(57)【要約】  補強ビームシステムは、少なくとも１対の角度間隔を空けた、コーナー接続ビームであって、２つの反対向きの三角形の閉じたヘッド部により構成され、前記ヘッド部の間にウェブが介在したコーナー接続ビームと、前記対応するヘッド部の内壁に強制的に接触する複数の補強要素と、それぞれの対に対する、少なくとも１つの屈曲コネクタを備える。前記屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第２ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第１ビームの前記第２ヘッド部内に挿入された第１補強要素に接続され、前記屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第１ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第２ビームの前記第１ヘッド部および前記第１ビームの第１ヘッド部内の両方内に挿入される第２補強要素に接続される。一実施形態のビームシステムは、補強要素を有しない。
2020518745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）１つ以上の対の角度間隔を空けた、コーナー接続ビームであって、前記対の少なくとも１つの第１および第２ビームは、２つの反対向きの三角形の閉じたヘッド部により構成され、当該ヘッド部の底辺はフランジを画定し、前記２つの閉じたヘッド部の間にウェブが介在したコーナー接続ビームと、
ｂ）それぞれ前記ヘッド部の対応するものの内部内に挿入され、前記対応するヘッド部の内壁に強制的に接触する複数の補強要素と、
ｃ）前記コーナー接続ビームの対のそれぞれに対する、少なくとも１つの屈曲コネクタを備え、
前記屈曲コネクタのうちの１つの屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第２ヘッド部の前記フランジに当接し、前記補強要素のうちの第１補強要素に接続され、前記第１補強要素は前記第１ビームの前記第２ヘッド部内に挿入され、前記１の屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第１ヘッド部の前記フランジに当接し、前記補強要素のうちの第２補強要素に接続され、前記第２補強要素は前記第２ビームの前記第１ヘッド部および前記第１ビームの第１ヘッド部内の両方内に挿入される、
補強ビームシステム。
【請求項２】
前記第２補強要素は、前記第２屈曲コネクタの第１脚部が前記第１ビームの前記第１ヘッド部の内部に挿入され、前記第２屈曲コネクタの第２脚部が前記第２ビームの前記第１ヘッド部の内部に挿入されるように配置される第２屈曲コネクタである、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項３】
前記コーナー接続ビームの少なくとも１組に対する第３屈曲コネクタをさらに備え、
前記第３屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの前記第１ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第２屈曲コネクタの前記第１脚部に接続され、前記第３屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第２ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第２ビームの前記第２ヘッド部内に挿入された第３補強要素に接続される、請求項２に記載のビームシステム。
【請求項４】
前記第１ビームは垂直配向ビームで、前記第２ビームは水平配向ビームで、前記１の屈曲コネクタの前記第１および第２脚部は約９０度の角度間隔を空けている、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項５】
前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の内壁に、強制的に、非接続状態で接触する、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項６】
前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に接続される、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項７】
前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に、１つ以上のコールドファスナにより接続される、請求項６に記載のビームシステム。
【請求項８】
前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に溶接される、請求項６に記載の前記ビームシステム。
【請求項９】
前記補強要素のうちの１つ以上は、逆Ｕ字状バーとして構成され、当該逆Ｕ字状バーの基部は、前記対応するヘッド部の前記フランジに強制的に接触し、２本の脚部は、前記対応するヘッド部の２つの斜め要素にそれぞれ強制接触し、前記対応するヘッド部および前記ウェブの接合部に向けられている、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項１０】
前記補強要素のうちの１つ以上は、一定の長手方向寸法を有し、前記対応するヘッド部の前記フランジに強制接触する、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項１１】
前記第１および第２ビームのそれぞれは、２つの別個の部材からなる複合ビームであって、当該部材は、前記２つの部材の対応するヘッド部が互いに入れ子状態になり、前記２つの部材の隣接要素が相互安定化接触するように配置される、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項１２】
前記複合ビームの各部材は、第１ヘッド部と、第２ヘッド部と、前記第１ヘッド部および第２ヘッド部の間に介在する、長手方向に配置されたウェブ部とを有し、前記第１および第２ヘッド部は、略横方向に配置された対応するフランジと、前記フランジの第１横方向端部から前記ウェブ部に延在する斜め要素と、前記フランジの第１横方向端から延在する、前記斜め要素よりもかなり短い斜めリップにより構成される、請求項１１に記載のビームシステム。
【請求項１３】
入れ子状態のヘッド部と相互安定化接触するウェブ部との間の接合部における、長手方向に離間した前記複合ビームの第１および第２ヘッド部接合部が、前記対応するフランジに垂直な平面で、同一平面上に存在する、請求項１０に記載のビームシステム。
【請求項１４】
横方向に間隔を空けた２つ以上のビームと、その間に挿入される前記補強要素に接続される、波形金属シートをさらに備える、請求項６に記載のビームシステム。
【請求項１５】
前記垂直配向ビームは、基礎に埋め込まれる、請求項４に記載のビームシステム。
【請求項１６】
前記埋め込まれたビーム内に、追加垂直配向ビームが入れ子状態で接続される、請求項１５に記載のビームシステム。
【請求項１７】
２つ以上の基礎埋め込みビームと、前記第１および第２屈曲コネクタにより、２つの隣接した基礎埋め込みビームそれぞれに接続された水平配向ビームとをさらに備える、請求項１６に記載のビームシステム。
【請求項１８】
前記ハンガーのうちの２つ以上を互いに接続する、コの字ハンガーをさらに備える、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項１９】
トラス接続に利用される、請求項１に記載のビームシステム。
【請求項２０】
補強モーメント接続付きのビームシステムであって、
ａ）１つ以上の対の角度間隔を空けた、コーナー接続ビームであって、前記対の少なくとも１つの第１および第２ビームは、２つの反対向きの三角形の閉じたヘッド部により構成され、当該ヘッド部の底辺はフランジを画定し、前記２つの閉じたヘッド部の間にウェブが介在したコーナー接続ビームと、
ｂ）前記コーナー接続ビームの対のそれぞれに対する、２つ以上の屈曲コネクタを備え、
前記屈曲コネクタのうちの第１屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第２ヘッド部の前記フランジに接続され、前記第１屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第１ヘッド部の前記フランジに接続され、
前記屈曲コネクタのうちの第２屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第１ヘッド部の前記フランジに接続され、前記２屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第２ヘッド部の前記フランジに接続される、ビームシステム。
【請求項２１】
前記第１ビームの前記ウェブと、前記第１屈曲コネクタの前記第２脚部のそれぞれの側面を接続するフランジ付きエンドプレートをさらに備える、請求項２０に記載のビームシステム。
【請求項２２】
それぞれ前記ヘッド部のうちの対応するものの内部に挿入されて、前記対応するヘッド部の内壁に強制接触する、複数の補強要素をさらに備える、請求項２０に記載のビームシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造ビームの分野に関する。より詳細には、本発明は、三角形のヘッド部を有する軽量ビームに基づくモジュール式補強ビームコネクタシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
組立式木製桁、積層木製ビーム、鉄筋コンクリートビーム、および鉄骨ビームなど、さまざまな種類の構造ビームが商業用および住宅用建築物に利用されている。鋼はビームに最も一般的に使用される材料であり、それにより得られたビームは、Ｉ字断面、Ｈ字断面、Ｃ字断面、Ｚ字断面、および経路付き断面で構成される。構造鋼ビームのさまざまな構成は、熱間または冷間圧延プロセスによって製造されることが最も一般的である。これにより通常、ビームは所定の耐荷重能力に対して比較的重くなる。
【０００３】
Ｉビームは、比較的高い耐荷重能力と慣性モーメントを誇るため、鉄骨フレームを構築するために、最も一般的に使用される構造ビームの種類である。そのようなビームは、ウェブと、ウェブに垂直で、ウェブの反対の縁にある一対のフランジとを有する。これにより、ビームは単体で、または複数のビームとして利用できる。この際、一般的には、２つ以上のビームの接続には複数の要素が利用される。したがって、大きな静的負荷が安全にビーム上に支持可能となる。本明細書では、少なくとも１つのビームまたはポスト（一般に複数のビームまたはポスト）、および１つまたは複数の接続要素から構成されるアセンブリを「ビームシステム」と称する。
【０００４】
Ｉビームは、ビレットで溶鉄を鋳造した後、熱間圧延プロセスによって形成される。多くの場合、標準的寸法（例えば、６または１２メートル）を有するＩビームが建設現場に納入される。そこでさらなる建築用処理が施されて、所定の建設計画の建築およびエンジニアリング仕様にカスタマイズされるのである。当該処理としては、１つまたは複数のウェブまたは１つまたは複数のフランジを切断して、所望の寸法のビームを得ること、接続要素にビームを溶接すること、溶接接合点を滑らかにすることと、ビームまたはビームシステムを亜鉛メッキして塗装することと、ビームまたはビームシステムをフレーム構造に組み付けることを含む。これらの追加的な建築用処理は時間と費用がかかる。
【０００５】
ビームシステムの構造的特性を損なうことなく、ビームシステムの製造および組み立てコストを削減することは望ましく、それが本発明の目的である。
【０００６】
Ｉビームよりも少ない鋼を要する鋼板から製造されながら、同じ耐荷重能力を実現する構造ビームが、従来技術により数多く公知となっている。例えば、ブルックスに付与された米国特許第９９１，６０３号明細書およびダンらに付与された米国特許第３，６９８，２２４号明細書は、上下に中空フランジを形成するように曲げられた、単一の材料片で形成された金属製擬似Ｉビームを開示している。本発明者に付与された米国特許第５，５５３，４３７号明細書は、三角形のヘッド部、ウェブ部、ウェブフランジ、およびテールフランジを有する、２つの反対向きの交互配置部材による擬似Ｉビームを開示している。二軸対称性を持つヘッドフランジの三角形状により、従来のＩビームよりも横方向の安定性が高い。
【０００７】
三角形のヘッド部を備えたこのような従来技術の軽量構造ビームを自動処理で製造するのは容易ではない。当該ビームは以下のように製造される。まず、冷間圧延プロセスにおいて板金が、結晶温度以下で複数のローラ対を通過する。そして焼きなまされて所望の形状に曲げられる。三角形の２つの頂点が形成された後に、供給された金属シートは、第３の頂点を形成するように適切に支持できない。該当する部分に接触不能なためである。また、構造ビームの望ましい長さは多くの場合１５ｍである。三角形のヘッド部を持つ構造的に強固なビームの製造に必要な板金の必要な厚さは８ｍｍともなる。これは、大概の商用コールドローラの対応可能な厚さを遥かに超えている。
【０００８】
米国のＢｕｔｌｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙは、モジュール式ビームシステムを製造している。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｕｔｌｅｒｍｆｇ．ｃｏｍ／ｂｕｉｌｄｉｎｇ＿ｓｙｓｔｅｍｓ／ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ．ａｓｐ参照。このようなビームシステムは、三角形のヘッド部を持たないソリッドウェブプライマリＩビームフレーム、予備構造のオープンウェブトラス母屋桁（二次構造部材）、およびロッドブレースなど、さまざまなコンポーネントを利用する。これらのシステムにおいては、ビームシステムのコンポーネントは、製造後に亜鉛メッキされ、互いに溶接される。したがって、製造および組み立てコストは比較的高い。さらに、接続要素は、ウェブ部ではなくフランジに溶接される。したがって、応力がフランジに集中するので、コンポーネントのさらなる大型化、高コスト化が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、三角形のヘッド部を有するビームに基づくビームシステムを提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、応力集中を最小限に抑えながら、ビームが補強されるビームシステムを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、製造および組立作業が簡単に実行しやすくなるビームシステムを提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、そのすべての構成要素が溶接の必要なしに組み立てられるように構成されたモジュール式ビームシステムを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかになるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第９９１，６０３号明細書
【特許文献２】米国特許第３，６９８，２２４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５５３，４３７号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｂｕｔｌｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｕｔｌｅｒｍｆｇ．ｃｏｍ／ｂｕｉｌｄｉｎｇ＿ｓｙｓｔｅｍｓ／ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ．ａｓｐ
【発明の概要】
【００１６】
補強ビームシステムは、１つ以上の対の角度間隔を空けた、コーナー接続ビームであって、前記対の少なくとも１つの第１および第２ビームは、２つの反対向きの三角形の閉じたヘッド部により構成され、当該ヘッド部の底辺はフランジを画定し、前記２つの閉じたヘッド部の間にウェブが介在したコーナー接続ビームと、それぞれ前記ヘッド部の対応するものの内部内に挿入され、前記対応するヘッド部の内壁に強制的に接触する複数の補強要素と、前記コーナー接続ビームの対のそれぞれに対する、少なくとも１つの屈曲コネクタを備え、前記屈曲コネクタのうちの１の屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第２ヘッド部の前記フランジに当接し、前記補強要素のうちの第１補強要素に接続され、前記第１補強要素は前記第１ビームの前記第２ヘッド部内に挿入され、前記１の屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第１ヘッド部の前記フランジに当接し、前記補強要素のうちの第２補強要素に接続され、前記第２補強要素は前記第２ビームの前記第１ヘッド部および前記第１ビームの第１ヘッド部内の両方内に挿入される。
【００１７】
各補強要素が、対応するヘッド部の内部に挿入され、対応するヘッド部の内壁に強制接触することにより、補強ビームが実現される。このビームはより薄い板金で形成されることから、従来のビームと同じ寸法で１０〜１５％重量減となる。しかも、従来のビームと比較して、耐荷重能力と慣性モーメントが損なわれることがない。
【００１８】
屈曲コネクタは、ビームが亜鉛メッキまたは塗装されている場合でも、第１ビームのウェブと第２ビームのウェブの間、または第１ビームのフランジと第２ビームのフランジの間でせん断力を伝達する。これにより、モーメント接続において、モーメントの大きさが抑えられる。
【００１９】
ビーム、補強要素、および屈曲コネクタが形成される材料は、鋼、アルミニウム、または他の高構造強度材料である。
【００２０】
本明細書に記載の「ビーム」または「複合ビーム」（互いに入れ子になった２つの部材を含む）は、２つの反対方向のヘッド部と２つのこのヘッド部の間に介在するウェブを備えた剛性の細長構造部材である。前記ヘッド部の少なくとも１つは閉じた三角形で、ウェブに略垂直の、その三角形のヘッド部のフランジは任意の適した配向で設置される。当該配向としては、水平配向、垂直配向（ポストとして機能）、および斜めの配向（例えば棟木として機能）が挙げられる。「横断」方向は、ビームの長さに沿った方向を示す。「長手」方向とは、ビームの２つの三角形のヘッド部間の方向を示す。「横方向」は、複合ビームの２つのウェブ部間の方向を示す。ビームの「配向」は、フランジの配向を示す。
【００２１】
一態様において、前記第２補強要素は、前記第２屈曲コネクタの第１脚部が前記第１ビームの前記第１ヘッド部の内部に挿入され、前記第２屈曲コネクタの第２脚部が前記第２ビームの前記第１ヘッド部の内部に挿入されるように配置される第２屈曲コネクタである。
【００２２】
一態様において、ビームシステムは、前記コーナー接続ビームの少なくとも１組に対する第３屈曲コネクタをさらに備え、前記第３屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの前記第１ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第２屈曲コネクタの前記第１脚部に接続され、前記第３屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第２ヘッド部の前記フランジに当接し、前記第２ビームの前記第２ヘッド部内に挿入された第３補強要素に接続される。
【００２３】
一態様において、前記第１ビームは垂直配向ビームで、前記第２ビームは水平配向ビームで、前記１の屈曲コネクタの前記第１および第２脚部は約９０度の角度間隔を空けている。
【００２４】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の内壁に、強制的に、非接続状態で接触する。
【００２５】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に接続される。
【００２６】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に、１つ以上のコールドファスナ（ｃｏｌｄ  ｆａｓｔｅｎｅｒ）により接続される。
【００２７】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、前記対応するヘッド部の前記内壁に溶接される。
【００２８】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、逆Ｕ字状バーとして構成され、当該逆Ｕ字状バーの基部は、前記対応するヘッド部の前記フランジに強制的に接触し、２本の脚部は、前記対応するヘッド部の２つの斜め要素にそれぞれ強制接触し、前記対応するヘッド部および前記ウェブの接合部に向けられている。
【００２９】
一態様において、前記補強要素のうちの１つ以上は、一定の長手方向寸法を有し、前記対応するヘッド部の前記フランジに強制接触する。
【００３０】
一態様において、前記第１および第２ビームのそれぞれは、２つの別個の部材からなる複合ビームであって、当該部材は、前記２つの部材の対応するヘッド部が互いに入れ子状態になり、前記２つの部材の隣接要素が相互安定化接触するように配置される。前記複合ビームの各部材は、第１ヘッド部と、第２ヘッド部と、前記第１ヘッド部および第２ヘッド部の間に介在する、長手方向に配置されたウェブ部とを有し、前記第１および第２ヘッド部は、略横方向に配置された対応するフランジと、前記フランジの第１横方向端部から前記ウェブ部に延在する斜め要素と、前記フランジの第１横方向端から延在する、前記斜め要素よりもかなり短い斜めリップにより構成される。
ビームのいくつかの利点を以下に挙げる。
【００３１】
１．横方向の安定性−ヘッド部の三角形の構成は安定性を向上し、特にフランジが圧縮される場合に有利となる。
２．二軸対称性−荷重の偏心が最小限に抑えられ、筋交いおよび／またはブリッジングの必要性が最小限に抑えられるように、横方向の不安定性の問題を軽減される。
３．強度の最適化−フランジとウェブの厚さをそれぞれ調整して、曲げ強度とせん断強度を最適化し、ビームの重量効率を高めることが可能になる。
４．ウェブ非低減−複合ビームの２つの部材の隣接要素の相互安定化接触により、ウェブの非剛性部分の長さ短縮、ウェブの座屈抵抗改善が図られる。
５．ロール成形−荷重支持ビームの三角形のヘッド部全体にローラが接触できるため、迅速、自動、経済的な成形作業が促進される。
６．溶接されていないコネクタの互換性−ビームは、工学的規格に準拠しながら、モーメントとせん断力を伝達するように適合されたコネクタへのコールドファスニング（ｃｏｌｄ  ｆａｓｔｅｎｉｎｇ）がしやすくなるような開口部で構成される。
７．溶接なしの耐震性。
【００３２】
スタンピング、リブ成形、クリンチング、リベット留めを含むロール成形手順とともに、ビーム用の追加の製造技術を実施してもよい。
【００３３】
一態様において、入れ子状態のヘッド部と相互安定化接触するウェブ部との間の接合部における、長手方向に離間した前記複合ビームの第１および第２ヘッド部接合部が、前記対応するフランジに垂直な平面で、同一平面上に存在する。
【００３４】
一態様において、横方向に間隔を空けた２つ以上のビームと、その間に挿入される前記補強要素に、波形金属シートが接続される。
【００３５】
一態様では、垂直配向ビームは、基礎に埋め込まれる。前記埋め込まれたビーム内に、追加垂直配向ビームが入れ子状態で接続される。
【００３６】
一態様において、ビームシステムは２つ以上の基礎埋め込みビームと、前記第１および第２屈曲コネクタにより、２つの隣接した基礎埋め込みビームそれぞれに接続された水平配向ビームとをさらに備える。
【００３７】
一態様では、ビームシステムは前記ハンガーのうちの２つ以上を互いに接続する、コの字ハンガーをさらに備える。
【００３８】
一態様では、ビームシステムはトラス接続に使用される。
【００３９】
補強モーメント接続付きのビームシステムは、１つ以上の対の角度間隔を空けた、コーナー接続ビームであって、前記対の少なくとも１つの第１および第２ビームは、２つの反対向きの三角形の閉じたヘッド部により構成され、当該ヘッド部の底辺はフランジを画定し、前記２つの閉じたヘッド部の間にウェブが介在したコーナー接続ビームと、前記コーナー接続ビームの対のそれぞれに対する、２つ以上の屈曲コネクタを備え、前記屈曲コネクタのうちの第１屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第２ヘッド部の前記フランジに接続され、前記第１屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第１ヘッド部の前記フランジに接続され、
前記屈曲コネクタのうちの第２屈曲コネクタの第１脚部は、前記第１ビームの第１ヘッド部の前記フランジに接続され、前記２屈曲コネクタの第２脚部は、前記第２ビームの第２ヘッド部の前記フランジに接続される。
【００４０】
一態様では、ビームシステムは、前記第１ビームの前記ウェブと、前記第１屈曲コネクタの前記第２脚部のそれぞれの側面を接続するフランジ付きエンドプレートをさらに備える。
【００４１】
一態様では、ビームシステムは、それぞれ前記ヘッド部のうちの対応するものの内部に挿入されて、前記対応するヘッド部の内壁に強制接触する、複数の補強要素をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ビームシステムの一実施形態の側面図である。
【図２】複数の異なる構成のビームを、側面側から示す斜視図である。
【図３】図２のビームのいずれかと組み合わせて使用可能な補強要素の実施形態を、上から示す斜視図である。
【図４】ビームシステムの別の実施形態を、側面側から示す斜視図である。
【図５】ビームシステムの別の実施形態を、上から示す斜視図である。
【図６】図５のビームシステムを、ビームなし側面側から示す斜視図である。
【図７】補強要素および屈曲コネクタを断面図で示す、図５のビームシステムの側面図である。
【図８】基礎埋め込みビームシステムを上から示す斜視図である。
【図９】図８のビームシステムを、入れ子状態のビームとともに上から示す斜視図である。
【図１０】２つの基礎埋め込みビームを含むビームシステムを側面側から示す斜視図である。
【図１１】（ａ）は、ビーム接続ハンガーの実施形態を上から示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のハンガーを備えるビームシステムを上から示す斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）のビームシステムの側面図である。
【図１２】（ａ）は、ビーム接続ハンガーの実施形態を上から示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のハンガーを備えるビームシステムを上から示す斜視図である。
【図１３】（ａ）は、ビーム接続ハンガーの実施形態を上から示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のハンガーを備えるビームシステムを上から示す斜視図である。
【図１４】（ａ）は、ビーム接続ハンガーの実施形態を上部から示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のハンガーを備えるビームシステムを上から示す斜視図である。
【図１５】別の実施形態に係るビームシステムを側面側から示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明は、１つ以上の軽量構造ビームと、少なくとも１つの補強要素とを備える新規な補強ビームシステムに関する。軽量構造ビームは、従来のＩビームに対して、横方向の安定性および重量に対する強度比を向上する２つの三角形のヘッド部を有する。補強要素は、ビームのヘッド部の内部に挿入および接続される。
【００４４】
いくつかの先行技術のビームは、冷間圧延プロセスによって生成された三角形のヘッド部で構成されている。これらのヘッド部は閉じた三角形であり、その第３の側面は、接触不能なところに位置し、また供給された板金が、閉じた三角形を形成するように曲げられており、ローラにより支持できないため、迅速かつ自動的な成形ができない。一方、本発明のビームは、２つの部材の対応するヘッド部が互いに入れ子になるように配置された２つの別個の反対向きの部材で作られた複合ビームである。各ヘッド部は不完全な三角形であるため、部材のリップ、すなわち端は十分にローラによって接触可能である。したがって、成形する部材の所望の構成を実現できる。一方の部材のヘッド部を他方の部材の対応するヘッド部内で入れ子にすることで、２層の、すなわち剛性の増した頂点を持つ閉じた三角形が形成される。溶接は不要である。したがって、このようなビームの製造および１つまたは複数のビームを使用するビームシステムの組み立ては、従来技術の場合よりも迅速かつ経済的である。しかも、耐荷重能力は実質的に損なわれない。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態によるビームシステム１の側面図を示す。ビームシステム１は、複合ビーム１０と、ビームの２つの三角形ヘッド部の内部にそれぞれ挿入された２つの補強要素３７および３８とを備える。
【００４６】
本発明の複合ビームは、水平方向または斜めにして使用されるだけではなく、垂直にしてポストとしても使用できることが理解されよう。以下の説明は、水平配向のビームに適用されるが、その他あらゆるビーム配向も適用可能である。
【００４７】
ビーム１０は、互いに入れ子になり、反対向きで横断方向に延在する２つの部材５および１５を含む。以下の説明は部材５に関するものであるが、部材１５は同様に構成されていることが理解されよう。
【００４８】
部材５は、第１ヘッド部２、第２ヘッド部１２、および第１ヘッド部２と第２ヘッド部１２との間に介在する、長手方向に配置されたウェブ部７を有する。第１ヘッド部２は、略横方向に配置されたフランジ６（すなわち長手方向に配置されたウェブ部７に対して垂直）と、フランジ６の横方向における一端部において、横断方向に延在する第１ヘッド部接合部４から接合部８に延びる斜め要素３と、横方向の他端において、フランジ６の接合部１１から斜めに延在するリップ１３とを含む。リップ１３は接合部４に向かっているが、斜め要素３よりもかなり短い。第２ヘッド部１２は、第１ヘッド部２のフランジ６よりも寸法が長い略横方向に配置されたフランジ１６と、フランジ１６の横方向一端において、横断方向に延在する第２ヘッド部接合部１４から接合部１８に延びる斜め要素２３と、横方向の他端において、フランジ１６の接合部２６から斜めに延在するリップ２７とを含む。リップ２７は接合部１４に向かっているが、斜め要素２３よりもかなり短い。
【００４９】
リップ１３と第１ヘッド部２のフランジ６との間の角度は、斜め要素２３と第２ヘッド部１２のフランジ１６との間の角度と略同一である。リップ２７と第２ヘッド部１２のフランジ１６との間の角度は、斜め要素３と第１ヘッド部２のフランジ６との間の角度と略同一である。第２ヘッド部１２の接合部１４からフランジ１６までの長手方向寸法は、第１ヘッド部２の接合部４からフランジ６までの長手方向寸法とフランジ６の厚さの合計に実質的に等しい。したがって、部材１５の２つのヘッド部が部材５の２つのヘッド部に入れ子になることで、部材５と１５の対応する要素同士が、相互安定化接触状態となる。したがって、部材５の要素が、部材１５の対応する要素を（またはその逆）、安定するように物理接触する。したがって外力がビーム１０に加わっても、部材１５に対する部材５の相対変位はわずかである。相互安定化接触状態にある２つの要素は、必ずしも相互に物理的に接触せず、外力が加えられる際に物理的に接触してもよい。したがって、相互安定化接触は、変位した要素のさらなる変位を防止する。図示のように、部材５および１５の各ウェブ部７、および対応する対のフランジ６および１６、斜め要素３およびリップ２７、および斜め要素２３およびリップ１３は、相互安定化接触する。ビームにおいて、部材５と１５の対応する要素間の相互安定化接触が実現されていることで、鋼板は、比較的単純な冷間圧延機に利用できるように厚さがわずか４ｍｍとなるが、構造強度は厚さ８ｍｍの鋼板並みとなる。
【００５０】
複合ビーム１０はまた、第１および第２ヘッド部が入れ子になった状態で、頂点の補強も図るものである。第１および第２ヘッド部はそれぞれ不完全な三角形であるが、入れ子配置となると、実質的に閉じた三角形が形成される。したがって、底部複合ヘッド部に関して、閉じた三角形は、フランジ６と１６、部材５の斜め要素２３である第１の側面、および部材１５の斜め要素３である第２の側面で構成される２層のベースによって画定される。部材１５の第１ヘッド部は部材５の第２ヘッド部に入れ子になっているため、部材１５の第１ヘッド部の頂点、または接合部付近の２つの隣接する要素間を繋ぐ丸みを帯びた部分は、それに相互安定化接触している部材５の第２ヘッド部の頂点によって剛性が増している。複合ヘッド部の閉じた三角形は正三角形であることが好ましいが、角度の組み合わせが異なるその他閉じた三角形も適切となる。
【００５１】
複合ヘッド部による閉じた三角形を形成することによるさらなる利点として、第１および第２ヘッド部要素の寸法の違いにより、第１ヘッド部接合部４および第２ヘッド部接合部１４の各対が、フランジ６および１６に垂直な平面において、同一平面上に配される。本発明とは異なり、第１ヘッド部接合部４および第２ヘッド部接合部１４がフランジ６および１６に垂直な平面上において同一平面上にない場合、２つのウェブ部７の領域は相互安定化接触とならない。例えば、底部複合ヘッド部に関して、部材５の接合部１４は、部材１５の接合部４から横方向に間隔を空けて配置され得る。したがって、部材５のウェブ部７の、部材１５の接合部４の下の領域は支持されないので、大きな力が加わると座屈しやすくなる。したがって、本発明の複合ヘッド部の閉じた三角形の構成は、強風または地震に対して非常に重要である、ビームの横方向の安定性を高める。
【００５２】
補強要素３７は逆Ｕ字状のバーとして構成されてもよく、その基部は部材１５のフランジと接触し、その２つの脚部はそれぞれ部材１５の２つの斜め要素と接触し、接合部４に向けられる。補強要素３８も同様に構成されているが、反対向きである。すなわち、その２本の脚部は接合部１４に向けられる。補強要素３７の厚さは、部材５および１５の厚さよりも大幅に大きく、例えば１０ｍｍとなる。
【００５３】
ヘッド部の内壁に強制接触または係合する限り、任意の他の所望の構成の補強要素も使用できることが理解されよう。
【００５４】
図２に示すように、複合ビーム１０のフランジ６には、複数の貫通穴２４が、これらの貫通穴２４を介してコールドファスナ（例えばねじ、ボルト、およびリベット）は、図３に示す補強要素３７に対応するように並んで形成された雌ねじ穴３９と、ナット不要でねじ係合するように横方向に間隔を空けて形成されている。補強要素３７は、ビーム１０と同じ横断寸法を有し、補強要素のねじ穴がフランジの貫通穴と目視検査または当業者に周知のマーカーのような手段によって決定されるまで、ヘッド部の内部に単純に真直ぐ導入されてもよい。ビーム１０の横断方向寸法は１５ｍまたは２５ｍと長くなるが、それでもヘッド部２は、補強要素３７によってその当接面に加えられる力によって補強された状態が維持される。
【００５５】
図２は、ビーム１０に加えて、例えばせん断パネルと組み合わせて使用するために、ビーム１０と同様に２つの三角形のヘッド部を有するが、ビーム１０よりもかなり短いウェブを有するビーム２１も示す。ビーム２１の短いウェブの座屈は、２つの三角形のヘッド部により防止される。溝付きビーム２２は１つの三角形のヘッド部を持ち、耐荷重スタッドまたは屋根の骨組みに使用できる。ビーム２８は、例えば、木製の部位または床ビームが挿入される１つの三角形のヘッド部と１つの長方形の中空のヘッド部とを有する。
【００５６】
図４は、複数のボルト４８により、同一の横断方向に延びる２つの複合ビーム１０Ａおよび１０Ｂと、対応する補強要素３７および３８に接続される、横方向に延びる波形金属シート４４を含むビームシステム４１を示す。波形シート４４は、床の成形、または他の所望の目的に使用されてもよい。ボルト４８は、波形シート４４と一方または両方の複合ビームとの間の引張力および圧縮力、ならびにモーメントの伝達を可能にする。
【００５７】
図５は、垂直配向複合ビーム１０Ｃと水平配向複合ビーム１０Ｄとをモーメント接続により結合するように組み立てられたコーナー接続ビームシステム５１を示す。複合ビーム１０Ｄは、垂直寸法が複合ビーム１０Ｃよりかなり短い。ビームシステム５１は、複数のコネクタを備え、その各々は、ビーム１０Ｃおよび１０Ｄの一方または両方に接続されている。当該コネクタは、屈曲コネクタ５４および矩形（例えば正方形）のエンドプレート５８〜５９を含む。ビーム１０Ｃと１０Ｄは、互いに接続されると、横断方向に揃えられる。
【００５８】
ビームシステム５１は、補強要素付きで構成されてもよく、あるいは補強要素なしで構成されてもよい。ビームシステムが補強要素なしで構成される場合、コネクタは、リベット、またはヘッド部に導入された道具で操作されるボルトおよびナットなどのさまざまな手段によってビームに接続されてもよい。
【００５９】
したがって、ビームシステム５１は、多様な用途に同じビームが使用可能であり、第１のコネクタから取り外して、第２のコネクタに取り付けることもできるという点でモジュール式である。本発明のビームシステムの別の利点として、既存の構造物（例えば、業務用エアコン）に新たに取り付けられるアセンブリによって加えられる荷重を分散させるために、コネクタを既存の構造物のビームに溶接することなく取り付けることができる。一方で、先行技術のビームシステムの場合、新たに取り付けられたアセンブリによる集中応力を低減するために、構造に対して、筋交いおよび溶接を含む改修を行う必要がある。
【００６０】
図６は、見やすさのため、ビームが取り外された状態で、複数のコネクタを示す。一実施形態に示すように、３つの屈曲コネクタ５４〜５６、２対のフランジ付きエンドプレート５８〜５９、および一定の長手方向寸法を有する２つの均一厚さの補強要素６１〜６２が存在する。
【００６１】
図７は、ビームシステム５１を組み立てる１つの方法を示す。
【００６２】
ビーム１０Ｃと１０Ｄは互いに分離されているが、屈曲コネクタ５５の長い脚部６６がビーム１０Ｃのヘッド部１２に挿入され、短い脚部６７がビーム１０Ｃの上端から突出して、フランジ１６からフランジ６から離れる方向に横断方向に延在する。屈曲コネクタ５５の長い脚部６６は補強要素として機能するので、上述のように、ヘッド部１２の内壁に強制接触するＵ字状バーとして構成することができる。本明細書で説明される他の補強要素も同様に構成されてもよい。
【００６３】
屈曲コネクタ５４の短い脚部５２は、ビーム１０Ｃのフランジ６に当接しながら、補強要素６１がヘッド部２内に挿入されると、補強要素６１に形成された対応するねじ穴にコールドファスナによって接続される。補強要素６１の位置安定性および接触可能性を確保するために、ビーム１０Ｃを一時的に回転させて、例えば水平スタンド上で支持されるように水平方向に配向してもよい。脚部５２を補強要素６１すると、屈曲コネクタ５４の長い脚部５３は、屈曲コネクタ５５の固定されていない短い脚部６７に対して、小さな隙間を隔てて離間する。
【００６４】
補強要素６２がビーム１０Ｄのヘッド部１２内に挿入されると、ビーム１０Ｃのフランジ１６と当接して配置され、ビーム１０Ｄのフランジ６が屈曲コネクタ５４の長い脚部５３と屈曲コネクタ５５の短い脚部６７との間の間隙内に送り込まれるまで、例えばクレーンにより、ビーム１０Ｄがビーム１０Ｃに向かって動かされる。両方のビーム１０Ｃおよび１０Ｄのフランジ１６と接する屈曲コネクタ５４の２つの脚部は、ファスナによって、それぞれ、補強要素６１および屈曲コネクタ５５の脚部６６のねじ穴に接続される。そして屈曲コネクタ５４の長い脚部５３が、ファスナによって屈曲コネクタ５５の短い脚部６７のねじ穴に接続されると、ビーム１０Ｃおよび１０Ｄが互いに接続される。
【００６５】
ビーム１０Ｄのウェブ７の近傍でモーメント接続を強化するために、エンドプレート５９がウェブ７の各側面に隣接して配置される。図６に示すように、各エンドプレート５６はＬ字形であり、フランジ６６が設けられる。フランジ６６は、ファスナによって、屈曲コネクタ５５の脚部６６に形成された対応するねじ穴に接続される。そして、一対の２つのエンドプレート５９が、ウェブに形成された対応する貫通穴に通されたボルトとナットによって互いに接続される。同様に、２つのエンドプレート５８は、対応するフランジを介して屈曲コネクタ５４の脚部５３に接続され、互いに接続される。これにより、ビーム１０Ｃのウェブ７が補強される。
【００６６】
所定の場所に開けられる貫通穴またはねじ穴の数は、板金の厚さ、ビームの寸法、該当箇所での応力集中などの工学的検討事項に依存する。穴は、円形、矩形、楕円形の開口部を含む適宜な形状であってもよい。あるいは、現場の状況に合わせて穴を開けてもよい。
【００６７】
本発明のビームシステムは柔軟性を担保したモジュール式であるので、何らかの理由でビームとコネクタの穴が位置合わせされない場合でも、建設作業者によりコネクタとビームの接続が保証されるように、ビームまたはコネクタが再配置可能である。例えば、ビームは、その穴がコネクタの別の穴と揃うまで、伸縮式に横断方向に変位可能である。あるいは、コネクタの穴は、楕円形を有する等、適宜形成することができる。したがって、ビームが横断方向に若干変位すると、コネクタ部材の穴が一部ビーム周辺部で覆われながら、一部露出することで、対応するビーム穴を通過するコールドファスナとの係合が可能となる。ビームの穴をコネクタの穴に合わせることができない場合、ビームの周辺に追加の穴を開けてもよい。
【００６８】
屈曲コネクタ５５の代わりに、ヘッド部２および１２に挿入された補強要素を脚部５３に接続し、ヘッド部１２に挿入された補強要素を脚部６３およびフランジ付きエンドプレート５９に接続してもよい。
【００６９】
図８〜１０は、本発明の別の実施形態を示す。ビームシステム８１は、基礎８３に埋め込まれた少なくとも１つのビーム部材を備える。これにより、ビームシステムが受け得るあらゆる力およびモーメントに十分耐えられる構造強度を有するビームシステムが実現される。
【００７０】
図８では、垂直配向ビーム部材５は、基礎を製造するためのコンクリートが注がれる型枠内部の底面８１に配置された後、基礎８３に埋め込まれるように示される。基礎上面８４からビーム部材上縁部８７までのビーム部材５の高さは、他の構造要素を追加する前に座屈することなくビームシステムの要素を支持できるほど十分高い。ビーム部材５のフランジ６およびウェブ７には、そこに固定されるビームとの接続を容易にするための貫通穴が形成される。
【００７１】
垂直配向複合ビーム１０Ｃは、図９の埋め込みビーム部材５内に入れ子になっている。ビーム１０Ｃの各ヘッド部内に補強要素が挿入された後、ビーム部材５の各フランジは対応する補強要素に接続され、ビーム部材のウェブはビーム１０Ｃのウェブに接続される。
【００７２】
図１０は、２つの離間した基礎埋め込み垂直配向ビーム１０Ｃおよび１０Ｅと、対応するコーナー接続部５１によってビーム１０Ｃおよび１０Ｅに接続される水平配向ビーム１０Ｄとを備えるビームシステム８１を示す。
【００７３】
図１１（ａ）は、２つ以上のビームを互いに接続するためのコの字ハンガー９５を示している。ハンガー９５は、２つの平行な脚部９１および９２（例えば、矩形となる）と、脚部９１および９２を相互接続するフランジ係合可能要素９３と、脚部９２の横断方向端部に溶接された横方向に延在する取り付けプレート９７とを備える。
【００７４】
図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、ビーム１０Ａのフランジ６と係合した状態の相互接続要素９３を有するハンガー９５を含む、ビームシステム１０１を示す。ビーム１０Ａのウェブ７およびハンガー９５の２つの脚部９１〜９２を貫通し、対応するナット９８によって各脚部に固定されたねじ付きロッド９９は、取り付けプレート９７に荷重がかかっても、２つの脚部を間隔を空けた状態に維持する。荷重は、取り付けプレート９７に接続されたビーム１０４、例えば、フランジが長方形の取り付けプレート９７の上端に対して斜めになっているビームによって構成されることが示されている。
【００７５】
図１２（ａ）に示す、ハンガー１１４は図１１（ａ）のハンガー９５と同様だが、相互接続要素９３の横断方向縁部に溶接された長手方向に延びる取り付けプレート１１７を備える。
【００７６】
図１２（ｂ）は、ビーム１０Ａに接続されたハンガー１１４を使用するビームシステム１１１を示す。ビーム１０４は、取り付けプレート１１７に斜めに取り付けられように示されている。
【００７７】
図１３（ａ）に示すハンガー１２４は、図１２（ａ）のハンガー１１４と同様であるが、図１３（ｂ）に示すビームシステム１２１で使用されるように、２つの横方向に離間したビーム１０４Ａ〜Ｂを取り付け可能な横方向に長い取り付けプレート１２７を有する。
【００７８】
図１４（ａ）は、図１４（ｂ）に示すビームシステム１３１で使用されるよう、２つの横方向に離間したビーム１０４Ａ〜Ｂをそれぞれ取り付けることができる２つの横方向に離間した取り付けプレート１３６および１３７を有するハンガー１３４を示す。
【００７９】
図１５は、トラス接続に使用するビームシステム１４１を示している。正方形断面を有する２つの横断方向に分離された斜めおよび対称配向ロッド１４７および１４８は、２つの垂直に離間したビーム１０４および１０４Ｂのウェブ間の内部空間に配置され当該ウェブに接続される。
【００８０】
本発明のビームシステムは、異なる形状のその他多くの種類のビームにも適する。また、補強要素３７および３８は、ヘッド部の内部にねじ込まれるか、それ以外の方法で挿入されるのではなく、ビームの外部に設けられてもよい。
【００８１】
上記の説明は、溶接されない補強要素およびコネクタにより使用するビームシステムに関するが、本発明の範囲には、溶接された補強要素または溶接されたコネクタで構成されるビームシステムも含まれることが理解されよう。ビームシステムの前述の利点は、そのような実施形態にも当てはまる。
【００８２】
本発明のいくつかの実施形態を例示として説明したが、本発明は、多くの修正、変形、および適応を行い、本発明の主旨から逸脱することなく、または特許請求の範囲を超えることなく、当業者に想達される多数の均等物または代替の解決手段を使用して実行できることは明らかであろう。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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