JP2010519433A - 断熱・防音されているモジュール式の建築物フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】改良された金属フレーム建築物を提供する。
【解決手段】耐震性、耐強風荷重性、耐火性、耐害虫性及び耐腐食性がある建築物は、正方形または長方形の鋼管で構築された周壁フレームを含む。周壁フレームを形成しているのは、隣接する縁部に沿って互いにボルトで固定された複数の側壁フレームモジュールと、隣接する縁部に沿って互いに、かつ接続された側壁モジュールの端部に、ボルトで固定された複数の端壁モジュールである。所望の耐風度のために、必要に応じて選択された側壁及び端壁モジュールに筋交いが組み込まれる。周壁上の、屋根を支持するための様々なサイズの管でできたトラスは、溶接工場で組立及び溶接され、プレハブトラス及び壁モジュールは建築現場までトラックで運ばれる。複数階を建築して互いに固定することができ、建築物フレームは、アンカーボルトまたはアンカープレートに取り付けることによって基礎またはスラブに固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、前もって作られたフレームモジュールから組み立てられる改良された建築物フレーム及びそのようなフレームから構成される建築物に関し、詳細には、耐火性及び耐虫性の建築物であって、複数階建てで建築されることができ、風、衝撃及び地震被害に強く、熱性能値及び音性能値を高めるために内壁及び外壁が支持フレームから遮断されているような建築物に関する。

居住用の住宅及び小さな商業用ビルのための在来建築工法は、これまで主として木造枠組壁工法（ウッドフレーム工法）に頼っており、木造枠組壁工法では、建築物フレームは、個々に１つ１つぴったりと合うように切断された枠組材木から現場で組み立てられる。それは労働集約的な過程であり、水平な床、完全に直立の壁、正方形の隅部、垂直なドア及び窓開口部を有する構造を製作するために、大工はかなりの熟練技能を要求される。必要な注意及び技能をもって建築物フレームを組み立てるときでさえ、材木の反り、特に樹木農場で成長の速いハイブリッド品種の木から生産された近代的な低等級材木の反りによって、建築物フレームは斜めになってしまう場合がある。

在来木造枠組壁建築物は、建築に必要な機材は極僅かであるが、かなりの建築費用が掛かるようになってきた。コストに占める人件費の割合は相当なものであり、それは、多くの時間と労力を要するフレーム組立過程に対して支払わなければならない賃金に部分的に原因があり、そして、職人の報酬及び損害賠償保険、社会保障費、医療保険料や、雇用者が政府に対して作成しなければならない多数の報告書など、政府によって義務付けられた多くの付帯費用にも部分的に原因がある。従って、雇用者は今や、これらの重くのしかかるコストを最小限に抑えられる如何なる手段を用いてでも、彼らの労働力を最小限に抑えようと努めている。

鉄骨フレーム工法（通常は「赤鉄（red iron）」工法と呼ばれる）は、強度、耐火性及び建築設計の融通性が大きいので、商業用ビルによく使われる。そのような鉄骨フレームの部品は、典型的には、建築家の設計図に従って切断されて穴を開けられ、その後、建築現場までトラックで運ばれ、移動式クレーンを使って１つ１つ組み立てられる。建築物は、正確に、必要なだけ強固に製作されることができるが、建築物を組み立てるために高価な材料と熟練工と高価な機材が必要なので、コストが比較的高い。鉄骨フレーム工法は、コストが高く、建築物の壁は標準的なフレーム構造を用いて作られるものよりもかなり厚いので、標準的なドア及び窓ユニットはぴたりと合わず、特別なトリミング手段を用いて手直しが必須であり、望ましい美しい外観を作り出すことはめったにないので、一般的に１家族用住宅建築物には適さないと考えられている建設技法である。

米国内及び国外における最近の地震での被害及び人命の喪失が報道で公表されたことにより、地震による被害についての懸念が住宅所有者の間で高まっている。地震への備えに関する話や助言はたくさんあるが、根本的な未解決の懸案事項は、在来木造フレーム家屋がこれまでは極限の耐荷重能力においても地震後の使用性限界においても地震の作用に耐えるように建てられていなかったことである。最新の建築基準法はこの問題に取り組もうと試みているが、建築基準法が要求する尺度は既に高コストの新しい家屋を増加させ、必ずしも、特に地震後の使用性に関して、地震による被害に対する大幅に改善した耐性を提供するものではない。

１９９４年の阪神淡路大震災のように地震に続いて火災が発生することが多く、そして当然のことながら火災は地震と無関係に家屋にとっての主たる脅威である。従来の家屋で火災が起こると、木造フレームは火災をさらに激化させ、構造全体が壊される前に首尾よく火災を鎮火する可能性を減らす。ここ最近の主たる救命手段は、火災を検知し、居住者に出火したことを警告して家屋が焼かれる前に居住者が避難できるようにするような火災警報器であるが、家屋自体の耐火性を著しく向上させれば延焼を遅らせることになるので耐火性の向上が望ましいであろう。

家屋にとっての他の主たる壊滅的な脅威は風である。木造フレーム家屋に作用する風荷重は多くの家屋を破壊してきたが、その主因は、屋根は普通は壁に弱く取り付けられているだけなので、屋根の上を流れる風のベルヌーイ効果によって屋根に上向きに及ぼされた持ち上げ力と、壁から屋根を持ち上げやすい軒下の圧力とが組み合わさると、壁から屋根をもぎ取り、屋根は大きな傘のように風に乗って運び去られるからである。屋根がなければ、家屋の壁は風荷重下で容易に崩壊し、家屋を完全に全壊させる。

木造フレーム家屋に対するシロアリ及びオオアリによる被害は被害の主形態であり、毎年何百万ドルも失われている。虫による被害が生命を脅かすことは稀であるが、実際には全体では風と地震の複合的作用より甚大であり、国内の多くの地域に絶えず存在する脅威である。

木造枠組壁工法に関連するこれらの問題及びその他の問題は、新しい建築物、特にアパートや老人ホームの建物などの複数階建ての住居用建物に対する保険料をますます高額にしている。

米国特許第６，００３，２８０号明細書 米国特許第６，４６０，２９７号明細書

それゆえ、地震の作用に極めて強く、燃焼を持続させず、強風に耐えることができ、虫による被害を受けず、ドア及び窓ユニットなど標準的な建築物の部品を用いることができるような、家屋を低価格で建築することを可能にするであろう家屋の建築物フレームデザインの必要性が増加している。そのような建築物フレームコンセプトは、もしも少ない職人で重機なしで短期間に建築物を建築することが可能であればさらに商業的に有用であろうし、フレームは、現地で望まれる魅力的な建築様式の建築物を製作するように適合されることができるであろう。そのような建築物フレームは特許文献１及び特許文献２に開示されており、両文献は本出願の出願人に譲渡されている。しかし、これらの特許に示されている建築物フレームシステムにおいて、設計の融通性、製造経済及び組立てのし易さを向上させ、構造強度及び悪い環境条件への耐性を向上させるために、数多くの改善が望まれることが分かった。フレームの上部と同一平面になっておりかつ内壁フレームの穴を貫通して延在する鉄筋によって、または、互いに対向する壁同士を構造的に結びつけて壁フレーム全体において壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性（diaphragm continuity）を提供するようにかつ床を支持するように取り付けられた根太（ジョイスト）によって、互いに結びつけられたコンクリート床と、垂直に積み重ねられかつフレーム部材を破砕することなくボルト締めされて一体となった複数のフレームとを備えた複数階建ての建物が、建築物フレームの構造強度を向上させることになり、内側下地チャンネル（furring channel）から遮断されているフレームモジュールが、建築物の内壁及び外壁の防音性及び断熱性を向上させることになる。これらの改善点及びその他の改善点は、これら２つの特許に開示されている建築物システムをさらに望ましくするであろう。

従って、本発明のこれらの機能及びその他の機能は、工場（現場外）で前もって作られた非常に多数のユニット金属フレームモジュール同士をボルト締めすることによって建築現場で素早く組み立てられることができるような、理想的には平屋及び低層の複数階建ての建築物に適している改良された建築物フレームで達成される。建築物用フレームは、建築物フレームの周壁フレームを形成するように縁部同士が接合された非常に多数の壁モジュールからできている。壁モジュールは、正方形、円形または長方形の構造用鋼管でできたユニット長方形フレームである。幾つかの異なる壁モジュールデザインを用いることができ、その中には、上部管、２つの垂直管及び下部管を有し、モジュールの四隅で溶接され、強化及び補強のための内部ブレースを有するものが含まれる。壁フレームの内外それぞれの側に、軽量下地チャンネルがねじで取り付けられる。壁フレームとフレームに取り付けられた内側下地チャンネルの間に遮断テープが配置される。遮断テープは、互いに隣接する金属表面間に約３．１７５ｍｍ（約１／８''）の離間距離を設けることによって、壁フレーム及び内部下地を横断する熱及び音の金属間伝導を最小にする。内装及び外装仕上げ材は、内部及び外部下地の上に直接固定される。断熱防音材が、外装サイディングと内側下地チャンネルの間の空間を埋める。

床根太を支持するために、壁フレームの上部より下に間隔をあけて、壁フレームに根太受けトラック材（rim track）を取り付けることができる。根太受けトラック材は、Ｃ型チャンネルであり、その上部及び下部フランジが周壁建築物フレームの外部に突出している。床根太の端部は、上部フランジと下部フランジの間で根太受けトラック材にぴったり収められ、根太受けトラック材及び根太ウェブにねじまたは溶接によって取り付けられた直角ブラケットによって根太受けトラック材に取り付けられる。このようにして床根太を取り付けることで、壁フレーム全体において壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供する。根太上に金属デッキプレートが支持される。建築物の互いに対向する壁同士の間にさらなる引張結合を提供するために、周壁フレームの上部管の穴から鉄筋が挿入され得る。コンクリート床が、建築物フレームの上部と同一平面になっている金属デッキ上に打ち込まれ、それによって、壁フレームの頂部を、コンクリートデッキを打ち込んで水平にするためのスクリーディング用定規（screed）として用いることができ、壁フレームの頂部と同一平面になっている床を作り出す。鉄筋は、互いに隣接するコンクリート床パネルを結びつけ、壁フレーム全体において壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供する。

壁モジュールのうちのいくつかは、長方形フレームであって、上向きに開口する下側チャンネルと、下向きに開口する上側チャンネルと、上向きに開口する下側チャンネル及び下向きに開口する上側チャンネルに着座した大型の高耐荷重の垂直な長方形の構造用鋼管とからできており、溶接またはねじ締結体によってチャンネルに取り付けられているようなフレームである場合がある。上側チャンネルは各々、打ち込まれたコンクリート床を支持するための、チャンネルの上面より下の金属デッキを支持する根太掛けとして働くような内向きに延在するフランジを含むことができるので、金属デッキプレート上へコンクリート床を打ち込んで上記建築物の２階またはそれ以上の階のための床を形成することができる。

本発明に従って製作された２階建て建築物フレームの一端における隅部の斜視図。 図１に示されている建築物フレームを内側から見た横断立面図。 本発明に従って製作された建築物に用いるための最上階建築物フレーム壁モジュールの斜視図。 図３に示されている建築物フレーム壁モジュールの小部分の拡大図。 フレームと内側下地チャンネルの間に遮断テープを有するフレームモジュールの一部分の分解斜視図。 遮断テープの上から遮断テープを貫通してフレームに締結されている、内側下地チャンネルに穴を開けている締結ねじ及び遮断ブッシングの断面図。 同様に遮断テープの上から、チャンネルをフレームに締結するねじによって、内部及び外側下地チャンネルに締結されている遮断ブッシングの断面図。 図５に示されているものと類似の、図６の円で囲まれた領域の拡大断面図であり、遮断テープの上からフレームに締結されている内側下地チャンネル内の遮断ブッシングを示し、遮断ブッシングの圧縮と、遮断テープの破砕を防止する遮断ブッシングのスペーサ（stand-off）効果とを説明している。 テック（Tec）ねじ、座金及び遮断ブッシングにより遮断テープの上から壁フレームモジュールに取り付けられた内側下地チャンネルの斜視図。 金属デッキが取り付けられている１対の床根太または屋根梁を支持する壁モジュールの立面図であり、金属デッキ上にはコンクリート床またはコンクリート屋根が打ち込まれている。また、互いに隣接するコンクリート床パネルを結びつけ、フレームアセンブリ全体においてフレームアセンブリ全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供するための、フレームの上部に開いた穴を貫通して延在する鉄筋も示している。 本発明に従う壁フレームモジュールの斜視図であり、金属デッキを支持するための、一体形成フランジにより下側チャンネル及び上側チャンネル内に締結された大型の長方形の垂直管を示している。 図９に示されているものと似ているが、内部及び外側下地チャンネルが取り付けられたフレームモジュールの正面図。 図９に示されているものと似ているが、内部及び外側下地チャンネルが取り付けられたフレームモジュールの側面図。 図１１の円で囲まれた部分の拡大断面図。 図１０及び図１１に示されているような壁モジュールでできた壁モジュールアセンブリの立面図であり、２つの垂直に隣接するモジュールの垂直接続を示している。 壁モジュールアセンブリの立面図であり、モジュール壁アセンブリの上面上でトラック材（track）アセンブリではなく水平鋼管を用いている。 内側から見た壁モジュールアセンブリの斜視図であり、風、衝撃及び剪断抵抗のために外部下地の代わりに金属デッキプレートを用いている。 図１４中の領域Ａの詳細図。 図１４中の領域Ｂの詳細図。 図１４に示されているモジュールと似ているが、外側から見た壁モジュールアセンブリの斜視図。 図１５中の領域Ａの詳細図。 図１５中の領域Ｂの詳細図。 下地チャンネルを取り付ける前の壁モジュールの立面図であり、壁モジュールの隅部に溶接されて一体になった強化用隅部ガセットに、内部Ｘ型ブレースが取り付けられている。 図１６中の線１６Ａ−１６Ａに沿った側断面図。

ここで図面を参照する。図面中では、類似の符号は同一部分または対応する部分を表す。特に図１及び図２を参照すると、周壁（一部分のみ図示）を有する２階建ての建築物フレーム２０の１つの隅部が示されており、その上縁部は、屋根トラス構造（図示せず）を支持することになる。周壁は、２つの端壁２２（そのうちの一方のみが図１に示されている）と、２つの側壁２６（そのうちの一方の一部のみが図１に示されている）とを含み、端壁２２の端部は側壁２６の端部にそれぞれ接続されている。

端壁２２及び側壁２６は複数の壁モジュール４４から組み立てられる。モジュール４４の一種が図３に示されており、モジュール４４は、工場で組み立てられて建築現場までトラックで運ばれ、建築現場で図１に示されている建築物フレームとしてモジュール４４同士がボルト締めまたは溶接される。モジュール４４は、溶接工場で複数本の長方形、正方形または円形の金属管から迅速かつ経済的に作られ、モジュール４４同士は、組み立てられた建築物フレームが結合されたときに完全に正しい位置にありかつ直角をなすように正確に９０°の隅部で溶接されることができる。全てのサイズの管を用いることができ、最もよく使われるサイズは、建築物の高さ、幾何学的配置及び設計耐荷重に照らして選択された肉厚を有する市販の５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ（２''×２''）の正方形鋼管または５０．８ｍｍ×７６．２ｍｍ（２''×３''）の長方形鋼管である。約５０ＫＳＩの降伏強度及び約５５ＫＳＩの引張強度が典型的であるが、地震力、風力、雪力及び漂流力が全ての範囲で工学的要求を律則する。当然ながら、その他の材料を使用することもできるが、上記した材料は、建築物の高さ、設計及び載荷要件に従って種々の強度要件に対して様々な肉厚及び寸法のものが低コストで多くの供給源から広く入手できるので、最もよく指定される。鋼管のゲージ（gauge）及び寸法は、建築物フレームの強度要件に基づいて選択され、通常は５〜１８ゲージの範囲内にあることになる。

壁モジュール４４は、ちょうど２４３．８センチメートル（８フィート）四方の正方形の規格に作ることができる。とはいえ、種々の建築デザインに対して必要に応じて寸法を都合よく変えることができる。モジュールを、１２１．９ｃｍ×２４３．８ｃｍ（４'×８'）または１２１．９ｃｍ×３６５．８ｃｍ（４'×１２'）のパネルとして一般的に販売されている標準内装ウォールボードを用いるように必要な大きさにすることができるので、ウォールボードをたくさん切断することなく内装を仕上げることができる。

モジュール４４は、典型的には、全て同一とは限らないことに留意されたい。図１及び図２に示されているように、いくつかのモジュール４４ａは、組み立てられた周壁に剪断剛性を与えるための内部Ｘ型ブレース（筋交い）４３を有する。他のモジュール４４ｂは窓開口部３９を有し、さらに他のモジュール４４ｃはドア開口部４１を有する。種々の建築上の特徴を持つ種々のモジュールを提供できることにより、本発明に従って構造上もっと柔軟に建築物フレームを設計できるようになる。

モジュール同士は、複数本の管を約２°の許容誤差内または好適には約１°の許容誤差内で望み通りの９０°で保持するような溶接ジグ上で溶接されるのが好ましい。アセンブリの熱変形を回避するために、接合部を完全に溶接する前にモジュール全体をタック溶接するに当たって注意を払う必要がある。ＧＭＡＷ（ガスメタルアーク溶接）溶接は、スラグ除去を必要とせず、また、接合部への入熱を最小限に抑えるような、クリーン溶接を生成することが分かっている。所望の生成速度に対して十分な数の溶接ジグが利用可能でなければ、第１のモジュールを溶接ジグ上で製作し、他の全く同じモジュールを第１のモジュールの上にパターンとして製作してもよい。

図３に示されている壁モジュール４４は、上部及び下部ガート部材４２ｕ及び４２ｂと、ガート部材４２ｕ及び４２ｂの端部に溶接された２つの垂直端部部材４０とを含み、両端部部材４０間に溶接されかつ端部部材４０同士を橋渡しする中央長手方向ガート部材４５を含む場合がある。モジュールにダイヤフラム剛性を与えるために、モジュール４４の隅部に内部Ｘ型ブレース部材４３が取り付けられる。図３に詳細に示されているように、４５°ブレース４３を有する内部Ｘ型剪断ブレースが提供され、ブレース４３は、モジュールフレーム４４の対向する隅部及びそれらの間に溶接されるかまたは図１６に示されているような隅部ガセットプレートに溶接される。２つの垂直端部部材４０及び上部及び下部ガート部材４２ｕ及び４２ｂによって画定されるモジュールフレーム４４内でＸ型ブレース４３を内部に配置することで、確実に、後述する軽量構成要素を、特別な切断や他の費用のかかる作業なしにフレームモジュール４４の内面及び外面に取り付けることができるようになる。建築設計上、補強が必要であれば、さらなる垂直荷重負担能力のために、第３の垂直部材４６を、Ｘ型ブレース４３が交差する２つの垂直端部部材４０の中間で、上部及び下部ガート部材４２ｕ及び４２ｂに溶接することができる。

窓またはドア開口部を有しない全てのモジュールにおいて、図３に示されているＸ型剪断モジュール４４を周壁２０（図１）に用いて、地震中の横方向の振動または風荷重によって与えられる破壊荷重下で平行四辺形形状になろうとする撓みに対する抵抗のために、壁部分の平面に強度及び剛性を与えることができる。本発明は１０階建ての高さの建築物に用いられることができるので、片持ち梁としての曲げに起因する曲げ歪のみならず剪断歪に対する抵抗のために剪断筋交いが付加され、この強化は、居住者の安全への脅威のみならず、暴風または地震の後の建築物の使用性を最小にする。

図２及び図３に示されているような１若しくは複数のＸ型剪断筋交いモジュール４４ａを備えた組み立てられた壁フレームは壁全体に対して剪断剛性を与えるので、図１及び図２に示されている典型的なドア及び窓用壁モジュール４４ｂ及び４４ｃには、通常は、図３に示されている壁パネルに示されている剪断筋交いが含まれない。

ウォールボード、パネル用材などの外装サイディング及び内装仕上げの取付けのために、軽量構成要素が、フレームモジュール４４に溶接されるかまたはねじで取り付けられる。図３に示されている軽量構成要素は、内側下地チャンネル６０及び外側下地チャンネル６２を含む。内側チャンネル６０は、ウォールボードねじなどによる内装ウォールボードの取付けが可能な軽量金属製支持部を提供する。内装シートメタル構成要素は、通常約２２ゲージ、およそ０．８６ｍｍ（およそ０．０３４''）である。外装シートメタル構成要素は、通常約２０ゲージ、およそ１．０２ｍｍ（およそ０．０４０''）である。これらのゲージは、所望の剛性を与え、セルフドリリング・セルフタッピン締結体によってフレームモジュールの管に取り付けることを容易にし、一方で、内装ウォールボード及び外装サイディングの取付け中にドリリングねじの容易な挿入を可能にする。

建築物フレームモジュールと内装ウォールボードとの間の断熱性及び防音性を向上させるために、図３Ａ及び図４〜図７に示されているように、フレームモジュールとフレームに取り付けられた内側下地チャンネルの間に遮断テープ６５が配置される。遮断テープ６５は、互いに隣接する金属表面間に約３．１７５ｍｍ〜６．３５ｍｍ（約１／８''〜１／４''）の離間距離を設けることによって、壁フレーム及び内部下地を横断する熱及び音の金属間伝導を最小にする。遮断テープは、内側下地チャンネル６０とフレームモジュール４４の間に断熱性及び防音性を与える任意の材料であり得る。有効に働いた１つの材料は、アメリカン・マイクロ・インダストリーズ（American Micro Industries）社製の「Econobarrier」である。別の材料は、３Ｍ（スリーエム）社製のモデル４５０４である。これらは通常、粘着剤によってモジュールフレームに取り付けられた５０．８ｍｍ×１０１．６ｍｍ（２''×４''）の長方形で厚さ約９．５２ｍｍ（約３／８''）の遮断テープであり、その上から内側下地チャンネル６０がモジュールフレームに取り付けられる。

最適な断熱及び防音のために、遮断テープ６５は、通常は発泡材料である。遮断テープがモジュールフレームと内側下地チャンネル６０の間で破砕されないようにするために（破砕すれば断熱・防音特性が低下するであろう）、図４〜図６Ａに示されている遮断ブッシング７０を利用して、スペーサ（stand-off）の如く下地チャンネル６０をモジュールフレームから離し、また、下地チャンネル６０をモジュールフレームに保持するねじ７２から内側下地チャンネル６０を断熱・防音することもできる。図４及び図５に示されているブッシングは、円形上部フランジ７４及び従属する円筒部７６を有するハット型部材であり、制振熱可塑性プラスチック材料からできていて、荷重下で変形することになるが、図６及び図６Ａに示されているようにモジュールフレームにねじ７２がねじ込まれているときにねじ７２が下地チャンネル６０をしっかりと適所に保持できるように十分な剛性を有する。

図５に示されているように、遮断ブッシング７０の従属円筒部７６は、下地チャンネル６０の穴７８を通り抜け、遮断テープ６５に当たっている。ねじ７２は、遮断ブッシング７０の中央穴８０を貫通して延在し、座金８２に当接しているねじ７２のねじ頭は、モジュールフレームに遮断ブッシングを押し付けて、遮断テープがその断熱・防音価値を失う点まで圧縮されないように図６Ａに示されている如く下地チャンネル６０がモジュールフレームに対してスタンドオフ位置でしっかりと保持される程度にまで従属円筒部７６を変形させ、下地チャンネル６０は、モジュールフレームから少なくとも約３．１７５ｍｍ（約１／８''）離間されてしっかりと保持されたままである。

ねじ７２はセルフドリリング・セルフタッピンねじとして示されているが、他のタイプの締結体も、材料明細書及び労働経済がそのように示す場合には、目的通りの働きをするであろう。図６に示されている内側下地チャンネル６０は、より慣用的な「ハット」型チャンネルではなく、「片ハット（skillet）」型チャンネルであることにも留意されたい。すなわち、内側下地チャンネル６０は、より慣用的な左右対称の２フランジ「ハット」形状ではなく、１つの取付フランジを有する。片ハット型チャンネルの方が、低コストで、軽量で、取付けが迅速かつ簡単で、モジュールフレームからウォールボードへの熱伝導経路が短いが、短所を補う事情があれば、ハット型チャンネルを用いることができる。

図１及び図２に示されている下階の壁モジュール４４は、図３と関連して述べたものと同じ基本的な溶接された管のデザインを用いる。２階建て以上の建築物が建てられるとき、図１及び図２並びに図８、図１２及び図１３にも示されているような、２階及びそれより高層階の床根太９２を収容するために、モジュールの高さを高くすることができる。床根太９２は、ＢＣＩジョイスト、Ｃ型チャンネル（図示）、または所望の範囲にわたって床荷重を支持することができる任意の他の適切な形であることができる。床根太９２は、一連の適切な既知のデザインのジョイストハンガー（図示せず）によって、または図１２及び図１３に示されているような壁モジュール４４に溶接されている根太受けトラック材５６によって、端部が支持される。根太受けトラック材５６は、根太受けトラック材ウェブ５５から床根太９２によって橋渡しされる空間に向かって外部に突出している上部及び下部フランジ５７、５８を有し、床根太９２の端部は下部フランジ５８上に支持されている。その上、一連の根太取付ブラケット６３が、ねじまたは溶接によって根太受けトラック材ウェブ５５に取り付けられ、ねじ（図示）または溶接によって床根太ウェブ５９の端部に取り付けられる。建築物フレームの互いに対向する壁同士の間に根太９２を強固に取り付けることにより、建築物フレームの側壁及び端壁の「オイルキャニング（oil can）」ダイヤフラム屈曲に対してフレームを強固にし、壁フレーム全体において壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供する。別の床根太支持配置は、図８に示されているようにモジュールフレームにブラケット９０を溶接するようになっており、ボルトで床根太９２をブラケット９０に固定するようになっている。

コンクリート床が用いられるのであれば、金属デッキ９４を、根太９２の上に敷設及び支持し、図１３に示されているような上部フランジ５７の上部または図８に示されているような上部付近のモジュールフレーム垂直材に溶接された支持用の根太掛け９５に取り付けることができる。図１３に示されているように、周壁フレームの上部フレーム部材４２ｕに穴９６を開け、穴９６から鉄筋９８を挿入することができる。金属デッキプレート上へコンクリート床１００が打ち込まれ、上部部材４２ｕの頂部が、コンクリートを平らにするためのスクリーディング用定規として用いられる。コンクリート床が、壁フレームの上部と同一平面になり、建築物の全床表面にわたって床に対する構造的なダイヤフラムのつながりを提供するように、鉄筋９８は、上部フレーム部材４２ｕの両側で互いに隣接するコンクリート床パネルを結びつけ、壁フレーム全体において壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供する。

建築物フレーム周壁のための、特に周壁フレーム２２、２６の内部及び間の境界壁（party and demising wall）のための、別のタイプのフレームモジュールを、図９〜図１２に示されているモジュールフレーム１１０から作ることができ、このとき、フレームモジュールの垂直部材は、Ｃ型（open）の上部及び下側チャンネル１１７及び１１８に挿入されかつ取り付けられた正方形または長方形の大径管１１５である。フレームモジュール内の垂直管の数は、建築デザインの載荷及びスパン能力によって決められる。図９に示されているように、垂直管の数を３つだけにして、窓開口部及びドア開口部などのために広い面積を塞がれていない状態にしておくことができる。荷重下での湾曲に対抗する支持のため、垂直管１１５と垂直管１１５の間に中央水平管１２０を溶接することができる。

図１２に示されているように、境界防音壁２２を、最も近い下階のモジュールの上部の直上で上階の床を支持する壁モジュールから作ることができる。図１２に示されている実施形態では、上階の床は、根太９２の上に支持されている金属デッキ９４上に打ち込まれたコンクリートスラブ１００でできており、根太９２は、その両端が、一端は垂直管１１５に取り付けられた根太受けトラック材５６によって、一端は図１３にも示されているような根太受けトラック材５６と根太９２の間に取り付けられた直角ブラケット６３によって支持されている。

上側チャンネル１１７に一体形成フランジ９５を設けることができ、一体形成フランジ９５には図１２に示されているように金属デッキ９４を取り付けることができる。金属デッキ９４は、図８に示されている構造と同様に、垂直管１１５に固定されたフランジ９０に取り付けられた根太９２によって支持される。図１２には示されていないが、同じ目的のために図８に示されているように強化用鉄筋を受容するための穴を水平に垂直管１１５の表面及び上側チャンネル１１７を貫通して開けることもできる。

図１２にも示されているように、図９に示されているフレームモジュールデザインの別の利点は、フレームモジュール同士を垂直に接合し、それらを、図１〜図３に示されているモジュールの隣接した上部及び下部管４２ｕ及び４２ｂを破砕しないように気をつけることなく、図１２に示されているボルト１３０などの高張力締結体で留めることができることである。

図１４〜図１５Ｂに示されている建築物フレームモジュール１４０は、図１〜図３に示されているのと同じ長方形または正方形の管を用いている。モジュール１４０は、上部及び下部モジュール管４２ｕ及び４２ｂに固定されかつもしあれば中央長手方向ガート部材４５にも固定された内側下地チャンネル６０を有する。モジュールの外面に、典型的にはセルフドリリング・セルフタッピンねじ１４６を用いて、波形鋼製パネル１４４が取り付けられる。パネル１４４の縁部は、組み立てられた建築物フレーム内の互いに隣接するモジュール上で重なり合うように垂直端部部材４０を僅かに越えて延在することができ、鋼製パネル１４４の接合部をコーキングして、風によって引き起こされる雨が壁をさらに透過しようにすることができる。どのような出来上がりの外観が望まれるのであれ、防湿材及び外装サイディングをパネルの外面に直接適用することができる。

鋼製パネル１４４は、竜巻、ハリケーン及びその他の破壊的な気象事象の可能性に苦しめられる地域において深刻な問題であるような、風によって引き起こされる物体の侵入に対する耐衝撃性を備える。パネル１４４はまた、風によって引き起こされる雨水浸透への耐性を増加させるので、かび及び白かび被害の可能性を大いに減少させる。パネル１４４は、モジュール及び建築物フレーム壁全体に非常に高い剪断強度を与え、図１〜図３に示されているＸ型ブレース４３を不要にすることができるが、さらなる剪断強度が必要であれば、そのようなＸ型ブレースを用いることができる。

図１６及び図１６Ａに示されているＸ型ブレースはブレース管１５０及び１５２を用いており、ブレース管端部にはスリットが入れられ、モジュール１６０の隅部に溶接されて一体になったガセットプレート１５５を挟み込んでいる。ガセットプレートはモジュールの隅部を強化し、ガセットプレートに管のスリット端部を溶接して長さが長い溶接部及び非常に強い結合部を提供することができる。また、製作よりも溶接の方がずっと容易である。Ｘ型の斜めの管のうちの一方１５０は完全に隅から隅まで延在し、他方の斜めの管は２つの部分に分けられており、これら２つの部分の端部間にストラップ１６２が溶接されて結合を完成させている。この構造は、製造が非常に迅速で簡単であり、パネルに高い剪断強度を与える。それはまた、モジュールの直立の壁、ガート部材または隅部の破損ではなく、ブレースの既知の損傷モード座屈を与えるので、建築物は破損後であっても使用性を維持しており、かなり高い確信を持って設計の仕様を定めることができる。

本発明は、それゆえ、大きな設計変更なしに複数の設計要件を満たすことができる建築物の低コスト建築を可能にする。豪雪による荷重が見込まれる地域では、トラスのピッチ角を任意の所望の角度まで大きくして屋根の耐荷重強度及び雪落とし能力を増加させることができる。地震が起きやすい地域では、斜めの剪断パネルが、必要以上の荷重分散能力を与える。屋根材は、慣性力を最小にするために最小重量になるように選択され得るので、家屋は、撓みやすい垂直な片持ち梁ではなく剛性ユニットのような動きをする。このことは、基礎及び屋根の差動運動によって引き起こされる建築物への被害を最小限に抑えることになり、建築物が地震の後に使用性を維持しているようにする。金属フレーム建築物は、本質的にシロアリ及びオオアリの攻撃もかび及び白かびの攻撃も受けず、本質的に火災による被害に対して耐性がある。

言うまでもなく、上記した好適実施形態の無数の変形形態及び変更形態が可能であり、本明細書を踏まえて当業者に明らかになるであろう。好適実施形態の多くの機能及び利点について説明しているが、本発明の使用の中には、これらの機能及び利点全てを必要とするわけではないものもあるであろう。従って、言及されている完全な機能及び利点の一揃いよりも少ない機能及び利点を用いて本発明を使用することが意図されている。さらに、本発明の幾つかの種及び実施形態が本明細書中に開示されているが、全てが、包括クレームに含められているが、明確に請求項に記載されている訳ではない。にもかかわらず、これらの種及び実施形態の１つ１つ及びそれらに相当するものが特許請求の範囲に含まれかつ保護されることが意図され、何らかの個別の種がクレームされていないことを理由とした公衆への貢献は意図されていない。従って、これらの実施形態、種、変形形態及び変更形態並びにそれらに相当するものは全て、特許請求の範囲において画定される本発明の趣旨及び範囲にあると見なされるべきであることが、明確に意図されている。

Claims (14)

1. 金属フレーム建築物であって、
   各々が、上部部材、２つの垂直管及び下部部材を有しかつ長方形、正方形または円形の構造用鋼管でできている長方形フレームをなし、前記管及び部材が前記長方形フレームの四隅で固定されて前記周壁に垂直支持を提供し、前記建築物のための周壁フレームを形成するために縁部同士が接合されているような複数の壁モジュールと、
   前記壁フレームの前記上部より下に間隔をあけて前記壁フレームに取り付けられ、前記周壁建築物フレームの外部に突出している上部及び下部フランジを有する根太受けトラック材と、
   前記根太受けトラック材内に端部が支持されている床根太と、
   前記根太受けトラック材上部フランジまたは根太掛け上に支持されている金属デッキプレートと、
   前記金属デッキプレート上へ打ち込まれ、前記上部部材の頂部と同じ高さにスクリーディングされたコンクリート床と、
   互いに隣接するコンクリート床パネルを結びつけ、前記壁フレーム全体において該壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供するために、前記周壁フレームの前記上部部材の穴を貫通して延在する鉄筋とを含むことを特徴とする金属フレーム建築物。
2. 建築物のシステム工法であって、
   各々が上部管、２つの垂直側管及び下部管を有しかつ工場で隅部同士を溶接された長方形の構造用鋼管の複数のフレームモジュールを前もって作り、前記モジュールを建築現場までトラックで運ぶステップと、
   真っ直ぐな垂直支持部材で垂直荷重を支持するステップであって、前記フレームモジュールの一部においては、真っ直ぐな垂直支持部材のみを有し、筋交い部材がなく、筋交いによって制約されていない窓及びドア開口部を建築上自由に配置できるような該ステップと、
   他のフレームモジュールに組み込まれている筋交い部材によって風及び地震事象からの水平力に耐えるステップと、
   前記フレームモジュール全ての縁部同士を接合して周壁建築物フレームを形成するステップとを含むことを特徴とする工法。
3. 前記複数のフレームモジュールを、建築中に、２つのボルトにより、前記フレームモジュールの全ての側部に沿って接合し、水平力に耐えることが必要な場合には、フレームの交差部に追加のボルトまたは溶接を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２の工法。
4. 金属フレーム建築物であって、
   各々が、上部部材、２つの垂直管及び下部部材を有する長方形フレームをなし、前記管及び部材が前記長方形フレームの四隅で接合され、強化及び補強のための内部ブレースを有し、前記建築物のための周壁フレームを形成するために縁部同士が接合されており、前記壁フレームが、内壁のための軽量下地チャンネルを含み、外側下地チャンネルが、前記下地を前記壁モジュールに保持する取付ねじによって前記モジュールに取り付けられているような、複数の壁モジュールと、
   互いに隣接する金属表面間に約３．１７５ｍｍ〜６．３５ｍｍの離間距離を設けることによって、前記壁フレーム及び前記内部下地を横断する熱及び音の金属間伝導を最小にするような、前記壁フレームと前記フレームに取り付けられた前記内側下地チャンネルの間に位置する遮断テープと、
   前記内部及び外部下地の上に直接固定された内装及び外装仕上げとを含むことを特徴とする金属フレーム建築物。
5. 床を支持するための互いに対向する壁同士の間の空間を橋渡しする床根太の端部を支持するための、前記内側下地チャンネルの上で前記フレームに固定された根太受けトラック材をさらに含むことを特徴とする請求項４の金属フレーム建築物。
6. 前記取付ねじ上の遮断ブッシングをさらに含み、前記遮断ブッシングが、前記遮断テープが前記下地チャンネルと前記壁フレームの間で破砕しないようにするスペーサの役割を果たし、その一方で、前記ねじに前記下地チャンネルを適所に保持することができる適切な張力を許容し、前記取付ねじと前記下地チャンネルとの接触を防止していることを特徴とする請求項４の金属フレーム建築物。
7. 前記遮断ブッシングの各々が、スペーサ部及び前記スペーサ部の一端上のフランジを含み、
   前記フランジが、前記下地チャンネルの外面上にあり、前記ねじが、前記フランジに当接しかつ前記遮断テープに対して前記下地チャンネルを適所に保持するための圧縮力を前記フランジに及ぼすようなねじ頭を有し、
   前記スペーサ部が、前記下地チャンネルの開口部を貫通して延在し、前記フランジ上の前記ねじ頭の前記圧縮力が前記下地チャンネルと前記壁フレームの間で前記遮断テープを破砕しないようにすることを特徴とする請求項６の金属フレーム建築物。
8. 前記遮断ブッシングが、前記ねじが前記壁フレームに前記下地チャンネルをしっかりと保持するのに十分にきつく締められているときに前記遮断テープによって提供される断熱性・防音性を減少させることになるような変形なしに前記ねじによって及ぼされる前記圧縮力に抵抗するのに十分な硬さを有する断熱性かつ防音性のポリマーでできていることを特徴とする請求項７の金属フレーム建築物。
9. 極値風条件または高衝撃力に対する抵抗及び剪断伝達を高めるための、前記外側下地チャンネルに取り付けられた波形金属デッキプレートをさらに含むことを特徴とする請求項８の金属フレーム建築物。
10. 前記建築物フレームの外面に対して作用する極値風条件または高衝撃力への耐性及び剪断伝達を高めるための、前記フレームの前記外面に外側下地チャンネルなしに直接取り付けられた波形金属デッキプレートをさらに含むことを特徴とする請求項４の金属フレーム建築物。
11. 金属フレーム建築物であって、
    前記建築物のための周壁フレームを形成するように縁部同士が接合された複数の壁モジュールを含み、
    前記壁モジュールが、上向きに開口する下側チャンネル、下向きに開口する上側チャンネル及び大型の高耐荷重の垂直な長方形の構造用鋼管でできた長方形フレームであり、前記垂直管は、前記上向きに開口する下側チャンネルに着座し、前記下向きに開口する上側チャンネルは、前記チャンネルに着座しかつ溶接またはねじ締結体によって取り付けられ、
    前記金属デッキプレートにコンクリート床を打ち込んで前記建築物の２階のための床を形成することができるように、前記上側チャンネルが各々、打ち込まれたコンクリート床を支持するための前記チャンネルの上面より下の金属デッキプレートを支持するための根太掛けとして働くような外向きに延在するフランジを含むことを特徴とする金属フレーム建築物。
12. 垂直に互いに隣接するパネル同士を、破砕されないとすれば前記壁パネルの前記上部及び下部部材を形成するであろう管を破砕することなく接続する高張力締結体をさらに含むことを特徴とする請求項１１の金属フレーム建築物。
13. 前記モジュールの隅部に溶接されて一体になったガセットプレートに溶接された筋交いをさらに含むことを特徴とする請求項１１の金属フレーム建築物。
14. 金属フレーム建築物であって、
    前記建築物のための周壁フレームを形成するために縁部同士が接合されており、各々が上部部材、垂直管、下部部材を有しかつ部分的に長方形の構造用鋼管でできているような長方形フレームを複数含み、前記管及び前記部材が、前記フレームの四隅で接続され、かつ強化及び補強のための内部ブレースを有するような、複数の壁モジュールと、
    前記壁フレームの前記上部より下に間隔をあけて前記壁フレームに取り付けられ、前記周壁建築物フレームの外部に突出している根太掛けと、
    前記建築物フレームの前記上部と同一平面でコンクリート床を打ち込むことができ、それによってコンクリートデッキが打ち込まれかつ水平にされているときに前記壁フレームの頂部をスクリーディング用定規として用いることができ、前記壁フレームの前記頂部と同一平面になっている床を作り出すように、互いに隣接するコンクリート床パネルを結びつけ、前記壁フレーム全体において該壁フレーム全体を通して面内剪断力の伝達及びダイヤフラムの連続性を提供するべく、前記周壁フレームの前記上部管の穴を貫通して延在する鉄筋及び前記根太掛け上に支持される金属デッキプレートとを含むことを特徴とする金属フレーム建築物。

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