JP2007506011A - 構造用織物 - Google Patents

Abstract

引張材が細片である構造用織物が請求されている。これら細片は、引張材およびポリマーマトリクスを備える。マトリクスは、好ましくは熱可塑性型であり、好ましくは膜に使用したポリマーに化学的に付着されている。しかしながら細片の膜への機械的固定あるいは化学的および機械的固定の組合せは除外されない。そのような細片の利点は、より優れた耐候性であり、重量比に対してよりよい強度を提供し、膜に、より大きな接触表面を与えることである。

Description

本発明は、大規模建物インフラストラクチャを気候条件から保護および隔離するために使用される構造用織物に関する。さらに詳細には、それは張力をかけた織物構造、例えば空気支持構造、吊下げ構造およびテンセグリティ構造に関する。

張力をかけた構造用織物構造（空気支持、吊下げ構造またはテンセグリティ構造）は、特に屋根構造の建物要素として既知である。これらの構造は多数の中間支持柱を必要とせずに、主に大きな表面、例えばスポーツスタジアム、を被覆するために使用され、細長引張材のグリッドに取付けられたシート様柔軟性材料を含む。シート様柔軟性材料はたいてい強化フォイルまたはキャンバスの形であり、以下では膜と呼ぶ。これらの構造の一般的な特徴は、引張力のみが膜上で発生して、従って構造を常時しっかりと支えることである。これらの引張力は、引張材を通じて、吊下げ、取付けまたは固着点へ向けて案内される。引張力は、例えば吊下げ構造の場合には重力から発生することが可能であり、または空気支持構造の場合には建物インフラストラクチャの内側で維持される過圧から発生することが可能である。引張材の基礎を成すグリッドパターンの設計は、被覆される範囲の種類によって決定される。例えば特に好まれるジオデシックパターンは、その良好な応力分散特性のために普及している。

この例は、米国特許第３ ７４４ １９１号に見出すことができる。ジオデシック構造以外に、被覆される特定の地表用の、例えば米国特許第３ ８３５ ５９９号で述べられている長方形ベース範囲用の、または米国特許第５ ３４３ ６５８号で述べられている三角形ベース範囲用の、他の特定のパターンが存在する。

引張材に提案される要件は、以下のように列挙できる。
要件１：引張材は、シート様柔軟性材料によってだけでなく、屋根に落下するあらゆるもの、例えば雪、雨水の重量によっても加えられる荷重を支持するために十分に強力でなければならない。
要件２：引張材は、引張材に再度荷重を加える余分な重量を加えないように、十分に軽量でなければならない。
要件３：引張材は、膜構造の形状に沿うように、十分に柔軟性であるべきである。
要件４：引張材は、荷重下および考えられる全ての気候状況下でその長さを維持すべきある。
要件５：引張材は、膜に容易に付着できねばならない。
要件６：引張材は、厳しい気象状況で経時的にその特性を緩めるべきでない。

スチールケーブルは、これらの構造の実現に好都合であった。それらは適度に強力であり（要件１）、その強度に対して軽量であり（要件２）、十分に柔軟であり（要件３）、経時的に大規模な伸長またはクリープを示さない（要件４）。しかしながら、その丸い形状のために、それらは膜に容易に付着可能でない（要件５）。大半は膜上部へ縫付けられた織物バンドを使用し、これは、スリーブを形成して、その中へケーブルが誘導される。折返して、再度縫付けてエッジケーブル用のスリーブを形成することによって作業の同じ方法が、膜のエッジ部にて使用できる。風によってスチールケーブルは膜と摩擦を起こしやすい。コードは経時的に膜を切断することさえあり、そのため構造用織物の寿命を短縮する。

またスチールケーブルは、要件５に反して腐食しやすい。特にじめじめした湿気の多い雰囲気（おそらくスリーブの包囲によって促進される）においては、めっきコードでさえ最終的にはさびやすくなる。

本発明者らは、従来技術の欠点を除去する方法を見出した。さらに詳細には、本発明者らは、引張材がより強く、柔軟性であり、過度に伸びず、大きな接触面積で膜に容易に付着し、かつ長期間に渡って天候の影響に耐える、構造用織物を発明した。

本発明は、請求項１で述べる特徴の組合せに関する。本発明の好ましい実施形態の具体的な特徴は従属請求項に示す。

想定される構造用織物は、建物インフラストラクチャの被覆に使用される。それは例えば屋根部材として使用される。または大気の影響から側壁を隔離するための構造用織物として使用できる。構造用織物は、吊下げまたは空気支持構造としても同様に十分に使用できる。空気支持構造は、建物全体の内部の過圧によって、あるいは空気膨張ポケットの形成のどちらかによって支持可能であり、グリッドは空気ポケットの境界を形成する。

構造用織物は、膜およびグリッドを含む。膜は、ベース織物を含んでなる（製織または不織であり、「ベース織物」という語の組合せは、「構造用織物」と呼ばれる発明全体と区別するために使用する）。ベース織物は、天然または人工繊維から作成される。人工繊維、例えばガラス繊維、ポリアミド、芳香族ポリアミド（アラミド）、高性能ポリエチレン、ポリエステル、炭素繊維などは、その強度、その気候条件への耐性およびその耐久性のために非常に好ましい。製織織物が使用される場合、使用する織り方は、用途に適したいずれかの織り方、例えば平織り、うね織り、ツイル織り、パノラマ織り、アトラス織りなどであってよい。膜は、水不透過にするためにさらに処理することができる。例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）またはポリイミドまたはポリウレタン（ＰＵＲ）または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）またはシロキサンまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはフッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）またはペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）またはエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）あるいは膜に必要な特性を与えるのに適した他のいずれかのポリマーの群のいずれか１つによってラミネートするかまたは含浸することができる。

水不透過性が必要ない場合、例えば陰にすることのみが必要なとき、含浸は不要である。膜は、支持ベース織物を必要とせずに、押出ポリマー箔のみを材料として存在することもできる。この目的に適したいずれのポリマーも使用できる。網羅的でない例は再び、ＰＶＣ箔またはＥＴＦＥである。ＥＴＦＥは、非常に良好な透光性（日光の９５％超が透過される）、ＵＶ安定性、低い死荷重と組合された強度、そして酸またはアルカリ溶液に対する耐性のために、例えば温室、スイミングプールまたは動物園に好ましい。１枚を超える膜が可能である。例えば構造用織物が空気ポケット型である場合、間にガス過圧を維持する少なくとも２つの膜が必要である。例えば米国特許第４ ０２４ ６７９号に開示されているように、３枚の膜でさえ可能である。

構造用織物を長いスパンで支持するために、引張材が必要である。これらの引張材は、被覆される範囲の形状によって決定される特定のパターンによって配置され、膜の強度および伸張、膜の表面積当たりの重量、引張材の強度および伸長、引張材の単位長さ当たりの重量、構造用織物を支持するための柱および／または桁の位置あるいは空気支持構造の場合の固着点の位置が考慮される。従って、この予備計算パターンによって配置された引張材はグリッドを形成する。

本発明の特徴（請求項１）は、引張材が細片の形で提供され、前記細片がある高さおよびある幅を有し、前記高さが幅の半分未満であることである。この細片の断面は従って、ケーブルなどの円形状よりも膜に付着するためにはるかに好都合な側面を示す。断面自体は、幅および高さが規定できるいずれかの形状、例えば長方形の系統によって包囲できるいずれかの形状であってよく、最終的な幅および高さは最小の断面積を持つ長方形の幅および高さである。

細片は、少なくとも１個の細長い強度部材を含むことを特徴とする。しかしながらさらに好ましいのは、２個以上の細長い強度部材である（請求項２）。好ましくはこれらの強度部材は、相互に平行に配置される。なおさらに好ましいのは、相互に平行に配置された５個以上の細長い強度部材である。これらの細長い強度部材は、円形断面を有するが、このことは本発明の前提条件ではない。偏円形断面は同様に適している。

強度部材は、ポリマーマトリクスに埋め込まれている。マトリクスの種類は、膜の機能および／または用途の機能で選択する必要がある。最も好ましいのは、押出が容易である熱可塑性ポリマー、例えばＰＵＲ、ＰＶＣ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）である。ＥＴＦＥなどのフルオロポリマーも好ましいが、これらは押出すのがより困難である。膜または膜を構成する箔の含浸またはラミネートに使用されるポリマーが、細片のポリマーと適合性であるのは、最も好ましい。適合性であるとは、簡単な接着または溶接が可能であることを意味する。マトリクスは、気候状況からそれらを密閉するために、好ましくは細長い強度部材を完全に包囲する。

強度部材は、複合材構造を形成するために、ポリマーマトリクスに付着させる必要がある。付着は、引張材のマトリクス内への機械的固着または引張材の表面とマトリクスとの間の機械的結合に基づくことが可能である。

細長い強度部材は、鋼鉄（請求項３）、すなわちスチールコードから作成できる。スチールコードは、ストランド、すなわち１本のスチールフィラメントの集成材であり得るか、またはそれらはコード、すなわちストランドの集成材であり得る。多くの考えられる種類の網羅的でない概要は、Ｂｅｋａｅｒｔ Ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｄ ｃａｔａｌｏｇｕｅ，ｉｓｓｕｅ ｏｆ Ｊａｎｕａｒｙ ２０００，２７〜３４頁に見出される。

本発明に使用する鋼鉄は好ましくは、普通炭素鋼組成を有する。そのような鋼鉄は一般に、０．４０重量％Ｃまたは少なくとも０．７０重量％Ｃ、しかし最も好ましくは少なくとも０．８０重量％Ｃの、最大で１．１重量％Ｃの最小炭素含有率と、０．１０〜０．９０重量％Ｍｎの範囲のマンガン含有率とを含み、硫黄およびリン含有率はそれぞれ好ましくは０．０３重量％以下に維持される。追加のマイクロ合金元素、例えばクロム（０．２〜０．４重量％まで）、ホウ素、コバルト、ニッケル、バナジウム（網羅的でない列挙）も添加してよい。

通例、引張材に使用されるフィラメントは、引張材の重量比に関する強度を改善するために、高い引張強度を有するであろう。通例、鋼線は２６５０Ｎ／ｍｍ²を超える、さらに好ましくは３０００Ｎ／ｍｍ²を超える、なおさらに好ましくは４０００Ｎ／ｍｍ²を超える引張強度を有し、後者は当分野で現在達成できる最も小さい（ｈｉｇｈｅｓｔ ｍｉｎｉｍｕｍ）引張強度である。

コーティングは、未被覆、リン酸処理、亜鉛メッキ（電解または溶融めっき）または真鍮めっき（電解）などの分野で慣例である金属コーティングのいずれの種類でもよい。有機機能性シラン、有機機能性チタナートおよび有機機能性ジルコナートの群から選択される金属表面上への非金属プライマーコーティングは、引張材とポリマーマトリクスとの付着を促進できるため好ましい。

細長い強度部材は、合成高強度繊維から作成できる（請求項４）。そのような繊維の例は、当分野で既知であるように芳香族ポリアミドまたは「アラミド」繊維の類、すなわち繊維形成材料が長鎖合成ポリアミドである人造繊維であり、このポリアミドは、２個の芳香族環に直接結合したそのアミド結合−ＮＨ−ＣＯの少なくとも８５％を有する。ごく数例を挙げると、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、Ｔｗａｒｏｎ（登録商標）、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）などの各種商標名が既知である。別の合成高強度繊維は、場合により高性能ポリエチレンと呼ばれ、Ｄｙｎｅｅｍａ ＳＫ６０という名称で既知である配向ポリエチレンをベースとしている。合成高強度繊維は共に紡がれてフィラメントを形成し、フィラメントは共に撚り合わされてロープを形成する。ロープ自体は、ポリマーマトリクスへの付着力を得るために、再度処理する必要がある。

通常のスチールケーブルと比較して膜との大きな相互作用表面を許容するため、細片は荷重を分散させて、強度部材と膜との間の過剰な接触圧を防止する。加えて、コードを案内するためのスリーブを膜上へ作成する複雑な方法を排除することができる。

細片は、接着によって膜に付着させることができる（請求項５）。接着とは、第１のボディを第２のボディに堅く付着するために化学中間体が使用される固着方法いずれかを意味する。接着は、接着剤が好ましくは膜およびマトリクスポリマーと同じ系統からであるホットメルト接着剤によって実施できる。または接着は、網羅的ではないが、例えばポリジメチシロキサン（「シリコーン」）、メタクリレートまたはシアノアクリレートをベースとする接着剤などの室温接着剤系によって実施できる。良好な接合を得るために、全ての系で適正な予備処理が必要である。特に困難なのは、表面の親和性を上昇させるためにプラズマ処理が好ましいＥＴＦＥの接合である（その極めて低い表面反応性で既知である）。接着は、両面テープ系によっても実施できる。これは膜ポリマーが引張材マトリクスポリマーと同じ種類でない場合に特に有用である。テープの一方の面が膜に接着するのにより適しているのに対して、もう一方の面は引張材のポリマーに接着するために最適化されている。

細片を膜に連結する別の方法は、溶接の使用である（請求項６）。溶接は、高周波溶接、または熱−圧力溶接のどちらかによって行うことができる。どちらの溶接方法でも、膜および引張材に関する両方のポリマーの熱可塑性特性が非常に重要である。ここで最も好ましいのは、両方のポリマーが少なくとも同じポリマーの系統であることである。マトリクス材料をブレンドすると、引張材の膜への溶接を容易にすることができる。

細片を膜に連結する別の方法は、機械的固定である（請求項７）。網羅的ではないが、ここでは細片の膜へのステープル留め、縫い付け、縫い綴じ、ボルト留めまたはリベット留めなどの多くの方法が可能である。機械的固定を保護するために、膜の裂けを防止するための対抗細片の使用も可能である。

構造用織物の細片は構造全体に及ぶため、それらを好都合に使用して、空気ポケット構造内に過圧気体を分散させることができる。その際、細長い強度部材の１個以上を空気チューブと差し替えることができる。通常の間隔で、空気をポケットに供給するために分散穴を見込むことができる。一体化空気チャネルを備えたそのような細片は、膜の内側に取付けられたときに、インフラストラクチャ内部に新鮮な空気を分散させるのに使用することもできる。同様に小型電球の列を強度部材と組合せた細片に押出すこともできる。そしてもちろん使用するポリマーマトリクスは透明でなければならない。

本発明はここで、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、本発明による吊下げ型の構造用織物を示す。１枚の膜１１３および引張材１１２を含む構造用織物１００を示す。引張材は、交差点にて、コネクタ１１１によって相互に回転自在に取付けられている。

図２は、単一の膜２１３を備える本発明による構造用織物２００の断面を示す。引張材２０８は、ポリマーマトリクス２１０に埋め込まれたスチールコード２１１を含む。高さＨは幅Ｗの半分よりはるかに小さいので、従って引張材は細片を形成する。両面自己接着テープ２１２は、細片を膜に密接に連結させるために使用される。

そのような細片は押出によって作成され、以下の特性を有していた。

比較用：１０４ｋＮを引く標準スチールケーブル９×２１Ｆ−ＩＷＲＣ（ロープグレード：１５７０Ｎ／ｍｍ²）は、１３ｍｍの直径および７２３ｇ／ｍのメートル当たり質量を有するであろう（トラクションドライブエレベータ用のＤＲＡＫＯ ３００Ｔ、９ストランド・スチールコア・ロープの「Ｐｆｅｉｆｅｒ Ｄｒａｋｏ」データシート）。

両面自己接着テープ２１２として、ＴＥＳＡ ｎｒ．０５６８６−０００１８を使用した。

図３は、本発明の第２の好ましい実施形態を示す。それはエアポケット型構造用織物に使用できる。ここで幅Ｗを持つ細片の両面を使用して、２つの膜３１２および３１４を保持する。引張材は、マトリクス３１０に埋め込まれた５本のコード３１１を含む。断面は、膜の屈曲を収容するためにやや凹形の形状を有する。両面上の空気チャネル３１５および３１６は、バイアス（ｖｉａｓ）３１７および３１８を通じて加圧空気を空気ポケット３２２および３２０に入れることが見込まれている。チャネル３１５および３１６は、押出中にスチールコードをチューブで置換することによって得られる。溶接に加えて、膜の細片への補助固着は、ワイヤ３１３で第１の膜３１２、マトリクス３１０、第２の膜３１４を通して上下に縫い綴じて戻り、それによってスチールコード３１１を毎回包囲することによって実現される。ワイヤ３１３は目的に適したいずれのワイヤでもよいが、好ましくは、アラミドまたはナイロンなどの高靭性人工繊維から製造される。スチールコードの破損は水の侵入、続いてスチールの腐食につながるため、破損しないように注意する必要がある。また空気チャネル３１５および３１６は、圧力を緩めないようにするために穿刺してはならない。細片を膜の内部に取付けたときに、図３に記載されるそのような細片を使用して膜の下に新鮮な空気を分散できることは、当業者に容易に認識されるであろう。

図４は、相互に平行な空気トンネルを含む構造用織物で使用するための第３の好ましい実施形態を示す。織物は、引張材４０８を通じて相互に連結された大型のＥＴＦＥ押出スリーブ４１２および４１４を含む。引張材は、マトリクス４１０および５本のアラミドコード４１１を含む。膜４１２および４１４は、リベット４１５ならびに裂け防止細片４１７および４１３によって引張材４０８に機械的に固着される。加えて、より広い側面を持つ細片を重力方向に取付けることは、水平方向での柔軟性を維持しながら、構造用織物の垂直方向の剛性を向上させる。

図５は、引張材が膜内に一体化されている本発明の第４の実施形態を示す。１本のスチールコード５１１をマトリクス５１０内に押出す。再び引張材の幅Ｗは、その高さＨよりも実質的に大きい。次に引張材をベース織物５１３に熱溶接する。その後、保護材５１２を織物に両面から貼り合わせて、引張材を完全に包囲する。

本発明に係る吊下げ構造用織物を示す模式図である。 第１の実施形態による構造用織物の引張材を示す断面図である。 第２の実施形態による構造用織物の引張材を示す断面図である。 第３の実施形態による構造用織物の引張材を示す断面図である。 第４の実施形態による構造用織物の引張材を示す断面図である。

Claims (9)

1. インフラストラクチャを被覆するための構造用織物であって、この構造用織物はグリッドと少なくとも１枚の膜とを備えており、前記グリッドが前記少なくとも１枚の膜を保持するためのものであり、前記グリッドが前記インフラストラクチャを被覆するのに適したパターンを有し、前記グリッドが高さおよび幅のある断面を有する細片を備え、前記細片の前記膜への容易な固定のために前記高さが前記幅の半分未満である構造用織物であって、
   前記細片が、少なくとも１個の細長い強度部材と、前記少なくとも１個の細長い強度部材に付着するポリマーマトリクスとを備えた構造用織物。
2. 前記細片が、少なくとも２個の細長い強度部材と、前記少なくとも２個の細長い強度部材に付着するポリマーマトリクスとを備えた請求項１に記載の構造用織物。
3. 前記細長い強度部材がスチールコードである請求項１または２に記載の構造用織物。
4. 前記細長い強度部材が合成高強度繊維コードである請求項１または２に記載の構造用織物。
5. 前記細片部材が前記膜に接着されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の構造用織物。
6. 前記細片が前記膜に溶接されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の構造用織物。
7. 前記細片が前記膜にステープル留めされているか、または縫い付けられているか、または縫い綴じられているか、またはボルト留めされているか、またはリベット留めされている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の構造用織物。
8. 前記細片が、規則的に隔設された出口を持つ少なくとも１つの空気チャネルをさらに備えた請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構造用織物。
9. 前記細片が少なくとも１列の小型電球をさらに備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載の構造用織物。

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