JPH09507889A - 構造フレーム - Google Patents

構造フレーム

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JPH09507889A
JPH09507889A JP8516075A JP51607596A JPH09507889A JP H09507889 A JPH09507889 A JP H09507889A JP 8516075 A JP8516075 A JP 8516075A JP 51607596 A JP51607596 A JP 51607596A JP H09507889 A JPH09507889 A JP H09507889A
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Abstract

(57)【要約】 構造フレームは、増大する張力を最小にしかつ圧縮応力を最大限分解するために、フレームに及ぼされる応力を方向付けするように配列された連続的な支柱(12、14)で構成される。フレームは、キューブの接線とキューブの各角部から外側に延長する八本の付加的な長さの等しい支柱(14)とを形成するために配列された12本の等しい長さの支柱(12)である複数のユニキューブ(10)で構成される。八本の外側に延長する支柱(14)のそれぞれは、それに結合される三本のキューブの接線の支柱(12)のそれぞれと等しい角度を形成する。これらの外側に延長する支柱(14)の外側の端部(14E)は共に結合され、その結果、そのような外側の支柱の端部(14E)の組は、結合されて、これらのユニキューブ(10)の網状組織を形成し、その網状組織は構造フレームを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 構造フレーム 本発明は、概して、例えば耐加重フレームである構造体に関し、特には、構造 体にとって必要とされる材料の量に関して安全に伝達可能な応力の間の増大され たトレードオフを提供する構造体に関する。 この重量比に対する増大された強度は、リチャードバックミンスターフューラ ー(Richard Buckminster Fuller)によって提案されかつ構成される多くの構想を 含む多数の構想の目的である。耐加重フレーム及びトラスが使用される多くの関 係においては、圧縮力よりもむしろ張力による破損のために破損が発生する。最 初にもたらされる加重が材料に圧縮応力を引き起こすにもかかわらず、その応力 は、張力をもたらすベクトルによって材料内で分解される。例えば、加重を受け るドームは、ドームを構成するトラスに沿って張力を引き起こすように歪む傾向 がある。張力による破損のために破損は発生する。耐加重構造体に使用される大 きな引張り強度を有する材料の開発に多くの注意が払われてきており、これらの 材料の引張り強度が使用されることにより、供給される加重は、これらの引張り 要素によってもたらされる張力により、少なくとも一部分分解される。そのよう な方法は、1967年に刊行されたバックミンスターフューラーの米国特許第3, 354,591号に記載されている。そのような構造体のもっと最近の改良は、198 0年に刊行された米国特許第4,207,715号に記載されている。引張り要素及び圧 縮要素のこの結合体は、1987年に刊行された米国特許第4,711,062号に示さ れる構造体にも記載されている。 発明の開示 本発明は、複数の支柱によって構成されるフレームの型式の構造体に関する。 各支柱は、理想的には長さが等しく、更に張力の発生が最小にされ、構造体に及 ぼされる応力が構造体内で分解されるように配置される。支柱の組は、建築用ブ ロックの複数の相互結合された組として分解可能である。相互結合される際に本 発明のフレームを構成するこれらの建築用ブロックは、三つの異なる方法によっ て見ることが可能である。つまり、本発明のフレームを構成する支柱の組のうち のどの組が分解されるかに依存して、建築用ブロックの三個の明確に異なる組の うちのいずれか一つが端に配置される。これらの三個の組のうちの二つは、現実 的な建築用ブロックである。他方は、個々の支柱が二重の機能を有しかつ関連す る二個又はそれより多い特有の副フレームの端部を構成すると考慮される点で、 少し抽象的である。 第一の組は、出願人が“ユニキューブ”と称する十二本の支柱の建築用ブロッ クである。それは、十二本の支柱がキューブを限定するフレームである。キュー ブの八個の角部のそれぞれから、単一の支柱が外側に延長し、キューブの三本の 近接する接線の支柱のそれぞれに関して等しい角度が形成される。キューブの角 部から延長する支柱の外側の端部によって結合される複数のこれらのユニキュー ブは、本発明の技術に従ったフレーム又はトラスを製作する。 第二の組は、二個の建築用ブロックによって構成される。それらはテトラック スフレームとキュービックフレームとである。それぞれのテトラックスフレーム は、四面体の中心の点から四面体の四個の角部まで延長する四本の支柱である。 それぞれのキュービックフレームは、キューブの接線を限定する12本の支柱で ある。各テトラックスフレームの外側の端部は、キュービックフレームの角部に 結合され、同様に、キュービックフレームの各角部は、テトラックスフレームの 支柱の外側の端部に結合される。それゆえ、キュービックフレームの八個の角部 から、八個のテトラックスフレームが外側に延長する。同様に、テトラックスフ レームの四本の支柱の外側の端部の位置では、四個のキュービックフレームが延 長し、それぞれのキュービックフレームは、角部の位置で、テトラックスの支柱 に結合される。テトラックスフレームの四個の外側の端部と、キュービックフレ ームの八個の角部とが存在するために、この配列が必要とすることとして、キュ ービックフレームの二倍の数のテトラックスフレームが存在する。 第三の組は、厳密には建築用ブロックではない。第三の組は、参照された特許 出願に詳細に記載されている切頭斜方十二面体(TRD)の接線のフレームであ る。切頭斜方十二面体を限定する複数の接線の支柱によって構成される構造体は 、本発明のフレームを形成する。しかしながら、理解されなければならないこと として、TRDの一群にされた組では、各接線はこれらのTRDのうちの三個に 共通する。本発明のフレームは、共通の接線を構成するフレームであり、その結 果、近接するTRDの三本の接線は、三本の平行な合致した支柱ではなく、単一 の支柱により表される。 図1〜図6は、これらの三つの組又は建築用ブロックを示す。図1及び図2は 、ユニキューブの二つの図面を示す。図3及び図4は、それぞれテトラックスフ レーム及びキュービックフレームを示す。図5及び図6は、TRDフレームの二 つの図面を示す。図5は、TRDの可視的な接線のみを表す不透明なTRDを示 す。 図面の簡単な説明 図1は、中心のキューブが不透明な型式であり、可視的な支柱のみが見られる 、ユニキューブの斜視図である。 図2は、中心のキューブの12本の支柱及び八本の外側に延長する角部の支柱 のすべてを示す実際のユニキューブの斜視図である。 図3は、ここではテトラックスフレームとしても言及される四本の支柱のテト ラックスの二つの図面を示す。 図4は、ユニキューブの中心のキューブである、キュービックフレームの斜視 図である。 図5は、不透明な切頭斜方十二面体(TRD)の斜視図であり、不透明なTR Dの可視的な斜線のみが示されている。 図6は、すべての接線を示す実際のTRDの斜視図である。 図7は、近接するユニキューブの外側に延長する支柱14の結合部を示す図1 のユニキューブの二次元的な集合体を示す。 定義 出願人は、ここでは以下のような語を使用する。これらの語は、以下の定義に 従って、明細書及び請求の範囲で使用される。 ユニキューブ ユニキューブは、互いに結合された12本の等しい支柱を有する。12本の支 柱は、キューブの接線を限定し、キュービックフレームを構成する。八本の支柱 は、キューブの八個の角部から外側の所定の方向に延長し、その結果、これらの 外側に延長する支柱のそれぞれは、それに結合される三本のキュービックフレー ムの支柱のそれぞれと等しい角度を形成する。キューブを限定する12本の支柱 はキューブの支柱と呼ばれ、キューブの角部から外側に延長する八本の支柱は外 側に延長する支柱と呼ばれる。単一のユニキューブの外側に延長する支柱は、そ れぞれ外側の端部を有する。図2はユニキューブを示す。 キュービックフレーム キュービックフレームは、キューブの12本の接線を限定する支 柱の組で構成される。キュービックフレームは、本発明の好適な構造体の二個の 建築用ブロックのうちの一方を構成する。他方の建築用ブロックは、以下限定さ れるテトラックスである。キュービックフレームは図4に示される。 テトラックス テトラックスは、四面体の中心の点から四面体の四個の角部まで延長する四本 の寸法の等しい軸である。テトラックスの任意の二本の支柱又は脚の間の相互の 角度は109.47°である。複数のテトラックス及び複数のキュービックフレ ームは、結合されて、本発明の好適な構造フレームを製作可能である。このテト ラックスは、更にここではテトラックスフレームと称される。図3はテトラック スを示す。 テトラックス構造体 テトラックス構造体は、テトラックスに概略等しい四本式の支柱構造体又は建 築用ブロックである。四本の支柱は、すべて共通の点で結合される。しかしなが ら、支柱は長さが等しくなく、任意の二本の支柱の間の角度は109.47°か らいくらか逸れる。テトラックス構造体は、最適ではない本発明のある実施形態 では建築用ブロックとして使用可能である。幾つのテトラックス構造体がテトラ ックスフレームから逸れることが可能であるかの限界、及び本発明の実施形態で は幾つのテトラックス構造体が使用可能であるかの限界は、詳細な説明によって より詳細に説明される。 切頭斜方十二面体(TRD) 切頭斜方十二面体という語は、頂点から延長する四本の接線を有する六個の頂 点の先端が切断された、斜方十二面体に使用される。接線の中間点の位置でそれ ぞれの斜方十二面体の六個の四本の接線からなる頂点のそれぞれの先端を切断し 、かつその切断された部分 を取り除くことによって、ここで限定されるTRDが提供される。TRDの更な る説明は、関連する出願連続番号第08/338,408号に記載されている。 好ましい実施態様の詳細な記載 図1及び図2は、本発明の建築用ブロックの一つの形態を示す。この建築用ブ ロックは、ここではユニキューブ10として言及する。図1に示されるように、 キューブの接線を形成する12本の支柱12が存在する。更に、キューブの八個 の角部を形成する外側に延長する八本の支柱14が存在する。それぞれの外側に 延長する支柱14は、角部を形成する三本のキューブの接線の支柱12のそれぞ れに対して等しい角度を形成し、その角部から延長する。支柱14及び12は、 すべて長さが等しい。 このユニキューブ10の建築用ブロックを見るのを容易にするために、図1は キューブを不透明なものとして示す。構造体自体は支柱の連続体であるため、図 2がより正確な表示を行う。図1のユニキューブから本発明のフレームが組み立 てられる際に、それぞれの支柱14の外側の端部14Eは、三個の他のユニキュ ーブの外側の端部14Eに取付けられる。図7は、この配列を示しかつ提案する ように構想される。図7では、明快さのために、四個ではなく、三個の端部14 Eのみが結合されて示されている。 支柱の端部14Eによって互いに結合された複数の図2のユニキューブは、本 発明の最適なフレームの実施形態を形成する。注目されることとして、それぞれ の端部14Eは、三個の他のユニキューブの三個の他の端部14Eに結合される 。それゆえ、四個の結合されたユニキューブのいずれの組も、一個の共通する点 のみを共有する。 図3及び図4は、本発明の建築用ブロックの他の形態を示す。 一方の建築用ブロックは図4に示されるキュービックフレームであり、他方の 建築用ブロックは図3に示されるテトラックスフレームである。それぞれのキュ ービックフレームは、キューブの接線を限定する12本の支柱12を具備する。 それぞれのキュービックフレームは八個の角部を有する。それぞれのテトラック スフレームは、四面体の角部の軸を有する四本の支柱14によって構成される。 四本の支柱は、長さが等しく、中心の点14Eから外側に延長する。中心の点1 4Eには、四本のすべての支柱が結合され、中心の点14Eの位置では、支柱の いずれかの二本は、109.47°の相互間の角度を形成する。つまり、これら の四本の支柱では、一度に二本の支柱を使用して形成される角度が、六個存在す る。それぞれの角度は、109.47°の値を有する。これらの四本の支柱の四 個の端部の点14Cが正四面体の四個の頂点であると考慮される場合、これらの 四本の支柱は、四面体の中心から四面体の四個の頂点まで延びる四本の線である 。 各テトラックスの端部の点14Cはキュービックフレームの角部に結合され、 各キュービックフレームの角部はテトラックスの端部の点14Cに結合される。 各テトラックスに対する四個の端部の点14Cと、キュービックフレームの八個 の角部とが存在するため、本発明の構造体には、キュービックフレームの二倍の 数のテトラックスフレームが存在する。 好適な実施形態では、テトラックスフレームは正確なテトラックスであり、各 支柱は長さが等しくかつ109.47°の間の角度を有する。この間の角度は、 四本の支柱のうちのいずれか二本の間の角度である。 ユニキューブ、キュービックフレーム及びテトラックスの間の関係 テトラックスの各支柱14は、組み立てられた構造体のユニキュ ーブの外側に延長する支柱である。図7は、この関係を示す補助になる。それゆ え、支柱には、同一の参照番号“14”が使用される。同様に、ユニキューブの キューブの支柱12は、組み立てられた構造体のキュービックフレームである。 それゆえ、ユニキューブの支柱14の端部の点14Eは、テトラックスの支柱の 中心の点である。テトラックスの支柱の端部の点14Cは、キュービックフレー ム16の角部の点である。 同様に、キュービックフレーム16の中心の点は、ユニキューブのキューブの 中心の点である。 すべてのキュービックフレーム16の中心の点は、互いに関係を有する点の組 であり、中心の点のこの組の各要素は、点の組の12個の隣接する要素からの距 離が等しくなる。これらの点を通じて支柱に沿って力が伝達されるのを回避する ために、その点の組は常に支柱12、14の組から間隔をあけられなければなら ない理由から、この関係は重要である。中心の点の組を通じての力の伝達を回避 することにより、これらの力は、張力の増加を最小にするように向けられる。 配列が好適な実施形態に近ければ近いほど、張力の増加は小さくされる。しか しながら、構造体の支柱の張力の増加を最小にする本発明の改良が得られる場合 でさえも、支柱12、14の長さの均一さ、及びテトラックスの中心の角度、及 びキューブ16の直角性のいくらかの逸れは許容可能である。それゆえ、語テト ラックス構造体は、テトラックスに基づくが理想的に均一な長さより短い長さの 支柱を有する及び/又は理想的な間の角度より小さい角度を有する、四本の支柱 の構造体に言及するのに使用される。それゆえ、テトラックス構造体は、応力の 方向付けの十分な改良を提供するテトラックスのモデル的な構造体である。 図7は、本発明に関する、概略二個のユニキューブの厚さに構成されたパネル を示す。この支柱12、14の網状組織は、例えば壁のトラス、床のトラス、ド ーム、アーチ、及び多数の他の構造要素である、多数の幅広い範囲の建築用構造 体を製作するために使用可能である。その構造体は、張力ではなく圧縮力の加重 を分解するために、他の技術によって製造される類似点を有する構造体と比較し て極めて軽量に製作可能である。それゆえ、その構造体は、重量比に対してかな り低い引張り強度を利用するのに比べて、重量比に対して高い圧縮強度を十分に 利用する。 注目されることとして、支柱は、鉄、アルミニウム、繊維、補強プラスチック 又は通常のプラスチック支柱である、任意の適切な材料によって製作可能である 。支柱の材料、長さ及び断面寸法は、関連する構造体の特有の構想の要件の機能 である。支柱は、例えばボルトによる締結、溶接、又は一体のキューブの及びテ トラックスの建築用ブロックとしての鋳造である、任意の既知の技術を使用して 互いに結合可能である。 本発明に従って製作される構造フレームの表面は、通常閉鎖されかつ好適には いくらか平滑にされる。支柱12又は14は、周囲で、本発明の構造フレームの 一部ではない構造体に結合される。応力の方向付けに関する仮定 本発明のフレームは、張力の増加を最小にしかつ圧縮応力としてこれらの応力 を分解する方法で、加重による応力の方向付けを行う。 出願人の認識では、このことが起こる理由の理解は、最適には、図5及び図6 に示される切頭斜方十二面体(TRD)配列を考慮することによって得ることが 可能である。TRDは、六個の四角形のフレームと12個の六角形のフレームと を有する閉鎖された構造体である。これらの四角形のフレームの対と六角形のフ レームの対は、 互いに平行である。すべての接線は、長さが正確に等しい。本発明の最適な実施 形態を形成する支柱12、14の組(すべて均一な支柱を備えた正確なキュービ ックフレーム及びテトラックス)もまたTRDを限定する。TRDは、支柱12 及び14のそれぞれが三個のTRDで共通でないために、厳密には建築用ブロッ クではない。 重要なこととして、この切頭斜方十二面体(TRD)の容積は、TRD内に内 接される正確な球の容積とほぼ等しい。個々の球の集合体は、圧縮力のみ伝える 。当然ながら、圧縮力は、端部の位置で拘束されなければ、分離してしまう。相 互結合されたTRDによって構成された本発明のフレームを見ることによって、 個々の球の場合と同様の方法で、フレームの応力の方向付けが行われることがわ かるであろう。しかしながら、TRDの相互結合によって、応力は分離しない。 認識されることとして、上述された支柱のパターンに合致しない付加的な補強 支柱は、通常有益ではなく、その結果、通常、最適な性能がいくらか低下される 。例えば、キュービックフレーム16の表面に沿った斜めの支柱は、付加的な剛 性及び強度を提供可能である。出願人の認識では、そのような付加的な支柱の主 要な好結果により、本発明の支柱12、14によってもたらされた最適な力の方 向付けは偏向され、それゆえ、所定の支柱部材の張力が増加される。最適には、 そのような付加的な支柱は、張力を減少させる改良を行わず、付加的なコスト及 び重量をもたらしてしまう。 更に、キュービックフレーム16の中心を通過する、又はキュービックフレー ムの中心によって限定される点を通過する付加的な支柱により、引き起こされる 張力を最小にするのではなく増加させる方法で力を解決することによって、この 構造体の目的は小さくされてしまう。 テトラックス及びキュービックフレームの支柱の建築用ブロックが結合され、 その結果、テトラックスの脚部又は支柱のそれぞれの端部の点はキュービックフ レームの支柱の角部に結合され、キュービックフレームの支柱のそれぞれの角部 はテトラックスの支柱の端部の点に結合される。 注目されることとして、キュービックフレーム及びテトラックスの建築用ブロ ックの結合のこの説明は、実際には、フレームの表面領域に当てはまらない。つ まり、フレームはどこかで端部に到達しなければならない。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 複数の間隔をあけられたテトラックス構造体を具備し、該テトラックス 構造体は、共通の源部から延長する四つの堅牢な耐圧縮力支柱を有し、それぞれ の前記テトラックス構造体のそれぞれの前記支柱は端部の点を有し、 前記テトラックス構造体のうちの八個の近接するテトラックス構造体の前記支 柱の前記端部の点は、八個の点の第一の組を構成し、前記点の第一の組は複数存 在し、 前記八個の端部の点の第一の組のそれぞれは、所定の堅牢な耐圧縮力構造体に よって相互結合され、 前記所定の構造体は、前記構造フレーム内に所定の点の第二の組の一つを包囲 する外被を有し、前記点の第二の組のそれぞれは、前記点の第二の組の12個の みの近接する点から等距離間隔をあけられている、耐加重構造フレーム。 2. 前記所定の結合構造体は相互結合用の堅牢な支柱の組であり、前記相互 結合用支柱のそれぞれは、前記テトラックス構造体のうちの個々のテトラックス 構造体から支柱の端部の点を結合する、請求項1に記載の構造フレーム。 3. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、前記三本の結合用テトラ ックス構造体の支柱のそれぞれから実質的に109.47°に位置する、請求項 1に記載の構造フレーム。 4. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、前記三本の結合用テトラ ックス構造体の支柱のそれぞれから実質的に109.47°に位置する、請求項 2に記載の構造フレーム。 5. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく 、テトラックスが構成される、請求項1に記載の構造 フレーム。 6. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく 、テトラックスが構成される、請求項3に記載の構造フレーム。 7. 前記テトラックス構造体の支柱のそれぞれは、長さが互いに概略等しく 、テトラックスが構成される、請求項4に記載の構造フレーム。 8. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項2に記 載の構造フレーム。 9. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項4に記 載の構造フレーム。 10. 前記所定の結合用構造体はキュービックフレームである、請求項7に 記載の構造フレーム。 11. 複数の相互結合されたテトラックスフレーム及びキュービックフレー ムを具備し、テトラックスフレームのそれぞれは、共通の源部から延長する四つ の堅牢な耐圧縮力支柱を有し、キュービックフレームのそれぞれは、12本の堅 牢な耐圧縮力の接線の支柱を有し、前記キュービックフレーム及びテトラックス フレームの支柱のすべては互いに実質的に等しく、 前記キュービックフレーム及びテトラックスフレームは、相互結合されて、各 テトラックスの支柱の外側の端部は、キュービックフレームの角部に結合され、 各キュービックフレームの前記角部は、テトラックスの支柱の外側の端部に結合 され、 四本の支柱が各テトラックスフレームの中心の点から延長し、四本の支柱が各 キュービックフレームの角部から延長し、 各キュービックフレームの中心の点によって限定される点の組は、前記点の組 の各要素が前記点の組の12個のみの近接する要素から 等距離間隔をあけられるように配置される、耐加重構造フレーム。 12. 八個の角部を有する12本の堅牢な耐圧縮力用支柱のキュービックフ レームと、 八本の外側に延長する堅牢な耐圧縮力用支柱とを具備し、該支柱のそれぞれは 、前記八個の角部の個々の角部から外側に延長し、前記外側に延長する支柱のそ れぞれは外側の端部を有する、耐加重構造フレームの建築用ブロック。 13. 前記12本の支柱のそれぞれは長さが等しい、請求項12に記載の建 築用ブロック。 14. 前記外側に延長する支柱のそれぞれと、その支柱に結合された前記三 本のキューブの支柱との間の角度はすべて等しい、請求項12に記載の建築用ブ ロック。 15. 前記12本の支柱のそれぞれは長さが等しい、請求項14に記載の建 築用ブロック。 16. 前記外側に延長する支柱のそれぞれの各外側の端部が前記外側に延長 する支柱の三本の他の外側の端部に結合されている請求項12に記載の複数の前 記建築用ブロックを具備する、耐加重構造フレーム。 17. 適切な長さを有しかつ互いに寸法が概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の 組を選択する段階と、 前記支柱の組からユニキューブの組を製作する段階とを含み、それぞれのユニ キューブは、12本のキューブの支柱と、前記キューブの支柱の八個の角部のそ れぞれから外側に延長する八本の斜めの支柱とを有し、前記八本の外側に延長す る支柱のそれぞれは外側の端部を有し、更に それぞれのユニキューブの各角部の前記外側に延長する支柱が、三個の他の近 接するユニキューブの三本の外側に延長する支柱と共 にテトラックスの一本の支柱を形成するように、四個の個々のユニキューブのう ちの一本の外側に延長する支柱の外側の端部を結合することによって前記ユニキ ューブの組を組み立てる段階を含む、耐加重構造フレームの組立方法。 18. 概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の適切な組を選択し、前記支柱の第一 の小組をキュービックフレームの組に結合し、 前記支柱の第二の小組をテトラックスフレームの組に結合する段階を含み、キ ュービックフレームの約二倍の数のテトラックスフレームが存在し、更に 各テトラックスフレームの各支柱の端部の点をキュービックフレームの角部に 結合しかつキュービックフレームの各角部をテトラックスフレームの端部の点に 結合する段階を含む、耐加重構造フレームの製造方法。 19. 概略等しい堅牢な耐圧縮力支柱の適切な組を選択し、 前記支柱の第一の組をテトラックス構造体の組に組み立て、 前記支柱の第二の組を、八個の所定の角部の点を有する所定の構造体の第二の 組に組み立て、 前記テトラックス構造体うちの八個の個々のテトラックス構造体の支柱の端部 を、前記構造体の第二の組のそれぞれの前記八個の角部の点に結合する段階を含 み、前記結合する段階は、各テトラックスの支柱の端部を前記構造体の第二の組 の一方の角部の点に結合することを含む、耐加重構造フレームの製造方法。
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