられた２力部材である。２力部材は、部材内の引張力および圧縮力のような軸力のみを発生することができる。トラスは、橋およびビルディングの構造物にしばしば用いられる。トラスは、トラスの面内に作用する荷重を支えるように設計される。したがって、トラスは、二次元構造物としてしばしば処理され、解析される。最も単純な二次元トラスは、三角形を形成するようにそれらの端で結合された３つの部材からなる。２つの部材を単純な構造および新たなジョイントに連続して加えることによって、より大きい構造物が得られる。
最も単純な三次元トラスは、四面体を形成するようにそれらの端で結合された６つの部材からなる。３つの部材を四面体および新たなジョイントに連続して加えることによって、より大きい構造物が得られる。この三次元構造物は、空間トラスとして知られている。
トラスに対向するフレームは、代表的には、静止拘束構造物ではあるが、力が部材にそって向けられていない少なくとも１つの多力部材を有している。機械は、可動部品を含む構造物であり、力を伝達し、修正するように設計される。機械は、フレームと同様に、少なくとも１つの多力部材を含む。多力部材は、引張力および圧縮力のみならず剪断および曲げをも発生することができる。
従来の構造設計は、単一荷重式に抵抗する一次元または二次元解析に限られていた。例えば、Ｉビームは曲げに抵抗するのに最適化され、管はねじりに抵抗するのに最適化されている。設計解析を二次元に限定することは、設計過程を単純化するが、組合せ荷重を無視している。三次元解析は、三次元荷重を概念化しかつ計算するのに困難であるので、難しくなる。実際には、多くの構造は、多くの荷重に抵抗できる。コンピュータは、より多くの複雑な構造をモデル化するように利用されつつある。
進歩した合成構造物は、最近２０年間で多くの代表的な応用に用いられてきた。この代表的な進歩した合成構造物は、連続高強度、高剛性配向繊維で強化された母材からなる。その繊維は、所望の方向および面内で有利な強度および剛性を得るように配向されうる。適正に設計された合成構造物は、類似の金属構造物よりもいくつかの利点を有している。合成構造物は、著しく高い強度対重量比および剛性対重量比を有し、これにより軽量構造物になる。フィラメント・ワインディンングのような製造方法は、、タンクまたは柱のような構造物を、金属から製造するよりもより早くつくるように用いられてきた。剛性構造物は、代表的には、製造の柔軟性の点で有利であるためいくつかの金属要素で置き換えられる。
１９７９年１月３０日にＭａｙｅｒ等に特許された米国特許第４，１３７，３５４号は、繊維を軸方向に螺旋状に巻くことによって形成される繰返し等辺三角形を有する円筒形「等方格子」構造物を開示している。しかし、その等方格子は、平坦または直線に代わって管状である。換言すれば、部材が湾曲されている。これは、直線部材に比べて、部材の座屈強さを低減する。
したがって、単位質量当たり強化された荷重支持容量を有しかつ多荷重に耐えうる構造部材を開発することが有利である。
［発明の開示］
本発明の目的は、単位質量当たり強化された容量を有する三次元構造部材を提供することにある。
本発明の別の目的は、多荷重に耐えうる構造部材を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、コンクリートを強化するのに適した構造部材を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、ビーム、片持梁、支持体、柱、スパン等のような構造上の用途に適した構造部材を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、建築上の用途に適した構造部材を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、駆動軸のような機械的な用途に適した構造部材を提供することにある。
本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、縦軸のまわりに巻かれた複数の螺旋要素からなる構造部材において実現される。螺旋要素は、端と端とを固く接続された直線セグメントを有する。
好適実施例においては、構造部材は、少なくとも１２の螺旋要素を有する。螺旋要素のうちの少なくとも３つは、一方の方向に縦軸のまわりに巻き付き、他方、別の少なくとも３つの逆螺旋要素は、反対方向に巻き付く。初めの少なくとも３つの螺旋要素は、同一角度指向を有し、かつ、互いから等間隔で離間されている。逆螺旋要素は、同様に配置されているが、反対の角度指向を有している。要素は、部材の周辺における外部結節点でおよび内部結節点で交差している。軸から見たとき、要素の直線セグメントは、三角形として見える。残りの６つの要素は、初めの６つの要素と同様に配置されるが、初めの６つの要素に関して回転されている。軸から見たとき、部材は２つの三角形に見えるか、または６点星として見える。一方の三角形が他方の三角形に関して回転されている。部材は、部材の周辺のまわりで軸から離隔されかつ部材の内部で多面体を形成する複数の三角形としても見える。要素は、外部結節点および内部結節点を形成するように交差している。この実施例においては、すべての要素は共通の軸を共有する。
追加の部材は、この構造に加えられる。内部軸方向部材は、内部結節点において要素と交差し、軸に平行である。外部軸方向部材は、外部結節点において要素と交差し、軸に平行である。周辺部材は、軸に垂直な隣接外部結節点間で延びている。斜めの周辺部材は、軸に関して斜めに外部結節点間で延びている。
好適実施例においては、３つの直線セグメントは、螺旋要素として形成され、軸のまわりに１回転し、これにより軸から見たとき、三角形の外観を呈する。代案として、螺旋要素は、追加のセグメントを形成し、軸にそって見たとき、別の多角形の外観を呈する。別の実施例においては、２４の螺旋要素が、２つの６角形の外観を呈し、軸から見たとき、一方の６角形が他方の６角形に関して回転されている。６つの螺旋要素は、一方に巻き付き、他の６つの逆螺旋要素は他方に巻き付いている。残りの１２の要素は、初めの１２のものに関してのみ回転された類似の形状になっている。
別の実施例においては、ビーム部材が好適実施例と同様な形状を有しているが、第２の６つの要素からずれた初めの６つの要素の軸を有している。
部材は任意の材料からつくられてもよいが、螺旋形状は合成構造物によく適している。繊維がマンドレルのまわりに巻き付けられて、部材の螺旋パターンを形成する。これは、要素のセグメントが連続した繊維からできているので、部材に強度を加える。
２またはそれを超える部材が結節点で部材を取り付けることによって、接続されてもよい。さらに、部材は、中実構造の外観を呈するように、あるいは部材もしくはその内容物を保護するように、材料で被覆されてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の構造部材の好適実施例の斜視図である。
図２は、本発明の構造部材の好適実施例の端面図である。
図３は、本発明の構造部材の好適実施例の正面図である。
図４は、本発明の構造部材の好適実施例の側面図である。
図５は、強調された１本の螺旋を有する本発明の構造部材の正面図である。
図６は、強調された１本の螺旋を有する本発明の構造部材の側面図である。
図７は、本発明の構造部材の好適実施例の基本構造の斜視図である。
図８は、追加の螺旋を有する本発明の構造部材の好適実施例の基本構造の斜視図である。
図９は、強調された３本の螺旋要素と１本の逆螺旋要素とを有する本発明の構造部材の好適実施例の斜視図である。
図１０は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１１は、本発明の構造部材の別の実施例の側面図である。
図１２は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１３は、本発明の構造部材の別の実施例の端面図である。
図１４は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１５は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１６は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１７は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図１８は、本発明の構造部材の別の実施例の端面図である。
図１９は、本発明の構造部材の別の実施例の斜視図である。
図２０は、本発明の構造部材の別の実施例の端面図である。
図２１は、一体に接続された本発明の好適実施例の２つの構造部材の斜視図である。
図２２は、一体に接続された本発明の好適実施例の２つの構造部材の側面図である。
［発明を実施するための最良の形態］
図１−４に示すように、本発明の構造部材１０は、好適実施例において示されている。構造部材１０は、三次元トラスまたは空間フレームである。構造部材１０は、部材１０の長さまたは縦軸１４にそった繰返しパターン状に配列された複数の要素または部材１２からなる。
２またはそれを超える単独要素１２は、ジョイント１６において接続または交差する。要素１２は、ジョイント１６において固く接続されるか、柔軟に接続されるか、単に交差する。結節点は、交差要素が接続される箇所に形成されてもよい。外部結節点１８は、交差要素１２が部材１０の周辺で会う箇所に形成されてもよい。内部結節点２０は、交差要素１２が部材１０の内部で会う箇所に形成されてもよい。
張間２２は、縦軸１４の方向に計った繰返しユニットまたはパターンによって、形成される。張間２２は、要素１２によって形成された単一パターンを含む。部材１０は、任意の数の張間２２からなる。さらに、張間２２の長さは、変えられてもよい。
内部角度２４は、四面体の２つの対応する要素１２によってつくられる面および同じ四面体の対向辺によって形成される。構造部材１０の好適実施例の構造および幾何学形状は、多数の方法で記述されてもよい。繰返しパターンは、多数の三角形または四面体として記述されてもよい。三角形および四面体は、より小さい三角形および四面体がより大きい三角形および四面体間で交差された状態で種々の寸法をとる。
構造部材１０の好適実施例においては、三角形または四面体は、６０度の内部角度を有する面によって形成される。内部角度は、関係する用途にもとづいて変えられてもよい。６０度の内部角度は多荷重に対しては最適である。４５度の内部角度は、ねじれ用途に対しては良好に適している。
好適実施例の構造部材１０は、図２に示すように、６点星のような断面をもつ単一の想像上の管を形成するように横たえられた三角形断面の２つの想像上の三角形部材として概念化されてもよい。あるいは、端または縦軸１４から見たとき、構造部材１０は、縦軸１４から離間されかつ構造部材１０の内部において多角形断面の想像上の管状部材を形成するように周辺のまわりに向けられた複数の三角形の外観を有する。好適実施例の場合、６つの等辺三角形が、構造部材１０の内部において６角形断面の想像上の管状部材を形成するように縦軸のまわりに離間される。
さらに、端または縦軸１４から見たとき、縦軸１４に平行な６つの面を画定することが可能である。その面は、６点星形状で特別の外部結節点１８間に延びる。その面は、６０度の間隔で縦軸１４のまわりに向けられる。
さらに、張間２２内で、強力な構造特性を有すると考えられる三角形格子のリングが形成される。三角形格子のこのリングは、図１、３、４に示すように、張間の中心で構造部材１０の内部を取り囲む。この強度は、多数の接続によるものと考えられる。
さらに、好適実施例の構造部材１０は、縦軸１４のまわりに巻き付きかつ構造部材１０の要素１２を形成する直線セグメント３２を有する複数の螺旋要素３０として概念化されかつ記載されてもよい。図５、６において、１つの螺旋要素３０が強調されて示されている。螺旋要素３０は、それが縦軸１４のまわりに巻き付くときに、少なくとも３つの直線セグメント３２を形成する。螺旋要素３０は、任意の数の直線セグメント３２を無制限に形成し続けてもよい。直線セグメント３２は、縦軸１４に関して角度を付けて向けられる。直線セグメント３２は、螺旋形状に端と端とを固く接続される。
図７に示すように、本発明の好適実施例にもとづく構造部材１０の基本構造４０は、少なくとも２つの螺旋要素４２および縦軸１４のまわりに巻き付く少なくとも１つの逆螺旋要素４４を有する。螺旋要素４２は、縦軸１４のまわりに一方の方向（例えば、時計方向）に巻き付き、逆螺旋要素４４は縦軸１４のまわりに反対の方向（例えば、反時計方向）に巻き付く。各螺旋要素４２、４４は、直線セグメント３２を形成する。螺旋要素４２の直線セグメントは、共通の角度指向および共通の軸１４を有する。逆螺旋要素４４の直線セグメントは、螺旋要素４２のセグメントに類似した螺旋形状を有しているが、反対の角度指向を有している。基本構造４０は、縦軸１４の端から見たとき、三角形断面の想像上の管状部材として見える。
逆螺旋要素４４は、外部結節点１８および内部結節点２０において、２つの螺旋要素４２に交差する。好適実施例において、外部結節点１８および内部結節点２０は、固い接続を形成するか、あるいは固く連結される。
図８に示すように、上述した図７の基本構造４０を構築するさいに、構造部材１０の強化された構造５０は３つの螺旋要素４２および少なくとも１つの逆螺旋要素４４を有している。３つの螺旋要素４２の直線セグメント３２は、共通の角度指向および共通の軸１４を有し、互いから等間隔で離間されている。図９において、３つの螺旋要素４２および１つの逆螺旋要素４４のこの強化された基本構造５０は、好適実施例の構造部材１０で強調されて示されている。
図１に示すように、好適実施例においては、構造部材１０は、複数の螺旋要素６０、３つの螺旋要素６２、３つの逆螺旋要素６４、３つの回転された螺旋要素６６、および３つの回転された逆螺旋要素６８を有している。このようにして、構造部材１０は、好適実施例においては、合計１２の螺旋要素６０を有する。
上述したように、３つの螺旋要素６２の直線セグメントは、共通の角度指向および共通の軸１４を有し、互いから等間隔で離間されている。同様に、３つの逆螺旋要素６４は、共通の角度指向および共通の軸１４を有し、互いから等間隔で離間されている。しかし、３つの逆螺旋要素６４の直線セグメントは、３つの螺旋要素６２のセグメントの角度指向に対して反対の角度指向を有している。再び、この構造は、端または軸１４から見たとき、図２に示すように、三角形断面の想像上の管状部材として見える。
３つの回転された螺旋要素６６は、共通の角度指向および共通の軸１４を有し、螺旋要素６２と同様に、互いから等間隔で離間されている。３つの回転された螺旋要素６８のセグメントは、共通の角度指向および共通の軸１４を有し、逆螺旋要素６４と同様に、互いから等間隔で離間されている。しかし、３つの回転された逆螺旋要素６８は、３つの回転された螺旋要素６６のセグメントの角度指向とは反対の角度指向を有している。
回転された螺旋要素６６および回転された逆螺旋要素６８は、螺旋要素６２および逆螺旋要素６４に関して回転される。言い換えれば、この構造は、端または軸１４から見たとき、三角形断面の想像上の管状部材として見えるが、図２に示すように、螺旋要素６２および逆螺旋要素６４によってつくられた想像上の管状部材に関して回転されている。それと共に、螺旋要素、逆螺旋要素、回転された螺旋要素、回転された逆螺旋要素は、図２に示すように、軸１４から見たとき、６点星断面を有する想像上の管状部材として見える。
螺旋要素６２は、外部結節点１８において逆螺旋要素６４と交差する。同様に、回転された螺旋要素６６は、外部結節点１８において、回転された逆螺旋要素６８と交差する。
螺旋要素６２は、内部結節点２０において、回転された逆螺旋要素６８と交差する。同様に、回転された螺旋要素６６は、内部結節点２０において、逆螺旋要素６４と交差する。
螺旋要素６２および回転された螺旋要素６６は、交差しない。同様に、逆螺旋要素６４および回転された逆螺旋要素６８は、交差しない。
複数の螺旋部材６０に加えて、構造部材１０の好適実施例は、構造部材１０の内部に配置されかつ内部結節点２０において複数の螺旋部材６０に交差する６つの内部軸方向部材７０を有する。軸方向部材７０は、縦軸１４に平行である。
逆螺旋要素６４は、外部結節点１８において、螺旋要素６２と交差し、また、回転された逆螺旋要素６８は、外部結節点１８において、回転された螺旋要素６６と交差する。外部結節点１８は、縦軸１４から見たとき、図２に示すように、６点星の点を形成する。
逆螺旋要素６４は、内部結節点２０において、回転された螺旋要素６６と交差し、また、回転された逆螺旋要素６８は、内部結節点２０において、螺旋要素６２と交差する。これらの内部結節点２０は、縦軸１４から見たとき、図２に示すように、６角形の点を形成する。
好適実施例において、外部結節点１８および内部結節点２０は、固い接続を形成するか、または、螺旋要素が一体に固く接続される。さらに、軸方向部材７０は、内部形成点２０において、螺旋要素に連結される。好適実施例において、螺旋要素は、合成材料からつくられる。構造部材１０の螺旋形状は、それを合成構造物に特に適したものにする。螺旋要素は、互いに重なった様々な要素の繊維として一体に連結される。繊維は、マンドレルのまわりに部材の螺旋形状に従って螺旋パターンで巻き付けられる。これは、要素のセグメントが繊維の連続した糸条によって形成されるので、大きな強度を与える。要素は、エポキシ、またはビニール・エステルのような母材中の繊維ガラス、カーボン、またはケブラ（Ｋｅｖｌａｒ）のような繊維でもよい。
代案として、構造部材１０は、木、金属、プラスチック、またはセラミック等のような任意の適当な材料からつくられてもよい。部材の要素は、結節点１８において、コネクタと共に結合された好ましい部品からなっていてもよい。コネクタは、要素を受けるように形成された凹部を有する。凹部は、構造部材１０の所望の幾何学的形状を得るように向けられる。
好適実施例の構造部材１０の基本構造４０から、いくつかの別の実施例が追加の部材を伴うことを可能にする。図１０、１１において、外部軸方向部材は、構造部材１０の周辺に配置され、また、外部結節点１８において、複数の螺旋部材６０に交差する。軸方向部材７２は、縦軸１４に平行である。図１２、１３において、周辺部材７４は、縦軸１４に垂直な面内にある結節点１８間で周辺のまわりに配置されてもよい。周辺部材７４は、縦軸１４から見たとき、図１３に示すように、多角形を形成する。
図１４において、斜め周辺部材７６は、縦軸１４に関して斜めに結節点１８間で構造部材１０の周辺のまわりに配置されてもよい。これらの斜め周辺部材７６は、複数の螺旋部材６０の周辺のまわりに巻き付けられた追加の螺旋要素のセグメントによって形成される。斜め周辺部材７６は、図１４に示すように、隣接結節点間で延びるか、図１５に示すように、別の結節点１８まで延びていてもよい。図１６に示すように、内部軸方向部材７０、外部軸方向部材７２、周辺部材７４、斜め周辺部材７６のような多くの追加の部材が組み合わされてもよい。
追加の部材は、外部結節点１８のみならず内部結節点２０間で延びていてもよい。
図１７、１８に示すように、ビーム部材８０の別の実施例が示されている。この実施例は、部材８０が、少なくとも３つの螺旋要素８２、少なくとも３つの逆螺旋要素８４、少なくとも３つの回転された螺旋要素８６、および少なくとも３つの回転された逆螺旋要素８７を有する点で、好適実施例に類似している。このようにして、部材８０は、合計少なくとも１２の螺旋要素を有する。
３つの螺旋要素８２の直線セグメントは、共通の角度指向、共通の縦軸９０を有し、互いから等間隔で離間されている。同様に、３つの逆螺旋要素８４の直線セグメントは、共通の角度指向、共通の縦軸９０を有し、互いから等間隔で離間されている。しかし、３つの逆螺旋要素８４の直線セグメントは、３つの螺旋要素８２のセグメントの角度指向とは反対の角度指向を有している。再び、この構造は、端または縦軸１４から見たとき、三角形断面の想像上の管状部材として見える。
３つの回転された螺旋要素８６の直線セグメントは、共通の角度指向、共通の縦軸９２を有し、螺旋要素８２と同様に互いから等間隔で離間されている。３つの回転された逆螺旋要素８８の直線セグメントは、共通の角度指向、共通の縦軸９２を有し、逆螺旋要素８４と同様に互いから等間隔で離間されている。しかし、３つの回転された逆螺旋要素８８の直線セグメントは、３つの回転された螺旋要素８６のセグメントの角度指向とは反対の角度指向を有している。
回転された螺旋要素８６および回転された逆螺旋要素８８は、螺旋要素８２および逆螺旋要素８４に関して回転される。換言すれば、この構造は、端または軸１４から見たとき、三角形断面の想像上の管状部材として見えるが、螺旋要素８２および逆螺旋要素８４によってつくられる想像上の管状部材に関して回転されている。
しかし、この実施例において、ビーム部材８０は、螺旋要素８２および逆螺旋要素８４の縦軸９０の方向とは反対の方向に螺旋要素８２および逆螺旋要素８４の縦軸９０を部材の軸１４からずらすことによって、ならびに、螺旋要素８２および逆螺旋要素８４の縦軸９０の方向とは反対の方向に回転された螺旋要素８６および回転された逆螺旋要素８８の回転された縦軸９２を部材の軸１４からずらすことによって、つくられる。言い換えれば、軸１４から見たとき、ビーム部材８０は、図１８に示すような断面を有する想像上の管状部材として見える。
図１９、２０に示すように、部材１００の別の実施例が示されている。この実施例は、部材が、複数の螺旋要素１０２、６つの螺旋要素、６つの逆螺旋要素、６つの回転された螺旋要素、および６つの回転された逆螺旋要素を有する点で、好適実施例に類似している。このようにして、部材は、合計２４の螺旋要素を有している。
複数の螺旋要素１０２が縦軸１４のまわりに巻き付くので、螺旋要素は、好適実施例における３つのものとは反対のこの実施例における６つの直線セグメントを形成する。この部材１００は、端または軸１４から見たとき、６角形断面の２つの想像上の管状部材として見えるか、または、図２０に示すように、１２点星の断面を有する想像上の管状部材として見える。この場合、一方の６角形は他方の６角形に関して回転されている。好適実施例と同様に、内部軸方向部材、外部軸方向部材、螺旋部材、および斜め螺旋部材を有する任意の数の追加の部材が、種々の形体で加えられてもよい。
［産業上の利用可能性］
すべての実施例において、部材は、著しい構造上の特性を維持しつつ、材料のほとんど無い内部を与えられる。構造部材は、軸荷重、ねじれ荷重、曲げ荷重を効率的に支持できる。種々の形式の荷重に耐えるこの能力は、風車のような多動荷重を有する多くの用途に理想的な構造部材を与える。さらに、その軽量性が、航空機または空間構造物におけるように軽量と強度とが重要となる場合に、他の用途にとっても重要となる。
開放した設計が、風の抵抗をほとんど必要としない用途にも適した構造部材を得られる。
部材の幾何学的形状は、空間構造物に適している。部材は、部材が輸送のために押潰し可能で、使用のさいに広げられるように、非剛連結を設けられている。
部材は、また部材をコンクリート中に埋め込むことによってコンクリートを強化するように用いられてもよい。開放設計であるので、コンクリートは自由に構造内を流れる。多荷重支持容量が、コンクリート柱および梁をより効率的に設計されるようにする。
構造部材の外観は、建築用途にも適している。部材は、ハイテク、宇宙時代の外観をもっている。
部材は、機械的用途をももっている。部材は、そのねじれ強さのために駆動軸として使用されうる。
部材は、中実に見えるように被覆材を巻き付けられてもよい。このような被覆の一つは、マイラー（Ｍｙｌａｒ）被覆金属でもよい。被覆は、外観上、または部材ならびにパイプ、ダクト、照明および電気要素のような部材内に支持された物体を保護するためでもある。
図２１、２２に示すように、好適実施例の２つの構造部材１０が所望の構造に取り付けられてもよい。２つの構造部材１０が、縦軸１４が垂直になるように接続されるとき、構造部材１０の外部結節点１８が構造部材１０の外部結節点１８に取り付けられてもよい。
【図１】
0003802569.tif 000002
【図２】
0003802569.tif 000003
【図３】
0003802569.tif 000004
【図４】
0003802569.tif 000005
【図５】
0003802569.tif 000006
【図６】
0003802569.tif 000007
【図７】
0003802569.tif 000008
【図８】
0003802569.tif 000009
【図９】
0003802569.tif 000010
【図１０】
0003802569.tif 000011
【図１１】
0003802569.tif 000012
【図１２】
0003802569.tif 000013
【図１３】
0003802569.tif 000014
【図１４】
0003802569.tif 000015
【図１５】
0003802569.tif 000016
【図１６】
0003802569.tif 000017
【図１７】
0003802569.tif 000018
【図１８】
0003802569.tif 000019
【図１９】
0003802569.tif 000020
【図２０】
0003802569.tif 000021
【図２１】
0003802569.tif 000022
【図２２】
0003802569.tif 000023