KR20010006246A - 3차원 이소-트러스 구조물 - Google Patents

3차원 이소-트러스 구조물 Download PDF

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KR20010006246A
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제이. 베반 오트
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Abstract

단위 중량당 크게 증대된 지지용량을 가지는 구조 부재(10)는 세로축(14) 둘레를 감싸는 다수의 나선형 구성성분(12)을 포함한다. 이 나선형 구성성분은 나선형 구조로 단부끼리 단단히 연결된 직선 세그먼트(32)를 가진다. 기본 반복 유닛에서, 세 개의 나선형 구성성분(12)은 동일한 각 배향과, 동일한 세로축(14)을 가지며 등거리에서 서로에 대해 떨어져 놓인다. 다른 세 개의 역 나선형 구성성분(12)도 동일한 각 배향, 동일한 세로축(14)을 가지고 등거리로 서로에 대해 떨어져 배치되지만, 대향한 각 배향을 가진다. 상기 6개의 나선형 구성성분(12)은 직선 세그먼트(32) 때문에 축을 따라 보았을 때 삼각형으로 보인다. 다른 6개의 나선형 구성성분(12)은 전술한 대로 구성되지만 6개의 제 1 구성성분(12)에 대해 회전하여서 이 부재(10)는 축으로 보았을 때 6개의 점이 있는 별 모양으로 보인다.

Description

3차원 이소-트러스 구조물{THREE-DIMENSIONAL ISO-TRUSS STRUCTURE}
도시, 기계 및 항공 분야에서 효과적인 구조물을 제공하려는 노력은 계속 되어왔다. 효율적인 트러스 구조물은 높은 강도 대 중량 비율 및 높은 경도 대 중량 비율을 가지는 것이다. 효과적인 트러스 구조물은 만들고 조립하기에 용이하고 비교적 적은 비용이 들며 재료를 낭비하지 않는 것이다.
트러스는 하중을 지탱하도록 설계된 고정된, 완전 구속된 구조물이다. 이것은 각 부재의 단부에서 조인트에 연결된 직선 부재로 구성된다. 이 부재는 부재를 따라 향하는 힘을 가지는 2-힘 부재이다. 2-힘 부재는 부재 내에서 인장력 및 압축력과 같은 축 방향 힘을 단지 발생시킬 수 있다. 트러스는 교량 및 건물을 건조할 때 사용된다. 트러스는 트러스의 평면에 작용하는 하중을 지탱하도록 설계된다. 그러므로, 트러스는 종종 2차원 구조물로서 다루어지고 분석된다. 가장 간단한 2차원 트러스는 삼각형을 형성하도록 단부에 결합된 세 개의 부재로 구성된다. 두 개의 부재에 단순 구조물과 새로운 조인트를 계속 부가함으로써, 더 큰 구조물을 얻을 수 있다.
가장 단순한 3차원 트러스는 4면체를 형성하도록 단부에 결합된 6개의 부재로 구성된다. 세 개의 부재에 4면체와 새로운 조인트를 계속 부가함으로써, 더 큰 구조물을 얻을 수 있다. 이런 3차원 구조물은 스페이스 트러스로서 알려져 있다.
트러스와 달리, 프레임은 고정되어 있고 완전히 구속된 구조물이지만, 부재를 따라 작용하지 않는 힘을 가지는 하나 이상의 멀티-힘 부재를 포함한다. 기계는 가동부를 포함하는 구조물이고 힘을 전달하고 조절하도록 설계된다. 프레임처럼, 기계는 하나 이상의 멀티-힘 부재를 포함한다. 멀티-힘 부재는 인장력과 압축력을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 전단하고 구부릴 수 있다.
종래의 구조 설계는 단일 하중 형태에 반하는 1차원 또는 2차원 분석에 제한된다. 예를 들어, I-빔은 구부리는 것을 방지하기에 최적의 형태이고 관은 비틀림을 방지하기에 최적의 형태이다. 디자인 설계를 2차원을 제한하는 것은 설계 과정을 단순화시키지만 결합된 하중을 무시하게 된다. 3차원 분석은, 3차원 하중과 구조를 고려하고 계산해야 하므로 어렵다. 실제로, 많은 구조물은 다수의 하중을 견딜 수 있어야 한다. 컴퓨터는 보다 복잡한 구조물을 설계하는데 이용된다.
발전된 복합 구조물은 지난 20년 동안 여러 가지 종류에 적용하여 사용되어 왔다. 일반적인 복합물은 연속 고강도, 고경도 배향된 섬유로 보강된 매트릭스로 이루어진다. 이 섬유는 원하는 방향과 평면에서 유리한 강도와 경도를 얻도록 배향될 수 있다. 적절히 설계된 복합 구조물은 유사한 금속 구조물에 대해 여러 가지 장점을 가진다. 이 복합물은 상당히 높은 강도 대 중량 및 경도 대 중량 비율을 가져서, 구조체의 중량을 더 가볍게 할 수 있다. 필라멘트를 감는 것과 같은 가공 방법은, 금속으로 만들어질 수 있는 것보다 훨씬 빠르게 탱크나 칼럼과 같은 구조물을 만드는데 사용되어 왔다. 복합물은 제작하여 적용하는데 유리하므로 여러 개의 금속 구성성분을 대신할 수 있다.
Mayes et al.의 1979년 1월 30일에 발행된 미국 특허 4,137,354는 축방향과 나선형으로 섬유를 감아줌으로써 형성된 반복되는 같은 크기의 삼각형을 가지는 실린더형 "이소-그리드(iso-grid)" 구조물에 대해 기술한다. 그러나, 이 그리드는 평평하거나 직선형이 아니라 관형이다. 즉, 이 부재는 구부려져 있다. 이것은 직선 부재와 비교해 부재의 휨 강도를 감소시킨다.
그러므로, 복합 하중을 견딜 수 있고 단위 질량 당 증가된 지지용량을 가지는 구조 부재를 개발하는 것이 유리하다.
본 발명은 단위 질량당 증대된 지지용량을 가지는 3차원 구조 부재에 관련된다. 특히, 본 발명은 세로축 둘레에 감긴 다수의 나선형 구성성분을 가지는 구조 부재에 관련되고 여기에서 이 구성성분은 단부끼리 단단히 연결된 직선 세그먼트를 포함한다.
도 1 은 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 2 는 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 단면도.
도 3 은 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 정면도.
도 4 는 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 측면도.
도 5 는 단일 나선으로 강조한 본 발명에 따른 구조 부재의 정면도.
도 6 은 단일 나선으로 강조한 본 발명에 따른 구조 부재의 측면도.
도 7 은 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 기본 구조를 나타낸 사시도.
도 8 은 추가 헬릭스(helix)를 가지는 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 기본 구조를 나타낸 사시도.
도 9 는 세 개의 나선형 구성성분과 하나의 역 나선형 구성성분이 강조된 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 11 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 측면도.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 13 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 단면도.
도 14 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 15 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 17 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 18 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 단면도.
도 19 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 사시도.
도 20 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재의 단면도.
도 21 은 함께 결합된 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 두 구조 부재의 사시도.
도 22 는 함께 결합된 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 두 구조 부재의 측면도.
본 발명의 목적은 단위 질량당 증가된 지지용량을 가지는 3차원 구조 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복합 하중을 견딜 수 있는 구조 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 콘크리트를 보강하기에 알맞은 구조 부재를 제공한다.
본 발명은 빔, 캔틸레버, 지지부, 칼럼, 스팬(span) 등과 같은 구조물에 적용하기에 알맞은 구조 부재를 제공한다.
본 발명의 또다른 목적은 건축물에 적합한 구조 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 구동 샤프트와 같은 기계에 알맞은 구조 부재를 제공한다.
전술한 본 발명의 목적과 장점은 세로축 둘레에 감긴 다수의 나선형 구성성분으로 이루어진 구조 부재에서 실현된다. 이 나선형 구성성분은 나선형 구조로 단부끼리 단단히 연결된 직선 세그먼트를 가진다.
선호되는 실시예에서, 구조 부재는 12개 이상의 나선형 구성성분을 포함한다. 3개 이상의 나선형 구성성분은 한쪽 방향으로 축 둘레에서 감기고 다른 3개 이상의 역 나선형 구성성분은 반대 방향으로 감긴다. 3개 이상의 제 1 구성성분은 동일한 각 배향을 가지고 등거리에서 서로에 대해 떨어져 있다. 역 나선형 부재는 유사하게 배치되지만 반대의 각 배향을 가진다. 이 구성성분은 부재 둘레에서 외부 노드를 가로지르고 내부 노드를 가로지른다. 축을 따라서 보았을 때, 구성성분의 직선 세그먼트는 삼각형으로 보인다. 나머지 6개의 구성성분은 6개의 제 1 구성성분으로서 배치되지만 6개의 제 1 구성성분에 대해 회전한다. 축을 따라서 보았을 때, 이 부재는 다른 삼각형에 대해 회전되는 하나의 삼각형을 가지는 두 개의 삼각형으로 보인다. 즉 6점 별 모양이다. 이 부재는 부재의 주변 둘레에서 축으로부터 이격된 다수의 삼각형으로 보이고 부재의 내부에 다면체를 형성한다. 이 구성성분은 외부 및 내부 노드를 형성하도록 교차한다. 이 실시예에서, 모든 구성성분은 공동의 축을 공유한다.
또다른 부재가 이 구조물에 부가될 수 있다. 내부 액시얼 부재는 내부 노드에서 구성성분을 가로지르고 축과 평행을 이룬다. 외부 액시얼 부재는 외부 노드에서 구성성분을 가로지르고 축과 평행을 이룬다. 주변 부재는 축과 직각을 이루는 인접한 외부 노드 사이로 뻗어있다. 대각선의 주변 부재는 축에 대해 사선으로 외부 노드 사이에서 뻗어있다.
선호되는 실시예에서, 세 개의 직선 세그먼트는 나선형 구성성분으로서 형성되고 축 둘레에서 단 한번 회전하여서, 축을 따라 보았을 때 삼각형을 이룬다. 또, 나선형 구성성분은 추가 세그먼트를 형성하고 축을 따라 보았을 때 다른 다면체 형태를 취한다. 다른 실시예에서, 24개의 나선형 구성성분은 축을 따라 보았을 때 하나의 6각형에 대해 다른 6각형이 회전하는 두 개의 6각형으로 이루어진 구조이다. 6개의 나선형 구성성분은 한 방향으로 감기고, 다른 6개의 역 나선형 구성성분은 다른 방향으로 감긴다. 나머지 12개의 구성성분은 첫 번째 12개 구성성분에 대해 회전하도록 배치된다.
또다른 실시예에서, 빔 부재는 위의 선호되는 실시예와 비슷한 구조를 가지지만, 6개의 제 1 구성성분의 축과 6개의 제 2 구성성분에서 갈라진다.
비록 이 부재는 모든 재료로 만들어질 수 있을지라도, 복합 구조에 나선형 구조가 가장 알맞다. 섬유는 부재의 나선형 패턴과 일치하는 맨드릴 둘레에 감겨질 수 있다. 이것은, 구성성분의 세그먼트가 장섬유로 형성되므로 부재에 강도를 부가할 수 있다.
두 개 이상의 부재는 노드에 부재를 부착함으로써 연결될 수 있다. 또, 이 부재는 단단한 구조물을 형성하고 부재 및 그 내용물을 보호하는 재료로 덮여질 수 있다.
당해 분야에 숙련된 기술업자는, 첨부 도면을 참고로 하기 상세한 설명을 읽어봄으로써 본 발명에 따른 목적, 특징 및 장점을 분명히 이해할 것이다.
도면을 참고하여 본 발명을 이해할 수 있는데 도면에서 본 발명의 다양한 구성요소는 부호 번호가 매겨져 있고 당해 업자들이 본 발명을 사용하고 만들 수 있도록 설명된다.
도 1-4에 도시된 것처럼, 선호되는 실시예에 따른 본 발명의 구조 부재(10)가 나타나 있다. 이 구조 부재(10)는 3차원 트러스나 스페이스 프레임이다. 이 구조 부재(10)는 부재(10)의 세로축(14) 또는 길이를 따라 반복 패턴으로 배치된 다수의 성분 및 부재(12)로 구성된다.
두 개 이상의 단일 성분(12)은 조인트(16)에서 연결하거나 교차한다. 이 성분(12)은 강성 연결되거나, 연성 연결되거나 단지 조인트(16)에서 교차한다. 교차 성분이 연결되는 곳에서 노드가 형성된다. 교차 성분(12)이 부재(10)의 둘레와 접하는 곳에서 외부 노드(18)가 형성된다. 교차 성분(12)이 부재(10)의 내부와 접하는 곳에서 내부 노드(20)가 형성된다.
베이(bay)(22)는 세로축(14) 방향으로 측정된 반복 유닛 또는 패턴에 의해 형성된다. 베이(22)는 구성 요소(12)에 의해 형성된 단일 패턴을 포함한다. 부재(10)는 다수의 베이(22)로 구성된다. 또, 베이(22)의 길이는 바꿀 수 있다.
내부각(24)은 동일한 4면체의 대향한 요소에 의해 형성되는 평면과 4면체의 대응하는 두 성분(12)에 의해 형성된 평면에 의해 이루어진다.
선호되는 실시예에 따른 구조 부재(10)의 구조는 다양한 방법으로 설명될 것이다. 반복 패턴은 다수의 삼각형 또는 4면체로서 설명될 수 있다. 작은 삼각형과 4면체가 큰 삼각형과 4면체 사이에 배치될 때 삼각형과 4면체는 다양한 크기로 구성된다.
구조 부재(10)의 선호되는 실시예에서, 삼각형 및 4면체는 60도의 내부 각을 가지는 평면에 의해 형성된다. 이 내부 각은 용도에 따라 바꿀 수 있다. 복합 하중에 대해 최적의 내부각은 60도이다. 또 비틀림 적용에 알맞은 내부각은 45도이다.
선호되는 실시예에 따른 구조 부재(10)는 도 2에 나타난 것처럼, 6점 별 모양의 횡단면을 가지는 단일 가상 관을 형성하도록 겹쳐진 삼각형의 횡단면을 가지는 두 개의 가상 관상 부재로서 고려할 수 있다. 또 단부나 세로축(14)에서 보았을 때, 상기 부재(10)는 부재(10)의 내부에 다면체 횡단면을 가지는 가상 관상 부재를 형성하도록 둘레에 배향되고 축(14)에서 이격된 다수의 삼각형을 포함한다. 선호되는 실시예에서, 6개의 등변삼각형은 부재(10)의 내부에 6각형의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재를 형성하도록 세로축 둘레에 배치된다.
또 단부나 축(14)에서 보았을 때, 축(14)과 평행을 이루는 6개의 평면을 정의할 수 있다. 이 평면은 6점 별 구조의 특정 외부 노드(18) 사이로 뻗어있다. 이 평면은 60도의 간격으로 축(14) 둘레에 배치된다.
또, 베이(22) 안에서 삼각형 그리드의 고리가 형성되는데 이 그리드는 강한 구조 특성을 가진다. 상기 삼각형 그리드의 고리는 도 1, 3과 4에 나타난 것처럼 베이의 중심에서 부재(10)의 내부를 둘러싼다. 연결부가 더 많기 때문에 이런 강도를 얻을 수 있다.
그리고, 선호되는 실시예에 따른 부재(10)는 부재(10)의 구성요소(12)를 형성하는 직선 세그먼트(32)를 가지고 세로축(14) 둘레를 감싸는 다수의 나선형 구성성분(30)으로 설명될 것이다. 도 5와 6에서, 단일 나선형 구성성분(30)은 강조되어 나타나 있다. 이 나선형 구성성분(30)은, 축(14) 둘레를 감쌀 때 적어도 세 개의 직선 세그먼트(32)를 형성한다. 상기 나선형 구성성분(30)은 다수의 직선 세그먼트(32)를 형성하면서 연장될 수 있다. 직선 세그먼트(32)는 축(14)에 대해 일정한 각을 이루며 배향된다. 직선 세그먼트(32)는 나선형 구조로 단부끼리 강성 연결된다.
도 7에 나타난 것처럼, 본 발명의 선호되는 실시예에 따른 부재(10)의 기본 구조(40)는 축(14) 둘레를 감싸는 적어도 하나의 역 나선형 구성성분(44)과 적어도 두 개의 나선형 구성성분(42)을 포함한다. 이 나선형 구성성분(42)은 한 방향으로, 예를 들어 시계 방향으로 축(14) 둘레를 감싸고, 역 나선형 구성성분(44)은 반대 방향, 예를 들어 반시계 방향으로 축(14) 둘레를 감싼다. 각각의 나선형 구성성분(42,44)은 직선 세그먼트(32)를 형성한다. 나선형 구성성분(42)의 직선 세그먼트는 동일한 각 배향과 동일한 축(14)을 가진다. 역 나선형 구성성분(44)의 직선 세그먼트는 나선형 구성성분(42)의 세그먼트와 유사한 나선형 구조를 가지지만 반대 각 배향을 가진다. 단부나 축(14)에서 보았을 때, 이 기본 구조(40)는 삼각형 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 나타낼 수 있다.
역 나선형 구성성분(44)은 외부 노드(18)와 내부 노드(20)에서 두 개의 나선형 구성성분을 가로지른다. 선호되는 실시예에서, 외부 노드(18)와 내부 노드(20)는 강성 연결부를 구성하고 강성 결합된다.
도 8에 나타난 것처럼, 전술한 도 7의 기본 구조(40)에 따라 만들면, 개선된 부재(10)의 기본 구조(50)는 세 개의 나선형 구성성분(42)과 적어도 하나의 역 나선형 구성성분(44)을 가진다. 세 개의 나선형 구성성분(42)의 직선 세그먼트(32)는 동일한 각 배향, 동일한 축(14)을 가지고, 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치된다. 도 9에서, 세 개의 나선형 구성성분(42)과 하나의 역 나선형 구성성분(44)을 가지는 개선된 기본 구조(50)는 선호되는 실시예의 부재(10)에서 강조되어 나타난 있다.
도 1에 나타난 것처럼, 선호되는 실시예에서, 부재(10)는 다수의 나선형 구성성분(60)을 가진다: 즉 세 개의 나선형 구성성분(62), 세 개의 역 나선형 구성성분(64), 세 개의 회전 나선형 구성성분(66) 및 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(68)을 포함한다. 따라서, 상기 부재(10)는 선호되는 실시예에 의하면 총 12개의 나선형 구성성분(60)을 가진다.
전술한 대로, 세 개의 나선형 구성성분(62)의 직선 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 축(14)을 가지고 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치된다. 이처럼, 세 개의 역 나선형 구성성분(64)의 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 축(14)을 가지고 등거리로 서로에 대해 떨어져 배치된다. 그러나 세 개의 역 나선형 구성성분(64)의 직선 세그먼트는 세 개의 나선형 구성성분(62)의 세그먼트의 각 배향과 반대되는 각 배향을 가진다. 이 구조는, 단부나 축(14)에서 보았을 때 도 2에 나타난 것처럼 삼각형의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보인다.
세 개의 회전 나선형 구성성분(66)의 직선 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 축(14)을 가지고 나선형 구성성분(62)처럼, 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치된다. 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(68)의 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 축(14)을 가지고 역 나선형 구성성분(64)처럼, 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치된다. 그러나 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(68)의 직선 세그먼트는 세 개의 회전 나선형 구성성분(66)의 세그먼트의 각 배향과 반대되는 각 배향을 가진다.
회전 나선형 구성성분(66)과 회전 역 나선형 구성성분(68)은 나선형 구성성분(62) 및 역 나선형 구성성분(64)에 대해 회전한다. 즉 이 구조는, 단부나 축(14)에서 보았을 때 삼각형 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보이지만 도 2에 나타난 것처럼, 나선형 및 역 나선형 구성성분(62,64)에 의해 형성되는 가상 관상 부재에 대해 회전한다. 나선형, 역 나선형, 회전 나선형 및 회전 역 나선형 구성성분은 도 2에 나타난 것처럼, 축(14)에서 보았을 때 6점 별 모양의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보인다.
나선형 구성성분(62)은 외부 노드(18)에서 역 나선형 구성성분(64)을 가로지른다. 이와 비슷하게, 회전 나선형 구성성분(66)은 외부 노드(18)에서 회전 역 나선형 구성성분(68)을 가로지른다.
나선형 구성성분(62)은 내부 노드(20)에서 회전 역 나선형 구성성분(68)을 가로지른다. 이처럼, 회전 나선형 구성성분(66)은 내부 노드(20)에서 역 나선형 구성성분(64)을 가로지른다.
나선형 구성성분(62)과 회전 나선형 구성성분(66)은 교차하지 않는다. 유사하게, 역 나선형 구성성분(64)과 회전 역 나선형 구성성분(68)은 교차하지 않는다.
다수의 나선형 부재(60) 이외에, 선호되는 실시예에 따른 부재(10)는 부재(10)의 내부에 위치하고 내부 노드(20)에서 다수의 나선형 부재(60)를 가로지르는 6개의 내부 축방향 부재(70)를 포함한다. 상기 축방향 부재(70)는 세로축(14)과 평행을 이룬다.
역 나선형 구성성분(64)은 외부 노드(64)에서 나선형 구성성분(62)을 가로지르고 회전 역 나선형 구성성분(68)은 외부 노드(18)에서 회전 나선형 구성성분(66)을 가로지른다. 상기 외부 노드(18)는 도 2에 나타난 것처럼, 축(14)에서 보았을 때 6개의 점을 가지는 별 모양의 점을 형성한다.
역 나선형 구성성분(64)은 내부 노드(20)에서 회전 나선형 구성성분(66)을 가로지르고 회전 역 나선형 구성성분(68)은 내부 노드(20)에서 나선형 구성성분(62)을 가로지른다. 상기 내부 노드(20)는 도 2에 나타난 것처럼, 축(14)에서 보았을 때 6각형의 점을 형성한다.
선호되는 실시예에서, 외부 노드(18)와 내부 노드(20)는 강성 연결부를 형성하거나 이 구성성분은 함께 단단히 결합된다. 또, 액시얼 부재(70)는 내부 노드(20)에서 구성성분과 강성 연결된다. 선호되는 실시예에서, 상기 구성성분은 복합재로 만들어진다. 나선형 구조의 부재(10)는 복합 구조에 적합하다. 이 구성성분은, 다양한 구성성분의 섬유가 서로 겹쳐질 때 함께 결합된다. 이 섬유는 나선형 구조의 부재 다음에 맨드릴 둘레에서 나선형으로 감겨진다. 이것은, 구성성분의 세그먼트가 연속 섬유 스트랜드로 형성되므로 큰 강도를 부여한다. 이 요소나 구성성분은 에폭시나 비닐 에스테르와 같은 유리, 탄소, 붕소 또는 케블라 섬유와 같은 섬유이다.
또, 이 부재(10)는 목재, 금속, 플라스틱 또는 세라믹 등과 같은 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 부재의 요소는 노드(18)에서 커넥터와 함께 결합되는 예비가공된 피이스로 구성된다. 이 커넥터는 구성 성분을 수용하도록 형성된 리세스를 가진다. 이 리세스는 바람직한 구조의 부재(10)를 얻도록 배향된다.
선호되는 실시예에 따른 부재(10)의 기본 구조(40)로부터, 추가 부재를 첨가함으로써 여러 가지 다양한 실시예가 가능하다. 도 10과 11에서, 외부 액시얼 부재는 부재(10)의 둘레에 배치될 수도 있고 외부 노드(18)에서 다수의 나선형 부재(60)를 가로지른다. 액시얼 부재(72)는 세로축(14)과 평행하게 놓인다. 도 12와 13에서, 주변 부재(74)는 세로축(14)과 직각을 이루는 평면에 놓인 노드(18) 사이의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 이 주변 부재(74)는 도 13에 나타난 것처럼, 축(14)에서 보았을 때 다면체를 형성한다.
도 14에서, 대각선의 주변 부재(76)는 세로축(14)에 대해 대각선 상에서 노드(18) 사이의 부재(10) 둘레에 배치될 수 있다. 이 대각선 주변 부재(76)는 다수의 나선형 구성성분(60) 둘레에 감긴 추가 나선형 구성성분의 세그먼트에 의해 형성될 수 있다. 이 대각선 주변 부재(76)는 도 14에 나타난 것처럼 인접한 노드(18) 사이로 연장되거나 도 15에 나타난 것처럼 다른 노드(18')로 연장된다.
도 16에 도시된 대로, 내외부 액시얼 부재(70,72), 주변 부재(74)와 대각선 주변 부재(76)처럼 많은 추가 부재가 결합될 수 있다.
추가 부재는 외부 노드(18)뿐만 아니라 내부 노드(20) 사이에서 연장될 수 있다.
도 17과 18에 나타난 것처럼, 다른 실시예에 따른 빔 부재(80)가 도시되어 있다. 이 실시예는, 부재(80)가 적어도 세 개의 나선형 구성성분(82), 적어도 세 개의 역 나선형 구성성분(84), 적어도 세 개의 회전 나선형 구성성분(86) 및 적어도 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(87)을 가진다는 점에서 선호되는 실시예와 비슷하다. 그러므로, 이 부재(80)는 적어도 총 12개의 나선형 구성성분을 가진다.
세 개의 나선형 구성성분(82)의 직선 세그먼트는 동일 각 배향, 동일 세로축(90)을 가지고, 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치된다. 이처럼, 세 개의 역 나선형 구성성분(84)의 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 세로축(90)을 가지고, 등거리로 서로에 대해 떨어져 놓인다. 그러나 세 개의 역 나선형 구성성분(84)의 직선 세그먼트는 세 개의 나선형 구성성분(82)의 세그먼트의 각 배향과 반대되는 각 배향을 가진다. 이 구조는, 단부나 축(14)에서 보았을 때, 삼각형 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보인다.
세 개의 회전 나선형 구성성분(86)의 직선 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 회전 세로축(92)을 가지고 나선형 구성성분(82)처럼, 등거리로 서로에 대해 떨어져 배치된다. 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(88)의 세그먼트는 동일한 각 배향, 동일한 회전 세로축(92)을 가지고 역 나선형 구성성분(84)처럼, 등거리로 서로에 대해 떨어져 놓인다. 그러나, 세 개의 회전 역 나선형 구성성분(88)의 직선 세그먼트는 세 개의 회전 나선형 구성성분(86)의 세그먼트의 각 배향과 반대되는 각 배향을 가진다.
이 회전 나선형 구성성분(86)과 회전 역 나선형 구성성분(88)은 나선형 구성성분(82)과 역 나선형 구성성분(84)에 대해 회전한다. 즉, 이 구조는, 단부나 축(14)에서 보았을 때 삼각형의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보이지만 나선형, 역 나선형 구성성분(82,84)에 의해 형성된 가상 관상 부재에 대해 회전한다.
그러나 이 실시예에서, 빔 부재(80)는 부재 축(14)에서 나선형, 역 나선형 구성성분(82,84)의 세로축(90)을 갈라주고 나선형, 역 나선형 축(82,84)의 세로축(90)의 방향과 반대 방향으로 부재 축(14)에서 회전 나선형 및 회전 역 나선형 구성성분(86,88)의 회전 세로축(92)을 갈라줌으로써 형성된다. 다시 말해서, 축(14)에서 보았을 때 빔 부재(80)는 도 18에 나타난 것과 같은 횡단면을 가지는 가상 관상 부재로 보인다.
도 19와 20에서는, 다른 실시예에 따른 부재(100)가 나타나 있다. 이 실시예는, 부재가 다수의 나선형 구성성분(102), 즉 6개의 나선형 구성성분, 6개의 역 나선형 구성성분, 6개의 회전 나선형 구성성분 및 6개의 회전 역 나선형 구성성분을 포함한다는 점에서 선호되는 실시예와 비슷하다. 따라서, 이 부재는 총 24개의 나선형 구성성분을 가진다.
다수의 나선형 구성성분(102)이 세로축(14) 둘레를 감쌀 때, 나선형 구성성분은 선호되는 실시예에서 3개의 직선 세그먼트를 형성하는 것과는 달리 이 실시예에서 6개의 직선 세그먼트를 형성한다. 이 부재(100)는, 단부나 축(14)에서 보았을 때, 6면체의 횡단면을 가지는 두 개의 가상 관상 부재로 보이는데 하나의 6각형은 다른 6각형에 대해 회전하고 도 20에 나타난 것처럼, 12개의 점을 가지는 별 모양의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재이다. 선호되는 실시예와 더불어, 내외부 액시얼 부재, 레이디얼 부재 및 대각선 레이디얼 부재를 포함하는, 다양한 구조에 여러 가지 부가 부재를 첨가할 수 있다.
모든 실시예에서, 중요한 구조 특성을 유지하면서 물질을 포함하지 않는 내부를 가지는 부재가 얻어진다. 이 구조 부재는 축방향 하중, 비틀림 하중 및 벤딩 하중을 효과적으로 견딜 수 있다. 여러 가지 종류의 하중을 견딜 수 있는 능력은 헬리콥터와 같은, 복합 하중 및 동적 하중을 가지는 다양한 적용 분야에 대해 부재를 이상적으로 만든다. 또, 중량이 가벼워서 비행기처럼 경량 및 강도가 중요한 다른 적용분야에 대해 이상적으로 만든다.
이런 개방 구조는, 상기 구조 부재를 바람에 대해 저항을 필요로 하지 않는 적용분야에 적합하게 만든다.
이 부재의 기하학적 구조는 스페이스 구조물에 적합하게 한다. 이 부재는 비강성 커플링을 구비하고 있어서 수송할 때 접을 수 있고 용도가 다양하다.
상기 부재는 콘크리트에 부재를 끼워 넣음으로써 콘크리트를 보강하는데 사용될 수도 있다. 개방 구조이기 때문에, 콘크리트는 이 구조물을 통하여 자유롭게 흐른다. 복합 하중-지탱 능력 때문에 콘크리트 칼럼과 빔을 보다 효율적으로 설계할 수 있다.
이 구조 부재의 형태는 건축물에 이용할 수 있다. 이 부재는 첨단 기술 및 스페이스 구조물의 형태를 가진다.
이 부재는 또 기계에도 이용할 수 있다. 이 부재는 비틀림 강도 때문에 구동 샤프트로서 사용될 수 있다.
상기 부재는 단단하게 유지하도록 커버링으로 덮여진다. 이 커버링 중 하나는 Mylar 코팅재이다. 이 커버링은 파이프, 도관, 점화 및 전기 구성성분과 같은, 부재 내에서 지지되는 부재와 대상물을 보호한다.
도 21과 22에 나타난 것처럼, 선호되는 실시예에 따른 두 개의 구조 부재(10)는 원하는 구조를 형성하도록 부착될 수 있다. 축(14)이 직각을 이루도록 두 개의 부재(10)가 연결될 때, 한쪽 부재(10)의 외부 노드(18)는 다른쪽 부재(10)의 외부 노드(18)에 부착될 수 있다.
본 발명의 전술한 실시예는 단지 예에 불과하고 당해 종사업자들은 다양하게 수정할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시예에 국한되는 것이 아니라, 본원의 청구항에 의해 정의된 대로 제한된다.

Claims (20)

  1. 단위 질량당 높은 지지용량을 가지는 구조 부재에 있어서,
    둘 이상의 나선형 구성성분으로 이루어지고, 각각의 구성성분은 나선형 구조로 단부끼리 단단히 결합된 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트를 가지며, 둘 이상의 나선형 구성성분은 동일한 각 배향, 동일한 세로축을 가지고 등거리로 서로에 대해 이격되어 배치되며;
    나선형 구조로 단부끼리 강성 결합된 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트와 둘 이상의 헬리컬 성분을 갖춘 공통 세로축을 가지고, 각 배향이 반대인, 하나 이상의 역 나선형 구성성분으로 이루어지고;
    다양한 적용력을 지탱할 수 있는 열린 공간의 구조 부재를 형성하도록 교차 부위에 하나 이상의 역 헬리컬 구성성분과 둘 이상의 헬리컬 구성성분을 결합하는 장치를 포함하는, 구조 부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분은 매트릭스 내 섬유인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분은 매트릭스내 섬유이고 나선형 구성성분과 역 나선형 구성성분을 결합하는 수단은 매트릭스에서 역 나선형 구성성분의 섬유와 나선형 구성성분의 섬유를 겹치는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 나선형 구성성분과 역 나선형 구성성분을 결합하는 수단은 구성성분의 단부를 수용하도록 위치 설정되고 배향된 소켓을 가지는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    둘 이상의 나선형 구성성분과 하나 이상의 역 나선형 구성성분에 결합되고, 세로축과 평행을 이루는 하나 이상의 액시얼 구성성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  6. 제 5 항에 있어서, 하나 이상의 액시얼 구성성분은 외부 노드에서 둘 이상의 나선형 구성성분과 하나 이상의 역 나선형 구성성분에 결합되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  7. 제 5 항에 있어서, 하나 이상의 액시얼 구성성분은 내부 노드에서 둘 이상의 나선형 구성성분과 하나 이상의 역 나선형 구성성분에 결합되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    인접한 노드 사이에 결합된 추가 구성성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 추가 구성성분은 세로축과 직각을 이루는 평면에서 두 개의 노드 사이에 결합된 주변 부재인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  10. 제 8 항에 있어서, 추가 구성성분은 세로축에 대해 일정한 각도로 배향되고 두 개의 노드 사이에 결합된 대각선 주변 부재인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  11. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 헬리컬 구성성분과 하나 이상의 역 헬리컬 구성성분의 세그먼트는 삼각형의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  12. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 헬리컬 구성성분과 하나 이상의 역 헬리컬 구성성분의 세그먼트는 다면체 횡단면을 가지는 가상 관상 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  13. 제 1 항에 있어서,
    둘 이상의 회전 나선형 구성성분으로 구성되는데, 각각의 구성성분은 나선형 구조로 단부끼리 강성 연결된 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트를 가지고, 둘 이상의 회전 나선형 구성성분은 동일한 각 배향, 동일한 회전 세로축을 가지며 동일한 간격으로 서로에 대해 이격되어 배치되고, 둘 이상의 회전 헬리컬 구성성분의 세그먼트는 둘 이상의 헬리컬 구성성분의 세그먼트에 대해 회전하고;
    나선형 구조로 단부끼리 강성 연결된 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트를 가지고 둘 이상의 회전 나선형 구성성분과 공통 회전 세로축을 가지며 반대로 각 배향된 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분으로 구성되는데, 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분의 세그먼트는 하나 이상의 역 나선형 구성성분의 세그먼트에 대해 회전하며;
    교차 위치에서 둘 이상의 회전 나선형 구성성분과 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분을 둘 이상의 나선형 구성성분과 하나 이상의 역 나선형 구성성분에 결합하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  14. 제 13 항에 있어서,
    둘 이상의 나선형 구성성분, 하나 이상의 역 나선형 구성성분, 둘 이상의 회전 나선형 구성성분 및 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분에 결합되고, 회전 세로축과 평행을 이루는 하나 이상의 액시얼 구성성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  15. 제 13 항에 있어서, 세로축과 회전 세로축은 중심이 같고 둘 이상의 나선형 구성성분, 하나 이상의 역 나선형 구성성분, 둘 이상의 회전 나선형 구성성분 및 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분의 세그먼트는 6점 별 모양의 횡단면을 가지는 가상 관상 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  16. 제 13 항에 있어서, 세로축과 회전 세로축은 중심이 같고 둘 이상의 나선형 구성성분, 하나 이상의 역 나선형 구성성분, 둘 이상의 회전 나선형 구성성분 및 하나 이상의 회전 역 나선형 구성성분의 세그먼트는 동일한 세로축을 가지는 두 개의 다면체로 이루어진 횡단면을 가지는데 하나의 다면체는 다른 다면체에 대해 회전하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  17. 제 13 항에 있어서, 세로축과 회전 세로축은 중심이 같고 구성성분의 세그먼트는 외부 노드를 형성하도록 세그먼트의 단부에서 교차하며, 다수의 평면은 선택된 외부 노드 사이로 뻗어있고, 이 평면은 세로축과 회전 세로축과 평행을 이루며, 상기 세그먼트는 다수의 평면에 배치되는데, 다수의 평면 중 세 개의 평면은 삼각형의 횡단면을 가지는 제 1 가상 관상 부재를 형성하도록 배향되고 다수의 평면 중 다른 세 개의 평면은 삼각형 횡단면을 가지는 제 2 가상 관상 부재를 형성하도록 배향되며, 제 1 가상 관상 부재와 제 2 가상 관상 부재는 동일한 축을 가지고, 제 2 가상 관상 부재는 제 1 가상 관상 부재에 대해 동일한 축 둘레에서 회전하는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  18. 제 13 항에 있어서, 세로축과 회전 세로축은 평행을 이루며 이격되어 배치되고, 구성성분의 세그먼트는 외부 노드를 형성하도록 세그먼트의 단부에서 교차하며, 다수의 평면은 선택된 외부 노드 사이로 뻗어있고, 이 평면은 세로축과 회전 세로축과 평행을 이루며, 세그먼트는 다수의 평면에 배치되고, 다수의 평면 중 세 개는 삼각형 횡단면을 가지는 제 1 가상 관상 부재를 형성하도록 세로축 둘레에 배향되고 다수의 평면 중 다른 세 개는 삼각형 횡단면을 가지는 제 2 가상 관상 부재를 형성하도록 회전 세로축 둘레에 배향되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 구성성분은 맨드릴 둘레에 섬유를 감싸줌으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
  20. 단위 질량당 높은 지지하중을 가지는 구조 부재를 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 맨드릴을 제공하고;
    (b) 둘 이상의 나선형 구성성분을 형성하도록 맨드릴 둘레에 섬유를 감싸는데, 각각의 구성성분은 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트를 가지고, 둘 이상의 나선형 구성성분은 동일한 각 배향과 동일한 세로축을 가지며 서로에 대해 같은 간격으로 떨어져 배치되며;
    (c) 세 개 이상의 장방형, 직선 세그먼트를 가지고 둘 이상의 나선형 구성성분과 동일한 세로축을 가지지만 각 배향이 반대인 하나 이상의 역 나선형 구성성분을 형성하도록 맨드릴 둘레에 섬유를 감싸고;
    (d) 섬유에 매트릭스를 첨가하며;
    (e) 매트릭스를 경화시키는 과정으로 이루어진 방법.
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