EP1443153A1 - Noeud d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée - Google Patents
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- E04B2001/1996—Tensile-integrity structures, i.e. structures comprising compression struts connected through flexible tension members, e.g. cables
Definitions
- the present invention relates to an assembly node compression elements for cross-linked spatial structure, in particular for a structure of tensegrity type.
- a structure of tensegrity (of English “tensegrity", resulting from the contraction of the words “tensile” and “integrity”) is a reticular spatial structure formed of bars and cables, and whose rigidity and stability come from its state of self-restraint due to the combination cuts in the bars and pulls in the cables.
- This is a lightweight structure, easily demountable, and which offers the builder modularity, reuse and achievements architectural unpublished, very slender.
- This type of structure has been used so far only for the production of works art, because one of the major difficulties for its realization lies in the design of the assembly nodes which must be made in the form of patella so that the elements act as stiff-bar elements unilateral.
- the purpose of the present invention is to propose a node assembly of compression elements for spatial structure reticulated, in particular for a structure of the type tensegrity, to overcome the disadvantages of the nodes known assembly and in particular to ensure the serviceability of the said structure.
- the present invention relates to a knot assembly of compression elements for spatial structure reticulate, characterized by a central element having portions of curved surfaces with centers of curvature confused, on which the end of each of the elements in compression by simple contact in the minus one point, so as to constitute a kneecap, so that the resultants of the compression forces of each of said compressive elements converge substantially at the center of the central element.
- the assembly node according to the present invention has been designed so that the resulting compression forces of each of the compressed elements are convergent, of a part in order to limit the eccentricities inducing moments parasites in the node or in the compressed elements, and on the other hand so as to allow rotations and translations of said compressed elements with respect to the central element that can occur during assembly and the commissioning of the structure, as well as when the structure is then subjected to heavy demands.
- the knot would not be stable and would have tendency to turn. This node must therefore be realized under shape of patella.
- a ball of a first type consisting of a rounded shape 1, for example spherical or hemispherical, coming to rest on a cone 2, as represented in FIG. 1
- a patella of a second type under the shape of a conical element 3 coming to rest on a shape 4 rounded, for example spherical or hemispherical, as represented in FIG. 2.
- the room fixed 2, 4 is shown hatched.
- the assembly node according to the present invention is embodied in the form of a patella of the second type mentioned above.
- FIGS. 4, 5a and 5b The example of an assembly node according to the present invention shown in FIGS. 4, 5a and 5b, includes a ball spherical 7 in hardened, lubricated steel, on which press the conical ends of six compressed bars. As shown in FIG. 4, for any translation or ⁇ rotation of one of the bars, the bar is always centered. In addition, the redundancy of such a system accentuates its stability. In this respect, it can be noted that three bars properly arranged would be sufficient to ensure the directional stability of the node in space. It is so possible to make assembly nodes according to the invention with any number of bars, greater than or equal to three. However, the higher the number of bars, the higher the ball diameter must be large or respectively the larger the diameter of the bars should be small relative to the diameter ball to prevent the bars from coming into contact.
- the ball which can be replaced by a hollow ball, may also be made of any other metal or ceramic or any other suitable material.
- the extremities bars can be made of steel or any other metal or composite materials or any other suitable material.
- the ball may not be spherical, but made for example based on a cube or other figure geometrically, and whose surface is machined or arranged so to present spherical or rounded surface portions at the support points of the bars, all these surfaces having the same center of curvature.
- FIG. 6 An example embodiment of a compression bar for an assembly node according to the present invention is represented in FIG. 6.
- This bar has one end 10 having a machined face 11 of conical shape to cooperate with the spherical ball.
- This bar has a part threaded 12, on which are mounted a nut 13 and a lock nut 14 to allow the adjustment of the length of the compression element, the other end of the bar being mounted so that it can slide inside a compression tube 16 via a sleeve 17.
- a washer 18 is disposed behind the nut so that the bar is supported, when compressed, against the said muff. The whole is realized without mechanical connection other than the washer / sleeve contact.
- the part Threaded bar and nut could be replaced by a simple shoulder of the bar arranged to cooperate with the muff. Any other form of compression bars is good heard also possible.
- the end 11, intended for contact with the ball, of the bar shown in FIG. 6 has a conical surface very open, with a cone angle of 170 °.
- the conical shape is convenient for reasons of ease of machining and angle 170 ° has proved to be well adapted. But other angles, greater than or less than 170 °, may be used.
- the shape of the end surface of the bar could be different, such as tetrahedral, spherical, or any other curve, or even flattened shape.
- the spherical ball is lubricated to allow rotations and / or translations of the ends of the bars to its surface, in particular at the time of setting up for service or when strong demands in service.
- This lubrication can by example be obtained by means of a lubricator that passes through a channel provided for this purpose within one or more bars.
- connection between the compression bars and the spherical ball is made by simple contact without mechanical connection
- assembly of the assembly requires a additional mounting device that can be realized in the form of a cylinder 20 as shown in Figs 7a, 7b and 8, arranged around the spherical ball 4 and crossed by the ends of the six bars.
- lights 21 are machined in the cylinder.
- the spherical ball 7 can be locked in the cylinder of mounting by two adjusting screws 22, 23 to adjust the height of the spherical ball and to block it, said screws capable of being mounted on threaded ties 24, 25 arranged at both ends of the mounting cylinder. So that the ends of the bars are retained by the cylinder 20, the bars 6 comprise a portion 8 of reduced diameter below their ends 10 so as to constitute a shoulder 9 which is retained inside the cylinder.
- the cylinder can be took of.
- the assembly node the invention is used in structures intended to undergo large displacements, one can plan to keep at home the cylinder on the knot which then constitutes a cylinder of security.
- the cylinder can be replaced in of service by a "shell" of flexible material that we inject around the ball, for example in a material elastomer.
- the cylinder can be replaced by any other suitable device, for example a cap.
- the assembly node according to the present invention which allows the convergence to a point, as we have seen, of resulting from the forces of the compressed elements, this only by contact without mechanical connection, is a solution costly, since no welding, no drilling or bending is not necessary.
- This solution can be applied only to reticular spatial structures with bars as described in the example above, but also to any other type of structure, for example deployable structures, rides and also in the medical field, for the realization of prostheses, for example of hip prostheses.
- the compressed elements are not not necessarily bars, but can be elements in any form, the same element may have more than one point of contact with the central element of the node.
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Abstract
Le noeud comprend une bille sphérique centrale (7) sur laquelle s'appuient les extrémités de six barres (6) en compression par simple contact sans liaison mécanique. Les faces frontales (12) des extrémités des barres (6) sont de forme conique. <IMAGE>
Description
La présente invention concerne un noeud d'assemblage
d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée,
en particulier pour une structure de type tensegrité.
Une structure de tensegrité (de l'anglais "tensegrity",
qui résulte de la contraction des mots "tensile" et
"integrity") est une structure spatiale réticulée formée de
barres et de câbles, et dont la rigidité et la stabilité
proviennent de son état d'autocontrainte due à la combinaison
de compressions dans les barres et de tractions dans les
câbles. Il s'agit d'une structure légère, facilement
démontable, et qui offre au constructeur des opportunités de
modularité, de réutilisation et de réalisations
architecturales inédites, très élancées. Ce type de structure
n'a été utilisé jusqu'ici que pour la réalisation d'oeuvres
d'art, du fait que l'une des difficultés majeures pour sa
réalisation réside dans la conception des noeuds d'assemblage
qui doivent être réalisés sous forme de rotules pour que les
éléments agissent comme des éléments-barre à rigidité
unilatérale.
Dans de tels assemblages réunissant les éléments
comprimés, deux conditions principales doivent être résolues,
à savoir :
- faire converger l'axe longitudinal des éléments en compression, et
- minimiser les frottements et phénomènes non linéaires.
Il convient par conséquent de proposer une solution qui
permette de minimiser l'excentricité des éléments comprimés,
de façon à éviter les moments parasites dans le noeud ou dans
les éléments comprimés. En d'autres termes, le problème
consiste à réussir à faire sensiblement converger en un point
unique les résultantes des forces de compression de chacun des
éléments. Du fait qu'une structure de type tensegrité se doit
d'être une structure légère et flexible, les noeuds
d'assemblage massifs et lourds sont à éviter.
Aucun des noeuds d'assemblage qui ont été proposés
jusqu'ici ne permet de remplir ces conditions.
Parmi les noeuds d'assemblage que l'on connaít, le noeud
probablement le plus connu pour son application dans de
multiples treillis est le noeud de Mero, décrit dans le brevet
américain no 3,826,584. Le succès de ce type de noeud réside
dans son potentiel d'adaptation, dû à sa forme sphérique de
faible rayon. Toutefois, la fixation des barres par vissage ne
paraít de loin pas adaptée à supporter les déformations très
importantes des structures de tensegrité.
On connaít d'autre part des noeuds d'assemblage pour
barres à têtes sphériques proposés dans le brevet américain no
4,480,418. Ce type de noeuds permet la réalisation de grillage
spatiaux de n'importe quelle géométrie. Toutefois, dès que la
géométrie désirée est atteinte, le mouvement de certaines
barres est bloqué par les deux calottes (voir figure 17,
élément 5). Dans ce cas, quatre des barres (sur les douze que
compte le noeud) sont encastrées dans le noeud, ce qui
implique que ce type de noeud n'est pas adapté pour les grands
déplacements intervenant dans les structures de tensegrité,
qui induiraient alors la plastification du noeud, ce qui
provoquerait une instabilité du noeud de la structure. De
plus, les huit barres qui ne sont pas encastrées ne peuvent
tourner autour du noeud que dans le plan vertical, mais pas
dans le plan horizontal. Par conséquent, les résultantes des
forces agissant sur les barres ne sont pas toujours
concourantes.
Un autre type de noeud d'assemblage destiné à des
applications générales de treillis est proposé dans la demande
de brevet internationale no WO 94/13895. Il s'agit d'un noeud
d'assemblage à rotules, qui a été notamment utilisé dans la
toiture de l'aéroport de Milan - Malpensa 2000 et qui est
commercialisé sous la marque déposée VESTRUT. Ce type de noeud
a été développé pour éviter aux éléments du treillis de
reprendre des efforts de flexion. Le principe consiste à
rapprocher le plus possible les extrémités elliptiques des
barres contenues dans un châssis, dont la forme intérieure est
sphérique. En fait, ce type d'assemblage part de l'hypothèse
que la combinaison des rotules locales forme une rotule
globale. Compte tenu de la forme sphérique de l'intérieur du
châssis, ce système paraít plutôt adapté pour des éléments
uniquement en traction, où l'axe longitudinal des barres reste
convergent, cette dernière condition n'étant pas forcément
réalisée dans le cas de compression. De plus, compte tenu du
fait que cette technique de fabrication consiste à partir d'un
élément de matière plein dans lequel sont usinées des cavités
elliptiques, ce type de noeud est relativement coûteux à
réaliser.
Le but de la présente invention est de proposer un noeud
d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale
réticulée, en particulier pour une structure de type
tensegrité, permettant de remédier aux inconvénients des noeuds
d'assemblage connus et permettant notamment d'assurer
l'aptitude au service de ladite structure.
A cet effet, la présente invention concerne un noeud
d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale
réticulée, caractérisé par un élément central présentant des
portions de surfaces arrondies à centres de courbure
confondus, sur lesquelles viennent s'appuyer l'extrémité de
chacun des éléments en compression par simple contact en au
moins un point, de façon à constituer une rotule, de façon que
les résultantes des forces de compression de chacun desdits
éléments en compression convergent sensiblement au centre de
l'élément central.
La description qui suit, d'un exemple de mode de
réalisation du noeud d'assemblage selon l'invention, se réfère
aux dessins, sur lesquels :
- la fig. 1 illustre de façon schématique un premier type de rotule pour l'assemblage d'éléments en compression, consistant en une forme sphérique venant s'appuyer sur un cône;
- la fig. 2 illustre de façon schématique un second type de rotule pour l'assemblage d'éléments en compression, consistant en un élément en forme de cône venant s'appuyer sur une forme sphérique;
- la fig. 3 illustre l'association de rotules du type de la fig. 1;
- la fig. 4 illustre de façon schématique un noeud d'assemblage selon la présente invention;
- les fig. 5a et 5b sont respectivement une vue en élévation et une vue en plan d'un noeud d'assemblage selon la présente invention;
- la fig. 6 illustre de façon schématique un exemple de barre du noeud d'assemblage selon la présente invention;
- les fig. 7a et 7b sont respectivement une vue en élévation et une vue en plan d'un noeud d'assemblage selon la présente invention équipé d'un cylindre de montage; et
- la fig. 8 est une vue schématique en coupe d'une variante du noeud des fig. 7a et 7b avec le dispositif de montage.
Le noeud d'assemblage selon la présente invention a été
conçu de façon que les résultantes des forces de compression
de chacun des éléments comprimés soient convergentes, d'une
part afin de limiter les excentricités induisant des moments
parasites dans le noeud ou dans les éléments comprimés, et
d'autre part de façon à autoriser des rotations et
translations desdits éléments comprimés par rapport à
l'élément central qui peuvent se produire lors du montage et
de la mise en service de la structure, ainsi que lorsque la
structure est ensuite soumise à de fortes sollicitations. Dans
le cas où cette convergence des résultantes des forces ne
serait pas assurée, le noeud ne serait pas stable et aurait
tendance à tourner. Ce noeud doit de ce fait être réalisé sous
forme de rotule.
A cet effet, deux types de rotules peuvent théoriquement
être réalisées, à savoir une rotule d'un premier type,
consistant en une forme 1 arrondie, par exemple sphérique ou
hémisphérique, venant s'appuyer sur un cône 2, telle que
représentée à la fig. 1, et une rotule d'un second type sous
la forme d'un élément conique 3 venant s'appuyer sur une forme
4 arrondie, par exemple sphérique ou hémisphérique, telle que
représentée à la fig. 2. Sur chacune des fig. 1 et 2, la pièce
fixe 2, 4 est représentée hachurée.
Or, la réalisation d'un noeud à l'aide de rotules du
premier type ci-dessus, telle que représenté à la fig. 3,
n'est pas satisfaisante. On peut en effet remarquer tout de
suite que les barres 5 ne convergent pas toujours, ce qui
implique une possible rotation du noeud. En revanche, dans un
noeud réalisé à l'aide d'une rotule du second type ci-dessus,
tel que représenté à la fig. 4, on voit immédiatement que les
barres 6 convergent toujours au centre de la sphère.
Par conséquent, le noeud d'assemblage selon la présente
invention est réalisé sous la forme d'une rotule du second
type mentionné ci-dessus.
L'exemple de noeud d'assemblage selon la présente
invention représenté aux fig. 4, 5a et 5b, comprend une bille
sphérique 7 en acier trempé, lubrifiée, sur laquelle viennent
s'appuyer les extrémités coniques de six barres 6 comprimées.
Comme on l'a représenté à la fig. 4, pour toute translation ou
rotation α de l'une des barres, la barre reste toujours
centrée. De plus, la redondance d'un tel système accentue sa
stabilité. A cet égard, on peut noter que trois barres
correctement disposées seraient suffisantes à assurer la
stabilité directionnelle du noeud dans l'espace. Il est ainsi
possible de réaliser des noeuds d'assemblage selon l'invention
avec un nombre quelconque de barres, supérieur ou égal à
trois. Toutefois, plus le nombre de barres est élevé, plus le
diamètre de la bille doit être grand ou respectivement plus le
diamètre des barres doit être petit relativement au diamètre
de la bille pour éviter que les barres n'entrent en contact.
La bille, qui peut être remplacée par une boule creuse,
peut également être réalisée en tout autre métal ou en
céramique ou en tout autre matériau adéquat. Les extrémités
des barres peuvent être réalisées en acier ou tout autre métal
ou en matériaux composites ou en tout autre matériau adéquat.
Selon une variante de réalisation, non représentée sur les
dessins, la bille peut ne pas être de forme sphérique, mais
réalisée par exemple à base d'un cube ou autre figure
géométrique, et dont la surface est usinée ou agencée de façon
à présenter des portions de surface sphériques ou arrondies
aux endroits d'appui des barres, toutes ces surfaces ayant le
même centre de courbure.
Un exemple de réalisation d'une barre de compression pour
un noeud d'assemblage selon la présente invention est
représenté à la fig. 6. Cette barre comporte une extrémité 10
présentant une face usinée 11 de forme conique pour coopérer
avec la bille sphérique. Cette barre comporte une partie
filetée 12, sur laquelle sont montés un écrou 13 et un contre-écrou
14 destinés à permettre le réglage de la longueur de
l'élément de compression, l'autre extrémité 15 de la barre
étant montée de façon à pouvoir coulisser à l'intérieur d'un
tube de compression 16 par l'intermédiaire d'un manchon 17.
Une rondelle 18 est disposée derrière l'écrou de façon que la
barre s'appuie, lorsqu'elle est comprimée, contre ledit
manchon. L'ensemble est réalisé sans liaison mécanique autre
que le contact rondelle/manchon. Bien entendu, la partie
filetée de la barre et l'écrou pourraient être remplacées par
un simple épaulement de la barre agencé pour coopérer avec le
manchon. Toute autre forme de barres de compression est bien
entendu également possible.
L'extrémité 11, destinée au contact avec la bille, de la
barre représentée à la fig. 6 comporte une surface conique
très ouverte, avec un angle de cône de 170°. La forme conique
est pratique pour des raisons de facilité d'usinage et l'angle
de 170° s'est révélé bien adapté. Mais d'autres angles,
supérieurs ou inférieurs à 170°, peuvent être utilisés. De
même, la forme de la surface d'extrémité de la barre pourrait
être différente, comme par exemple tétraédrique, sphérique, ou
tout autre courbe, ou même en forme de méplat.
Comme on l'a mentionné plus haut, la bille sphérique est
lubrifiée de manière à permettre des rotations et/ou
translations des extrémités des barres à sa surface, notamment
au moment de la mise en place pour le service ou lors de
fortes sollicitations en service. Cette lubrification peut par
exemple être obtenue au moyen d'un graisseur qui passe par un
canal prévu à cet effet à l'intérieur de l'une ou de plusieurs
des barres.
Du fait que la liaison entre les barres de compression et
la bille sphérique est réalisée par simple contact sans
liaison mécanique, le montage de l'ensemble nécessite un
dispositif de montage supplémentaire qui peut être réalisé
sous la forme d'un cylindre 20 tel que représenté aux figs 7a,
7b et 8, disposé autour de la bille sphérique 4 et traversé
par les extrémités des six barres. A cet effet, des lumières
21 sont usinées dans le cylindre. Comme représenté à la fig.
8, la bille sphérique 7 peut être bloquée dans le cylindre de
montage par deux vis de réglage 22, 23 permettant d'ajuster la
hauteur de la bille sphérique et de la bloquer, lesdites vis
pouvant être montées sur des traverses taraudées 24, 25
disposées aux deux extrémités du cylindre de montage. Afin que
les extrémités des barres soient retenues par le cylindre 20,
les barres 6 comportent une partie 8 de diamètre réduit en-deçà
de leurs extrémités 10, de façon à constituer un
épaulement 9 qui est retenu à l'intérieur du cylindre.
Dès que les éléments qui sont au contact de la bille
sphérique sont légèrement comprimés, ledit cylindre peut être
retiré. Cependant, lorsque le noeud d'assemblage selon
l'invention est utilisé dans des structures destinées à subir
de grands déplacements, on peut prévoir de conserver à demeure
le cylindre sur le noeud qui constitue alors un cylindre de
sécurité. Dans un tel cas, le cylindre peut être remplacé en
état de service par une "coquille" en matière flexible que
l'on injecte autour de la bille, par exemple en une matière
élastomère. Bien entendu, le cylindre peut être remplacé par
tout autre dispositif adéquat, par exemple une calotte.
Le noeud d'assemblage selon la présente invention, qui
permet la convergence en un point, comme on l'a vu, des
résultantes des forces des éléments comprimés, ceci uniquement
par contact sans liaison mécanique, est une solution peu
coûteuse, puisque aucune soudure, aucun perçage ni pliage
n'est nécessaire. Cette solution peut être appliquée non
seulement aux structures spatiales réticulées comportant des
barres telles que décrites dans l'exemple ci-dessus, mais
également à tout autre type de structures, comme par exemple
les structures déployables, des manèges et aussi dans le
domaine médical, pour la réalisation de prothèses, par exemple
de prothèses de la hanche. Les éléments comprimés ne sont
ainsi pas forcément des barres, mais peuvent être des éléments
de forme quelconque, un même élément pouvant avoir plus d'un
point de contact avec l'élément central du noeud.
Claims (9)
- Noeud d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée, caractérisé par un élément central (7) présentant des portions de surfaces arrondies à centres de courbure confondus, sur lesquelles viennent s'appuyer les extrémités de chacun des éléments en compression (6) par simple contact en au moins un point, de façon à constituer une rotule, de façon que les résultantes des forces de compression de chacun desdits éléments en compression convergent toujours sensiblement au centre de l'élément central.
- Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments en compression sont des barres.
- Assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément central est de forme sphérique (7).
- Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments en compression sont des barres (6) dont l'extrémité de contact (10) est conique (11).
- Assemblage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de montage et/ou de sécurité disposé autour de l'élément central et agencé d'une part pour permettre le passage des barres et d'autre part pour empêcher l'extrémité de la barre de s'éloigner de l'élément central, mais sans empêcher les autres mouvements des barres.
- Assemblage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dispositif est un cylindre (20).
- Assemblage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit cylindre est agencé de façon à permettre le blocage de l'élément central (7) lors du montage.
- Assemblage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif flexible entourant l'élément central ainsi que les extrémités des barres, de façon à empêcher les extrémités des barres de s'éloigner de l'élément central, sans empêcher les autres mouvements des barres.
- Assemblage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dispositif est constitué par une matière élastomère.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP03405043A EP1443153A1 (fr) | 2003-01-29 | 2003-01-29 | Noeud d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP03405043A EP1443153A1 (fr) | 2003-01-29 | 2003-01-29 | Noeud d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP1443153A1 true EP1443153A1 (fr) | 2004-08-04 |
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ID=32605478
Family Applications (1)
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| EP03405043A Withdrawn EP1443153A1 (fr) | 2003-01-29 | 2003-01-29 | Noeud d'assemblage d'éléments en compression pour structure spatiale réticulée |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1443153A1 (fr) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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