FR2556424A1 - Element polyvalent prefabrique pour structure triangulee demontable - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ELEMENT POLYVALENT PREFABRIQUE PERMETTANT LA REALISATION D'UN NOMBRE INFINI DE CONFIGURATIONS DE NOEUDS DE STRUCTURES TRIANGULEES DEMONTABLES, FIXES OU ARTICULEES, A MAILLES REGULIERES OU NON. IL EST CONSTITUE D'OREILLES PIVOTANT SELON LES AXES PRINCIPAUX DES ELEMENTS STRUCTURELS ET FIXEES EN TRANSLATION AUX EXTREMITES DE CES DERNIERS. LES OREILLES SONT MUNIES D'ALESAGES QUI, RECEVANT UN ELEMENT CONNU DE LIAISON LEUR ASSURANT UNE LIBERTE DE ROTATION RECIPROQUE PERMET DE LIER DEUX A DEUX LES ELEMENTS STRUCTURELS DIRECTEMENT VOISINS. L'INVENTION S'APPLIQUE PARTICULIEREMENT AUX JEUX EDUCATIFS, AUX STRUCTURES DE PLEIN AIR, AUX TENTES, AUX STANDS D'EXPOSITION, AUX MEUBLES COMBINABLES, AUX MAQUETTES D'ARCHITECTURE ET AUX PROTOTYPES DE VEHICULES OU DE STRUCTURES ARTICULEES.

Description

Habituellement les structures démontables sont réalisées à partir d'un ou plusieurs systèmes de noeuds déterminés. Pour des raisons de canut, une structure démontable fait généralement appel à un nombre très limité de types de configurations de noeuds. Du fait de ce nombre limité de types de configurations, les structures démontables sont en général limitées à des formes géométriques régulières aussi simple que possible. De plus, un système nodal ne peut être réutilisé que pour la mOme configuration.

Les contraintes énumérées ci-dessus entrainert des codts élevés, de longs délais d'étude e+ de mise en oeuvre, l'impossibilité de modification ou de récupération des structures.

La présente invention propose un élément de noeud polyvalent préfabriqué, remarquable en ce qu'il permet la réalisation de structures très diverses, régulières ou non, et qu'il peut se prêter aux cnfigurations de noeuds les plus variées, tant sur le plan des variations angulaires que sur celui du nombre d'éléments structurels aboutissant au même noeud. De plus, un même élémeiit pourra être réutilisé pour des configurations totalement différentes.

Le système proposé se compose essentiellement d'oreilles planes (1) et (2) solidaires d'un cylindre creux (3) et (4) qui leur permet de pivoter librement suivant l'axe (6) de l'élément structurel (7). Chaque oreille est munie d'un alésage (5). Le système peut comporter de une à quatre de telles oreilles pour un même noeud, les oreilles étant agencées de telle sorte que les alésages (5) soient contenus dans le même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (6) des éléments structurels, comme montré sur la figure 2.

Pour des raisons de facilité d'explication, les figures de 1 à 13 ne sont que des figures théoriques simplifiées, qui se préoccupent avant tout de l'aspect géométrique du problème. Les figures suivantes par contre proposeront des exemples de réalisation pratique.

Si nous revenons aux figures 1 et 2, nous voyons que les cylindres creux (3) et (4) peuvent coulisser librement le long de l'élément structurel (7). La figure 14 et les suivantes montre qu'en fait un système, non montré sur les figures de 1 à 13 est prévu pour empêcher la translation des oreilles sur l'élément structurel, ainsi que pour assurer le positionnement respectif des différentes oreilles propres à un mdme noeud. Ce système sera différent selon les solutions techniques proposées pour la réalisation des oreilles. Nous aurons ainsi une bague d'arrêt (30) pour la figure 14, une butée (43) pour les figures 22, 23 et 24.

Nous négligerons donc pour l'instant de parler de ce nositionnement en translation. Considérons simplement que chaque élément structurel sera muni à ses deux extrémités d'un système d'oreilles comme mortré en figure 2, les oreilles étant libres de pivoter sur l'élément structurel, mais non de se mouvoir en translation sur ledit élément.

La figure 3 montre un premier exemple d'assemblage de trois éléments structurels (8), (9) et (10) avec le système de noeud proposé. Chaque élément structurel est muni à ses deux extrémités d'une oreille telle que décrite précédemment. Les oreilles respectives de deux éléments structurels se rencontrant en un noeud sont assemblées deux à deux par leur alésage (5) grace à un système connu (11) comme indiqué sur la figure 4 . Ce système connu qui peut être notamment une liaison par boulon et écrou telle que montrée en figure 4 devra permettre une libre rotation des oreilles les unes par rapport aux autres.

La figure 4 montre de plus co-ment les oreilles doivent dtre combinées pour que les axes (6) des trois éléments structurels (e), (9) et (10) soient dans le meme plan : chaque oreille doit avoir une de ses faces tangente au plan de l'axe longitudinal (6).

Les figures (6) et (7) se complètent pour montrer comment on passe de l'assemblage plan montré en figure 3 à un assemblage dans l'esnace pour former la figure de base de toute structure triangulée tridimensionnelle, le tétraèdre.

Le tétraèdre de la figure 6 est formé par six éléments structurels (12), (13), (14), (15),(16) et (17) munis à chacune de leurs extrémités de deux oreilles comme indiqué sur la figure 2. Ces oreilles sont jointes deux à deux par leurs alésages respectifs, comme indiqué sur la figure 7 qui montre l'exécution d'un noeud du tétraèdre de la figure 6.

Notons que sur la figure 3, le triangle formé par les axes principaux des trois éléments structurels (8),(9) et (10) correspond à un triangle tronqué, car les éléments structurels, du fait de la configuration du système de noeud proposé ne peuvent que s'arréter à une certaine distance (y) du sommet théorique.

De même, 1 tétraèdre réalisé avec six éléments structurels assemblés suivant le système proposé sera tronqué à ses sommets, comme montré en figure 6.

La figure 8 montre le sommet d'un icosaèdre réalisé avec les éléments de noeud proposés par l'invention.

La figure 9 montre un noeud caractéristique de structure tridimensionnell à deux nappes telle qu'on la rencontre dans les structures classiques de toiture, de stands d'expositions et de toutes structures démontables en général. Ce noeud caractéristique comporte huit barres se rejoignant au meme point. Les quatre barres supérieures sont contenues dans le même plan horizontal et se coupent à angle droit, les quatre autres barres joignant les quatre noeuds inférieurs directement voisins, suivant une configuration identique au noeud montré. On voit que la réunion deux à deux de ces barres, suivant les huit angles indiqués (a,b,c,d,e,f,g,h ) est possible suivant le même principe que pour les figures 6, 7 et 8.

On comprend donc qu'il suffit d'équiper chaque extrémité de barre structurelle d'un système comportant seulement deux oreilles pour obtenir un nombre infini de structures triangulées.

Considérons maintenant la figure 10. Nous voyons que la barre 18 peut pivoter autour de l'axe(11) suivant l'angle (j) dans un plan passant par l'axe longitudinal de l'élément 19. De plus, l'oreille (21) peut pivoter librenent autour de ce même axe. Il s'ensuit que la barre (18) peut décrire autour de la barre(19)toutes les positions à l'extérieur du cylindre (k) et du ctne (L) indiqués en pointillés.

Nous verrons que les systèmes techniques décrits plus loin permettent un demi angle au sommet du c8ne (L) de moins de 450
Chaque barre de la structure constituée avec le système de noeud proposé par l'invention jouit donc par rapport à une barre immediatement voisine d'une très grande liberté angulaire.On conçoit donc que l'on peut réaliser un très grand nombre de figures dans l'espace. Ces figures seront à mailles régulières et formeront des triangles équilatéraux Si l'on a recours a des éléments structurels de même longueur. On obtiendra donc automatiquement des figures formées par la combinaison des trois solides réguliers platoniciens indéformables, à savoir le tétraèdre, l'octaèdre et l'icosaèdre.

Si au contraire on utilise des barres de longueurs différentes on obtiendra soit des figures conservant un certain degré de régularité obtenues par la répétition de triangles équilatéraux,isocèles ou rectangles, comme par exemple la structure montrée en figure 9, soit au contraire des structures totalement libres et baroques, constituées uniquement de triangles quelconques, comme montré en figure 11.

En fait, deux barres immédiatement voisines jouissent d'une liberté relative proche de celle obtenue par un système à rotule, ce qui est normal puisque noub avons deux axes de rotation orthogonaux, comme pour un système à cardans.

Le système proposé permettra donc également la realisation de structures articulées suivant l'une ou p'usieurs quelconques de leurs barres.

Si nous considérons de nouveau la figure 11, nous voyons que le tétraèdre de gauche, de sommet (S) peut pivoter autour de l'élément structurel (50).il suffit en fait de joindre les deux sommets (S) et (T) par un système connu d'apurochement et d'él^ignement comme par exemple un ressort et un amortisseur, ou un vérin hydraulique à double effet, pour obtenir une structure modifiable dans l'espace. On relut imaginer des structures pliables, à suspensions, capable de se lever, de mouvoir différents bras, de levage ou non, capables de se mouvoir en marchant, par le placement judicieux de vérins hydrauliques et par leur activation suivant un programme spontanné ou préetabli.On peut bien sûr aussi remplacer tous les éléments structurels travaillant en simple traction par des tirants faits de cables et s'ancrant par un système connu sur les axes (11) réunissant deux oreilles voisines.

Noue avons vu précédemment qu'un système de noeud comportant deux oreilles pour une extrémité de barre structurelle permettait un très grand nombre de configurations, comme montré par les figures 3,6,7,8,9 et 11, et ce système à deux oreilles reste le système préférentiel adopté pour -la présente invention. Il peut arriver qu'un système à clus de deux oreilles pour une extrémité de barre rende ou la réalisation plus facile ou plus esthetique parce que plus symmétrique.

Si nous considérons la figure 12 par exemple, où une barre structurelle verticale (23) est jcinte à son extrémité par les barres obliques (24), (25), (26) et (27), nous voyons que l'assemblage est toujours possible par un système à deux oreilles permettant de rejoindre toutes les barres deux à deux selon les angles (m), (n),(o),(p), (q). Cependant, un système de quatre oreilles pour la barre(23) simplifie de beaucoup le montage, comme figuré en figure 13. De plus, ce dernier montage, totalement symmétrique par rapport à l'axe de la barre (23) est esthétiquement plus satiscaisant.

Nous verrons plus loin comment cette possivilité de plusieurs oreilles pour une même extrémité de barre est possible oratiquement.

Les moyens proposés nour la mise en pratique de cette invention sont essentiellement de deux sortes, selon que l'élément structurel lui-mdme sert de pivot aux oreilles, ou selon que les oreilles pivotent sur un axe lui-même rapporté en bout de l'élément structurel.

Les figures 14, 15 et 16 se rapportent au premier cas. Les deux oreilles i et (29) ont la forme de battant de charnière qui peuvent pivoter sur l'élément structurel (7), autour de l'axe (6). Il est évident que dans ce cas l'élément structurel ne peut être que de section circulaire (barre ou tube ). Les charnons des deux battants de charnière s'emboitent les uns dans les autres mais, à la différence d'une charnière normale, un certain espace est ménagé entre les deux charnons médians. Dans cet espace vient se loger une bague d'arrêt (30) dont la fonction est de bloquer en translation sur l'élément (7) les deux oreilles tout en leur laissant toute liberté de rotation autour de l'élément (7).Le blocage de cette bague d'arrêt pourra se faire de difféfentes façons suivant l'échelle de la structure, les efforts en jeu, la possibilité ou non d'usiner les éléments structurels et, bien sûr, suivant les matériaux utilisés.

A titre d'exemple, un jeu éducatif prurrait utiliser des éléments structurels faits de tubes d'aluminium anodisé ou des barres d'acier ou de matière plastique. Les oreilles pourraient être en matière plastique moulée ou er tole d'aluminium ou d'acier embouti. Dans ce cas, pour de petites dimensions, les bagues d'arr8t pourraient être tout simplement en caoutchouc synthétique forçant légérement sur les éléments structurels.

Pour des efforts plus grand, la bague pourrait être en laiton et être munie d'une ou plusieurs vis d'arrêt (31) comme montré sur la figure 16.

Pour des éléments de structures plus imposantes et pour des séries importantes comme des tentes, des structures pour stands d'exposition, pour certaines architectures temporaires, les oreilles pourraient être en matière moulée : plastique à haute resistance, -fonte, acier inoxydable ou galvanisé, aluminium anodisé. Les petites séries s'accomoderaient mieux de tôle d'acier soudé. Les éléments structurels peuvent être fait dans les meme matériaux que décrit plus haut, le bois s'ajoutant à cette liste.

Notons ici une caractéristique de cette première solution pour la réalisation de l'iwvention qui sera absente de la deuxième solution à suivre. Nous voyons sur les figures 14, 15 et 16 que rien n'empêche la bague (30) de coulisser sur l'élément (7), avant qu'elle ne soit bloquée.

Autrement dit la bague (30) peut occuper n'importe quelle position sur (7).

NOus pourrons donc placer l'élément total, comprenant les oreilles (28) et (29) et la bague (30) soit en extrémité de (7) et dans ce cas l'élément servira -à constituer tn noeud, soit à un endroit déterminé de (7) et dans ce cas les oreilles po urraient recevoir ou de simples barres de renfort selon des plans de la structure, su servir de fixation pour des panneaux de toiture ou de remplissage.

Les figures 17 à 21 montrent une façon pratique de réaliser des "charnières" à une, deux, trois ou quatre oreilles. La figure 17 montre un arrangement à deux oreilles identique à celui de la figure 15. La figure 18 montre un arrangement à une seule oreille, la place d'un charnon de la deuxième oreille étant occupée par une simple entretoise tubulaire (32).

La figure 19 montre un nouvel arrangement à deux charnières : la bague (30) a été remplacée par une bague plus courte (33) et les eux charnières (34) et (35) ont leurs charnons plus rapprochés que ceux des charnières (36) et (37). La figure 20 explique pourquoi. Pour un arrangement à quatre charnières, les deux charnières (36) et (37) ont leurs charnons à l'extérieur et les deux autres, (34) et (35) ont leurs charnons à l'intérieur.

La figure 21 montre que l'arrangement à quatre charnières de la figure 20 peut étre remplacé par un arrangement à trois charnières, la charnière (34) ayant été enlevée et la place de ses charnons occupée par les entretoises tubulaires (38). Encore une fois, rappelons que cette solution n'est proposée qu'a titre exceptionnel pour des cas spéciaux, un arrangement à deux charnières restant la règle préférée pour la réalisation de l'invention, puisqu'il convient à la plus grande majorité des cas.

Les figures 22 et 23 montrent la deuxième façon de réaliser l'invention.

Cette fois, les deux oreilles ne pivotent plus directement sur l'élément structurel lui-meme mais sur un axe (39) lui-même solidaire d'un bouchon (40) qui s'emboite à l'intérieur de l'élément structurel (41). Dans ce cas l'élément structurel (41) peut avoir une section non circulaire. Il pourra être plein ou creux, de section carrée, triangulaire, hexagonale ou ovale. il pourra être également un profilé en forme de"T", de "L", de "r', de "H", de "X". La seule condition étant que le bouchon (40) soit fait de telle façon qu'il paisse se fixer facilement nar un moyen connu sur le profil particulier choisi.

L'application préférée pour cette solution reste cependant ls section circulaire, pour des raisons esthétiques. Dans ce cas, en effet, on peut faire en sorte que le cylindre (42) de la figure 24 et qui sert d'envelopre à l'alésage pivotant autour de l'axe (39) soit de mebe diamètre extérieur que l'élément structurel (41) de façon que le cylindre (42) soit invisible, quelle que soit la rotation des oreilles. Le bouchon (40) sera fixé à l'élément(41) par des moyens connus : filetage pour des sections circulaires, goupille traversant de part en part le bouchon et l'élément structurel, montage à force, soudure, vis d'arrét, boulon et ecrou, rivets.

On voit sur la figure 22 que les rreilles sont maintenues en translation par les bagues (43) et (44). La bague (44) neut dtre libre, la bague (43) est immobilisée par un moyen connu sur l'axe (39), par filetage, sertissages goupille ou clavette.

La figure 23 montre une autre solution pour la fixation du bouchon à l'intérieur de l'élément structurel. Cette fois-ci, l'axe (39) est équipé à une extrémité d'une butée (49). Cette butée appuie sur un cylindre de natière plastique ou de caoutchouc synthétique expansible. eJotons que ledit cylindre n'est nas de section necessairement circulaire mais correspond à la section intérieure des éléments structurels. L'axe (39) passe à travers le bouchon (45), sert de pivot aux oreilles et porte à son autre extrémité un filetage qui correspond à un écrou (48). L'axe (39) porte à son extrémité supérieure une fente pour un tournevis ou une empreinte à "six pans creux" gr ce à laquelle il peut Outre vissé dans (48).

L'écrou (48) peut être maintenu pendant ce temps grâce à des encoches destinées à recevoir une clé. On comprend qu'en serrant l'axe (39) tout en maintenant l'ecrou (48) on comprime du même coup le cylindre (47) de matière expansible qui se dilate et se plaque à force contre les parois intérieures de l'élément structurel (41), immobilisant du même coup l'ensemble. Un moyen connu empèchera le desserage de (39) dans (48).

Cette dernière solution proposée s'applique particulièrement à des jeux éducatifs, des maquettes, des prototypes d'études de structures, de petits stands d'exposition, où les contraintes de traction, donc d'arrachement sont peu importantes.

La figure 24 montre quelques formes possibles pour les oreilles assemblées selon les méthodes montrées en figure 22 et 23.

Les assemElages montrés dans les figures 22, 23 et 24 peuvent être réalisés en pièces moulées, en plastique, aluminium, acier inoxydable ou acier galvanisé. Pour de petites séries on peut realiser des axes usinés à la pièce;
Les formes montrées dars les figures 22, 23 et 24 peuvent staccomoder d'un système à une, deux, trois ou quatre oreilles, suivant le même principe que celui montré sur les figures 17, 18,19,20 et 21.

Autre part, et ce pour les deux sclutions proposées pour la réalisation de l'invention, l'axe d'assemblage (11) que l'on a vu sur la figure 4 et qui sert à joindre deux a deux les oreilles de deux barres voisines, quel que soit le mode de réalisation -ae ces oreilles peut recevoir une autre fonction. il relut astre utilisé comme élément de fixation pour des éléments de toiture, des panneaux de remplissage qui viennent s'adapter sur la structure. il sera donc modifié en ce sens. Dans le cas ou la s'lutin retenue est un boulon et un écrou, le boulon sera allongé et s'engagera dans des alésages correspondants ménagés sur les panneaux mentionnés.

il pourra au contraire être muni d'un alésage central et recevoir un autre boulon ou autre moyen connu pour la fixation desdits panneaux.

Nous avons vu que le système proposé permet à l'aide de quelques éléments simples toujours interchangeable de réaliser les configurations re noeuds les plus diverses pour des structures régulières ou non. Cependant, cette simplification de mise en oeuvre et cette plus grande liberté d'expression ne peuvent outre obtenues qu'au détriment de la solidité ou du poids final.

Ceci tient au fait que les forces de traction ou de compression ne s'appliquent pas exactement selon les fibres neutres des barres structurelles, principe de base de toute triangulation rinirnu. Si nous considérons la figure 3 nous voyons que le triangle de base de la structure est celui qui rejoint les trois axes (11) reliant les différentes oreilles. Les éléments structurels étant décalés par rapport à ce triangle, nous aurons des efforts de flambage sur les barres et de cisaillement sur les oreilles, cela en proportion directe de la distance (z) entre les axes de triangula tion et ceux des éléments structurels.

C'est pour cela que cette invention s'applique plus particulièrement à des jeux éducatifs de petite ou de brande dimension, des structures de jeux de plein air, des ossatures de meubles démontables et recombinables, des s+ands d'exposition, des maquettes d'architecture ou d'ouvrages d'art, des dons, des prototypes d'études de mécanismes articules, de véhicules divers, d'engins de manutention, toutes constructions pour lesquelles le rapport poids/ résistance n'est pas le facteur prioritaire mais qui au contraire donnent la première importance aux notions de jeux, de créativité, de souplesse d'emploi, variété, facilité de char.gement et possibilité d'études à eifférentes échelles ainsi que montage, démontage et réutili- sation infinie des mimes éléments préfabriqués.

Claims (10)

1. REVENDICAT IONS

   1) Elément polyvalent préfabriqué pour noeud de structure triangulée démontable destiné à Qtre fixé à un élément structurel et caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs oreilles pivotant selon l'axe principal de l'élément structurel, chaque oreille présentant un alésage (5) dont l'axe est perpendiculaire à l'axe principal (6) de l'élément structurel, la fonction de cet alésage étant de permettre, T)ar un moyen connu (11) assurant une liberté de rotation, la liaison de l'élément structurel avec un élément structurel directement voisin.
2. 2) Elément selon la revendication 1 caractérisé en ce que les oreilles propres à un même élément structurel et correspondant au même noeud sont immobilisées en translation sur cet élément structurel de façon que leurs alésages (5) respectifs soient contenus dans le même plan perpendicul ire à l'axe principal de l'élément structurel.
3. 3) Elément selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'élé- ment structurel lui-me sert d'axe de pivotement aux oreilles, celles-ci présentant alors la forme de battants de charnière qui sont ibmobilisés en translation sur l'axe principal par l'adjonction entre certains charnons de la charnière d'une bague d'arrêt bloquée sur l'élément structurel par un moyen connu tel que vis d'arrêt, montage à force d'une bague élastique, goupille ou bague auto-serrante étant bien entendu que dans ce cas l'été ment structurel devra présenter une section necessairement circulaire.
4. 4) Elément selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la bague d'arrêt précédemment citée pouvant être bloquée soit à l'extrémité d'un élément structurel, soit en un point -uelconque, l'élément pourra être utilisa dans le nremier cas pour la réalisation d'un noeud de la structure et dans le deuxième cas servira de point d'attache pour une simple triangulation de renfort.
5. 5) Elément selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les oreilles rivotent non plus directement sur l'élément structurel principal, mais sur un axe faisant partie d'un bouchon destiné à être fixé par un moyen connu tel que filetage, goupille, montage à force, ou soudure en bout des éléments structurels qui dans ce cas peuvent être de profil quelconque, notamment carré, hexagonal, triangulaire, ovale , en forme de "H", de "I", de "L", de "X", la seule condition étant que le bouchon ci-dessus nommé s'adarte au profil particulier.
6. 6) Elément selon les revendications 1, 2, et 5 applicable notamment à des jeux éducatifs de petite dimension caractérisé en ce que le bouchon comporte une partie m le de section correspondant à la section intérieure des éléments structurels , réalisé en matière plastique et destiné à être monté légèrement à force dans les éléments structurels.
7. 7) Elément selon les revendications 5, 2, 5 et 6 applicable notamment à des jeux éducatifs de grande dimension, a des structures de jeux de plein air, à des tentes, des stands d'exposition et des maquettes ou prototypes, caractérisé en ce que le manchon male en matière élastique (47) peut être dilaté par l'action d'une vis (39) agissant en pression sur lui par l'intermédiaire d'une rondelle de butée (49) et immobilisant ainsi l'ensemble.
8. 8) Structure réalisée à l'aide d'éléments selon les revendications précédentes caractérisée en ce que les éléments structurels sont assemblés deux à deux par l'intermédiaire de leurs oreilles respectives nar un dispositif connu (11) assurant une liberté de rotation aux oreilles ainsi jointes.
9. 9) Structure selon la revendication 8 caractérisée en ce que les axes de liaison (11) servent eux-rtme de support à des éléments plans tels que panneaux, éléments de couverture ou décoration.
10. 10) Structure selon les revendications 8 et 9 caractérisée en ce que certains éléments structurels classiques sont remplacés par des dispositifs élastique comme des suspension, ou à écartement variable, comme des vérins hydruliques à double effet, afin de tirer avantage des différentes rotations offertes par l'élément de l'invention et réaliser des prototypes d'étude pour vehicules ou toutes sortes de structures articulées.