外側で張力を受けてエネルギー吸収効果を有する構造部材

関連出願の相互参照 本出願は、2011年3月4日に出願された、「外側で張力を受けてエネルギー吸収効果を有する構造部材」(“EXOTENSIONED STRUCTURAL MEMBERS WITH ENERGY-ABSORBING EFFECTS”)」と題された米国仮特許出願第61449485号の、米国特許法第119条(e)の下での利益を主張し、この出願の開示の全体が参照により本出願に援用される。

連邦政府の権利に関する記述 本発明は、アメリカ合衆国エネルギー省から与えられた契約番号DE−AC52−06NA25396に基づいて政府の援助によりなされた。米国政府は本発明に関して所定の権利を有する。

本発明の実施形態は構造部材に関するものであり、より詳細には、限定はしないが、単位質量あたりの耐荷重性能が増大された3次元構造部材に関する。また、これらの実施形態は、3次元構造部材のためのジョイント及びファスナ(fasteners、締め具、留め具、締結固定具)に関する。さらに、これらの実施形態は、3次元構造部材の製造方法に関する。

民間の、機械的な航空宇宙分野において、効率的な構造物の追求が継続して行われている。効率的なトラス構造物は、強度対重量比が高く、且つ/又は、剛性対重量比が高い構造物である。また、効率的なトラス構造物は、比較的廉価で、作成及び組み立てが容易で、且つ材料を無駄にしない構造物とみなされよう。

トラス(trusses)は、典型的には、荷重を支持するように設計された、固定的な、完全に拘束された構造である。トラスは真直な部材から成り、各部材がその端部にてジョイントに連結されている。これらの部材は、力が部材に沿って方向付けられる二力部材(two-force member)である。二力部材が生成できるのは、軸方向の力(例えば、部材の支点を中心とした引張力及び圧縮力)のみである。トラスは、橋梁及び建物の建設にて頻繁に用いられる。トラスは、トラスの面に作用する荷重を支持するように設計されている。従って、トラスは、しばしば、2次元構造物として取り扱われ、解析される。最も単純な2次元トラスは、三角形を形成するようにそれらの端部にて接合された3つの部材から成る。この単純な構造物に2つの部材及び新たなジョイントを連続的に追加することにより、より大きい構造物を得ることが可能である。

最も単純な3次元トラスは、四面体を形成するようにそれらの端部にて接合された6つの部材を含む。この四面体に新たなジョイント及び3つの部材を連続的に追加することにより、より大きい構造物が得られる。この3次元構造物は、スペース(空間)トラスとして公知である。

フレームは、トラスとは対照的であり、フレームもまた、典型的には、固定的な、完全に拘束された構造であるが、少なくとも1つの多力部材(multi-force member)を含む。多力部材は、力を部材に沿って方向付けない。機械は、移動部品を含む構造物であり、力を伝達及び修正するように設計される。フレームなどの機械は、少なくとも1つの多力部材を含む。多力部材は、張力及び圧縮力だけでなく、剪断力及び曲げ力も生成することができる。

従来の構造設計は、単一荷重タイプに抵抗する1次元又は2次元解析に限られていた。例えば、Iビームは曲げに抵抗するように最適化され、管はねじりに抵抗するように最適化されている。設計解析を2次元に限定することは、設計プロセスを単純化するが、組合せ荷重を無視する。3次元解析は、3次元荷重及び構造の概念化及び計算が困難であるため、難しい。実際には、多くの構造が複数荷重に抵抗できなければならない。より複雑な構造をモデル化するために、現在、コンピュータが利用されている。

最近20年間で、進歩した複合構造物が、多くのタイプの用途に用いられてきた。典型的な先進の複合材料は、連続的な高強度、高剛性配向繊維により強化された母材から成る。これらの繊維は、所望の方向及び面にて有利な強度及び剛性を得るように配向されることができる。適切に設計された複合構造物は、類似の金属構造物よりも優れた幾つかの利点を有する。この複合構造物は、著しくより高い、強度対重量比、及び、剛性対重量比を有することができ、従って、より軽量の構造物となる。フィラメントワインディングのような製造方法が、タンク又は柱のような構造物を作成するために用いられており、この方法は、構造物を金属から製造するような場合よりもかなり速い。複合構造物は、一般に、その製造融通性の利点により、多くの金属部品の代わりとして用いられることができる。

単位質量あたりの耐荷重性能が増大された、座屈に抵抗し、且つエネルギーを吸収する1以上の構造部材、及び、これらの構造部材から作られる構造物を開発する必要がある。

ひとつの態様によると、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大されたエネルギー吸収構造部材が提供される。前記構造部材は、所望の形状のスケルトンに形成された材料ストリップと;前記材料ストリップの側部に配置された間隔をあけたノッチと;前記スケルトンの周囲に所望のウィーブ(weave、編み方)で編まれ且つ前記ノッチに配置された引張材料(tensile material)とを備える。

他の態様によると、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大されたエネルギー吸収構造部材が提供される。前記構造部材は、複数の材料ストリップを有する細長いスケルトン構造物を備え、前記複数のストリップが、前記スケルトン構造物の共通中心軸に沿って又は共通中心軸の周囲に長手方向に互いに接合され(joined together、結合され)、且つ、前記共通中心軸を中心に間隔をあけて配置された長い遠位縁(distal edges)を有し、さらに、前記スケルトン構造物の周囲に所望のウィーブ(weave、編み方)で編まれた引張材料(tensile material)を固定する(anchoring)ために前記材料ストリップ上に配置された間隔をあけたノッチを備える。

さらに他の態様によると、ジョイントされた構造物が提供される。前記ジョイントされた構造物は、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大された少なくとも2つの隣接するエネルギー吸収構造部材を備え、各前記構造部材は、複数の材料ストリップを有する細長いスケルトン構造物を備え、前記複数のストリップが、前記スケルトン構造物の共通中心軸に沿って又は共通中心軸の周囲に長手方向に互いに接合され(joined together)、且つ、前記複数のストリップの長手方向の遠位縁(distal edges)は前記共通中心軸を中心に間隔をあけて配置され、前記材料ストリップ上に配置された間隔をあけたノッチ、及び、前記スケルトン構造物の周囲に所望のウィーブ(weave、編み方)で編まれ且つ前記ノッチに配置された引張材料(tensile material)を備え、及び、前記構造部材を互いに接合する少なくとも1つのジョイント部品を備える。

さらに他の態様によると、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大されたエネルギー吸収構造部材を製造する方法が提供される。前記方法は、材料ストリップを所望の形状のスケルトン構造物に形成することと、ノッチを前記ストリップの側部に配置することと、引張材料を前記ノッチに配置することと、前記引張材料を前記スケルトンの周囲に所望のウィーブ(weave、編み方)で編むこととを含む。

さらに他の態様によると、ジョイントされた構造物を組み立てるための部品キットが提供される。前記部品キットは、1対の前記上述したエネルギー吸収構造部材、及び、前記細長いスケルトン構造物端部が相補的プロファイルを有し、各溝が各スケルトン構造物端部の隣り合うストリップにより形成された、1対の前記細長いスケルトン構造物の接合端部の実質的に(substantially、ほぼ)位置合わせされた溝にしっかりと着座し且つ接合するための、少なくとも1つの耐圧縮性部材(compression resistant member)と、前記スケルトン構造物の隣接する端部の周囲に編み付け又は巻き付けるための引張材料とを備え、組み立てにおいて、前記細長いスケルトン構造物端部が、前記少なくとも1つの耐圧縮性部材及び前記引張材料ウィーブにより所望のジョイント角度で互いにジョイントされる。

さらに他の態様によると、ジョイントされた構造物を組み立てるための部品キットであって、1対の前記上述したエネルギー吸収構造部材と、前記構造部材の接合長側部を覆うための、少なくとも1つのプロファイルされた連結プレートと、前記連結プレートを前記隣接する部材の長側部に固定するための複数のファスナとを備え、組み立てにおいて、前記ファスナが前記少なくとも1つの連結プレートを隣接する構造部材側部に固定することにより、前記構造部材が互いに接合される前記部品キットが提供される。

さらに他の態様によると、少なくとも2つの構造部材を互いに接合する方法が提供される。前記方法は、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大された1対の前記上述したエネルギー吸収構造部材を提供すること、及び、前記1対の構造部材を少なくとも1つのジョイント部品を用いて互いに接合することを含む。

構造部材の実施形態の、何らかの荷重を受ける前の状態を示す。

図2A—Cは、構造部材の様々な実施形態が、骨格の損傷に耐え、さらに、ウィーブ及びコアの接近により保持されている状態を示す。

図3A—Cは、構造部材の様々な実施形態の、コア損傷後の状態を示す。

構造部材の一実施形態の断面図である。

図5A—Bは、ノッチの詳細、及び、ウィーブをスケルトンに接着するために用いられる結合剤を示す、構造部材の実施形態の拡大側面図である。

炭素繊維複合中実管に行われたテストの結果を示す。

ブロックウェル構造物の一実施形態に行われたテストの結果を示す。ウィーブなしの試料がエネルギー吸収のマルチモーダルモードを、圧縮領域における正弦波形状により視覚的に示している。

構造物の実施形態に行われたテストの結果を示す。

図9Aは、管を構造物の様々な実施形態と比較したさらなるテスト結果を示す。

図9B—Dは、管を構造物の様々な実施形態と比較したさらなるテスト結果を示す。

図10A—Bは、管及び構造物の様々な実施形態のための選択された機械的パラメータの概要を示す。

図10C—Dは、管及び構造物の様々な実施形態のための選択された機械的パラメータの概要を示す。

一実施形態による例示的な構造部材の一部の端部斜視図であり、埋め込まれた中央コア、スケルトン構造物、及びノッチ内に配置されたウィーブを示す。

別の実施形態よる例示的な構造部材の部分側面図であり、この実施形態において、ノッチ損傷の伝搬に抵抗するためにストランドがストリップの遠位縁に沿って延在する。

さらに別の実施形態よる例示的な構造部材の斜視図である。

さらに別の実施形態よる例示的な構造部材の端部の部分的斜視図である。

図15A—Bは、一実施形態による構造部材の例示的な永久的ジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図15C—Dは、一実施形態による構造部材の例示的な永久的ジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図15Eは、一実施形態による構造部材の例示的な永久的ジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図15Fは、別の実施形態による構造部材の例示的な水平方向クイックジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図15Gは、別の実施形態による構造部材の例示的な水平方向クイックジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図16Aは、一実施形態による構造部材の外側にスライド可能に取り付けられた例示的な水平方向スライドジョイントの上方斜視図である。 図16Bは、図16Aの例示的な水平方向スライドジョイントの後方斜視図である。

図17Aは、一実施形態によるスケルトン構造物を成形するための例示的な金型の閉鎖状態の断面図である。 図17Bは、一実施形態による、図17Aの金型の開放状態の断面図である。 図17Cは、一実施形態による、図17Bに示した開放状態の成形セグメントがどのように互いに押し合わされるかを示す金型の断面図である。 図17Dは、形成されたスケルトン構造物を解放するために成形セグメントが図17Cに示された成形状態から外側に移動されている金型の開放状態を示す断面図である。

図18A—Bは、一実施形態による構造部材の例示的なT字状ジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

図18C—Dは、一実施形態による構造部材の例示的なT字状ジョイント連結部の構築段階の1つを示す。

参照番号のリスト 1.中央コア 2.スケルトン 3.ノッチ(切欠き)(Notch) 4.張力を加えられたウィーブ(Tensioned Weave) 5.長手方向ストランド(Longitudinal Strand) 6.ノッチ間の空間 7.スケルトン材料(Skeletal material)/塊・材料(mass、マス)の除去 8.高密度/難燃性発泡体充填材(High-Density/fire retardant Foam Filler) 9.付与されたシュリンクラップ又はその他の外側コーティング 10.スケルトンの保護皮膜 11.損傷された骨格状部材 12.結合剤(Binding Agent)(CA又はその他の接着剤) 13.エネルギー吸収のマルチモーダルモード、ウィーブ付きサンプルにおける高頻度へのシフト 14.耐圧縮性樹脂ジョイント部材(Compression Resistant Resin Joint Member) 15.形成されたジョイント内の埋め込まれたスパー(Embedded Spar) 16.水平方向補強スパー(×2) 17.耐引張性紐(Tension resistant lashing) 18.金型(Mold、モールド、鋳型)断面 19.クイックジョイント水平方向プレート/異種材料(Dissimilar Material) 20.ウィーブに捕捉されたVナット及び固定用ボルト 21.V字状スロット線形スライドジョイント 22.テフロン(登録商標)製の耐摩擦性外被 23.V字状スロットスライドジョイントのためのU字状フレーム 24.スケルトンに与える繋留(Tethered、つなぐ、拘束する)シンチング(cinching、締める、締めつける、結び付く)効果 25.炭素繊維(カーボンファイバー)など 26.ケブラーなど 27.ザイロンなど 28.スケルトンのコーティング、アルミニウムめっきを施したマイラーなど 29.ジョイントプレート 30.V字状プロファイルの(V-profile)捕捉されるナット 31.締結ボルト 32.捕捉されるナットのウィーブ内への差し込み 33.スケルトン差し込みのための相補的カット 34.スケルトンの露出されているV字状プロファイル 35.スケルトンの遠位縁(Distal Skeletal Edge) 36.材料ストリップ(Strips of Material)

以下の説明において、本発明が十分に理解されるように、限定のためにではなく説明のために、特定の詳細(例えば、特定の実施形態、手順、技術など)を記載する。しかし、本発明が、これらの特定の詳細から逸脱したその他の実施形態で実施され得ることが、当業者には明らかであろう。

本出願に記載されている技術的特徴は、エネルギーを吸収する構造部材(本文以下、「ブロックウェル構造物」(“Brockwell structures”)とも称する)の様々な実施形態を構成するために用いられることができる。

1つの方法において、単位質量あたりの耐荷重性能(load bearing capacity)が増大された、エネルギーを吸収する構造部材が、所望の形状のスケルトンに形成された材料ストリップを有する。この材料ストリップの側部にノッチ(切欠き)が間隔をあけて配置されている。引張材料がスケルトン周囲に所望のウィーブ(weave、編み方)で編まれてノッチに配置される。

材料ストリップの側部上に間隔をあけて配置されたノッチ、及び、スケルトン構造物周囲に所望のウィーブ(編み方)で編まれた引張材料を設けることにより、この構造物は、座屈に抵抗し、且つ、エネルギーを吸収する。軽量で高強度の構造物に、壊滅的損傷(catastrophic failure)を回避する性能を与えることができる。

別の例において、単位質量あたりの耐荷重性能が増大された、エネルギーを吸収する構造部材が、複数の材料ストリップを含む細長いスケルトン構造物を有する。これらの複数のストリップは、前記スケルトン構造物の共通中心軸に沿って、又は前記共通中心軸周囲に長手方向に互いに接合される。そしてこれらのストリップは、前記共通中心軸を中心に間隔をあけて配置された長い遠位縁を有する。前記材料ストリップ上に、ノッチが、前記スケルトン構造物の周囲に所望のウィーブ(編み方)で編まれる引張材料を固定するために、間隔をあけて配置されている。

さらに別の方法において、ジョイントされた構造物が、本明細書中に記載される1以上の実施形態の1以上のジョイント部品により互いに接合された、1以上の実施形態の構造部材の少なくとも2つを含む。

さらに別の方法において、単位質量あたりの耐荷重性能が増大された、エネルギーを吸収する構造部材を製造する方法が提供され、この方法において、材料ストリップが所望の形状のスケルトン構造物に形成される。ノッチが前記ストリップの側部に配置される。引張材料がノッチに配置されて、スケルトンの周囲に所望のウィーブ(編み方)で編まれる。

さらに別の方法において、部品のキットが、本明細書中に記載される実施形態の構造部材の組み立てのために提供される。

さらに別の方法において、部品のキットが、本明細書中に記載される実施形態のジョイントされる構造物の組み立てのために提供される。

1つの方法において、上記の部品のキットの1以上が、部品をどのように組み立てるかをユーザに指示するための、適切な媒体に記載された部品の指示書と共に箱に入れて提供される。

ここで、図面に関して説明をする。これらの説明において、実施形態の様々な要素に数字表示を与える。また、これらの説明において、実施形態を、当業者が本発明を作成及び使用することができるように論じる。

部品、プロセスステップ、及び、他の要素に関する特定の言及は、限定的であることを意図していない。また、異なる図面を参照すると、類似の部品には同一の参照番号が付されていることが理解されよう。また、図面が概略的であり、当業者の読者の手引きのために提供され、必ずしも一定の縮尺で示されていないことも理解されよう。むしろ、図面に示されている様々な図の縮尺、アスペクト(縦横)比、及び、部品の個数は、所定の特徴又は関係を理解し易くするために故意に変形されている場合もある。

添付図面の図1〜図5Bは、ブロックウェル構造物(Brockwell structure)の実施形態を示す。この構造部材は、複数の材料ストリップ36を含む細長いスケルトン構造物2を有する。図面において、細長いスケルトン構造物は、真直な長さの部材であるが、その他の例において、細長いスケルトン構造物が、湾曲した長さの部材であっても、或いは、リング形状の部材であってもよい。複数のストリップ36は、共通の中心軸に沿って、又は、共通の中心軸の周囲に長手方向に互いに連結されており、そして、共通の中心軸を中心として間隔をあけて配置された長い遠位縁(distal edges)35を有する。各ストリップは、円形のカットアウトを有する平坦なストリップであるが、その他の実施形態において、1以上のストリップが、カットアウトを有し又は有さないその他のプロファイル(profiles、外形)を有し得る。

図1〜図5Bの例において、構造部材は、細長いスケルトン構造物が+形状の断面を有するように等間隔に配置された4つの平坦なストリップ36を有する。その他の実施形態において、ストリップ及び/又はスケルトン構造物断面の個数は異なり得る。例として、部材は、Y字状の断面を有するスケルトン構造物を形成するように配置された3つの平坦なストリップを有してもよく、或いは、T字状の断面を有するスケルトン構造物を形成するように配置された、2つ、3つ、又は4つなどのストリップを有してもよい。

材料ストリップ36上にノッチ3が間隔をあけて配置されている。図5A及び図5Bに最良に示されているように、ノッチ3は、ストリップ遠位縁35に沿って間隔をあけて配置されている。その他の実施形態において、ノッチは、ストリップ内のその他の位置に配置され得る。ノッチ3は、ノッチ3内に配置された引張材料4のためのアンカーポイント(固定点)として機能し、引張材料(tensile material)4は、スケルトン構造物周囲に所望のウィーブ(編み方)で編まれている。このウィーブ(編組部)は、予め張力が加えられ(プレテンションされ)て、ストリップ遠位縁35と同一面に(flush、面一に、同一平面で、一体となって、ぴったり重なって、平坦に、平らに)、又はストリップ遠位縁35内の奥まった所に配置されている(recessed、凹部に配置されている、埋込まれている)。しかし、その他の実施形態において、ウィーブは、遠位縁を超えて突出してもよく、予め張力が加えられる必要はない。図1〜図5Bに示した構造部材の例において、耐損傷伝搬(failure propagation resistant)材料からつくられた中央コア1がスケルトン構造物2内に埋め込まれており、共通の中心軸に沿って延在している。損傷伝搬(failure propagation)材料5もストリップ内に形成されて長手方向に延在している。結合剤又はその他の接着剤(adhesive)12が、ウィーブ4をノッチ3に接着している。結合剤(binding agent、結合手段)12は、ウィーブ4の滑り(ずれ)の防止、及び、その他のアンカーポイント及び中央コア1を介して応力が構造部材ビーム(梁)全体にわたり分散されることを補助する。別の実施形態において、結合剤は省かれる。

以下に、より詳細に説明するように、ストリップ材料及びウィーブ引張材料は、所望のエネルギー吸収及び耐荷重性能(load bearing capacity)特性をもたらすように選択される。図1〜図5Bの例において、各材料ストリップは剛性の弾性材料(a rigid elastic material)であり、この特定の例においては樹脂予備含浸(resin pre-impregnated)炭素繊維であるが、その他の材料も考えられ、例えば、再生可能又は非再生可能なプラスチック又はガラスであるが、これらに限定されない。ストリップ、及び、ストリップから得られるスケルトン構造物は、構造物の形状を荷重に耐えて保持する任意の材料からつくられることができる。圧縮特性及び引張特性の両方をもたらすことができる材料ストリップが、構造部材に対してより有益であるが、その他の実施形態においては、圧縮のみ又は引張のみをもたらす材料も考えられる。

ウィーブ引張材料4は、ケブラー(Kevlar) (登録商標)(ポリパラフェニレン テレフタルアミド(Poly-paraphenylene terephthalamide))であるが、その他の引張材料、例えば、ザイロン(Zylon) (登録商標)(ポリ(パラフェニレンベンゾビスオキサゾール)(poly(p-phenylenebenzobisoxazole))も考えられる。結合剤12は、例えば、シアノアクリレート接着剤又はエポキシであり得る。中心コア2はザイロンからつくられるが、別の耐損傷伝搬材料を用いてもよい。耐損傷伝搬材料(failure propagation resistant element)5も、ザイロン又はその他の引張材料であってよい。中心コア1は、構造部材の所望の特性に応じて、引張された又は弛緩している材料であってよい。その他の実施形態において、中央コア1を省いてもよい。

カーボンチューブ及びロッドのジョイントは、機械的治具(固定具)及び接着剤の使用により弱化する傾向がある。材料が損壊するとき、その材料は損壊が激しい傾向があり、それが、これらの部品の全体的な分離及び破損を生じさせる。本明細書にて記載するように、一実施形態による構造は、単位質量あたり超軽量で超強度のビーム及び繊維の両方からつくられた建築材料である。これらの材料は、さらに以下の特性を有する。 ・軽量である ・管(チューブ)構造物よりもエネルギー吸収性が高い ・正規化された曲げ剛性(硬直性)が類似質量の管と同等である ・捩れ発生を、より高い頻度モードで抑制することにより、より高い座屈荷重を有する

ブロックウェル構造物と一般的な建築材料との比較を表1に示す。

1以上の例によるジョイントされた構造物は、ケブラーのウィーブパターンにより、非常に強力なジョイントを有し、このような構造物は、ジョイントを介して部材から部材へ応力を分散させ、これにより、応力が1つの領域に集中することを防止する。各部材‐スパーの縁に沿ったノッチ配置が、ケブラーウィーブのための固定的アンカーポイントを提供する。本発明の設計、及び、実施形態のスケーラブルな製造方法は、複合材料の全体的な壊滅的損傷を軽減し、構造物の強度対重量比を増大させる。

外部のウィーブパターンの主要な役割は、構造物を通じて力を分散させ、グラファイトスケルトンを適切な位置に保持することである。これは、構造物の湾曲を防止し、構造物を剛性段階に維持する。外部のウィーブパターンの第2の役割は、構造物が傷つけられて(compromised)引き離される過程にあるときにグラファイト上にシンチ(sinch)する(結び付く、締める)ことである。シンチングは、ウィーブが引っ張られるときに抵抗を増大する緩衝(dampening)効果を有する。また、ウィーブは、内部スケルトンを損傷(直接的衝撃、摩耗、切断などを含む)から保護する保護層としても機能する。最後に、ケブラーウィーブパターンの第3の役割は、破断した構造物を繋留連結して(tethered together)おき、壊滅的な損傷及び分離を防止することである。

一例において、構造物は、炭素繊維(FRP)構造のスケルトン、張力が加えられたケブラーウィーブ、及び、張力が加えられた又は弛緩している内部ストランド(破砕抵抗のための埋め込まれたコアとしての高張力材料から成る)を含む。さらに、プレテンションされた高張力の塊・材料(mass、主要部、部分、質量、マス)を、部材−スパーの遠位面(aspect)に長手方向に、コアに対して平行に加えることが可能であり、これにより、ノッチの損傷の伝搬をさらに防止する。前記構造物は、コーティング、例えば、耐紫外線劣化のための金属コーティングも有し得る。基本的な構造物は、用途ニーズ(例えば、部材が耐えなければならない特定の力、例えば、圧縮、引張、ねじり、屈曲、摩耗、及び引裂、又はこれらの任意の組合せのための最適化)に基づいた各用途のために、設計され、且つ、組み立てられ/構成されることができる。

図1〜図3は、実施形態の構造物の、3つの異なる破損段階 (breaking phase)における状態を示す。図1は、実施形態の構造物の、何らかの破損を生じさせるのに十分な荷重が加えられる前の強固な段階での状態を示す。

全体的損傷のシナリオにおいて、1以上の実施形態のブロックウェル構造物は、様々な材料特性及び構造特徴の組合せの結果としての、複数の異なる荷重段階(loading phases)を経る。最初の強固な段階(図1)において、骨格状のストリップ2は、中央コア1の周囲にて堅固で無傷の状態にあり、ウィーブ4はノッチ3にしっかりと取り付けられている。

荷重が増大すると、構造物は、圧縮された骨格状ストリップ2にて座屈(buckling、バックリング)13を開始するため、延性挙動(ductile-like behavior)を呈する(図9A)。固定されたスケルトンのノッチ3とウィーブ4との特徴が座屈を抑制し、構造物に沿った捩れ(バックル)13の個数を増大させ、構造物を、図9Aのウィーブ無しの試料と比較して、より堅固で強力にしている。これは、コア要素1、骨格状ストリップ2、及び、ウィーブ4の組合せを通じて応力を分散させた結果である。

骨格状ストリップ2が傷つけられると、構造物は、拘束された、非剛性の、接近した(close-proximity)、破断後の段階(図2a〜図2c)へと移行する。この段階において、耐引張性コア要素1、長手方向ストランド5、及びウィーブ4は無傷のままであり、骨格状物2の損傷に接近して拘束する。

損傷(failure)が伝搬し、長手方向ストランド5及び/又は中央コア1材料が損傷すると、構造物は、エネルギーを吸収しながら伸長及び繋留する(energy-absorbing elongating tether)段階に入る(図3a〜図3c)。繋留伸長は、張力下でのスケルトン構造物2の分離により生じ、ウィーブ4の交差点におけるウィーブ4間の角度を減少させる。これは、ウィーブ4の対向側間の半径方向距離と、従って、全周とを低減し、スケルトン上及びスケルトン内にシンチしてスケルトン2を潰し、これが、完全な分離の前の、より多くのエネルギー吸収をもたらす。

上記の破壊段階は、ブロックウェル構造物が全体的に破壊する前に連続的な破壊段階の各々の全体を通じて荷重/引張に耐えることを可能にする。異なる材料特性及び構造特徴のこのような組合せにより、ブロックウェル構造物が、そのジョイント及びファスニング(締結固定)システムを備えた、軽量、安全で強固な一般的構造のフレームシステムになっている。

図4は、一例によるブロックウェル構造物及びこの構造物の3つの主要構成要素(すなわち、炭素繊維スケルトン2、ケブラーウィーブ4、及び、ザイロン製の中央ストランド1)を示す。これらの3つの構成要素の最適化及び組み込みが、ブロックウェル構造物の用途の融通性を非常に高め、ブロックウェル構造物を、軽量、高強度、耐爆発性を達成する多数の利点を有するユニークで革新的な建築材料にしている。さらに、これらの3つの主要構成要は、原材料の選択、構造ユニットの設計、及び、基礎スパー及びジョイント構造物の両方の製造における設計属性の幅広い選択を可能にする。

幅広く選択される原材料は、ブロックウェル構造物に組み込んで設計することができる。大抵の場合、これらの原材料は、性能が証明されている市販のFRPである。例えば、材料の様々な組合せを、特定の用途のためのブロックウェル構造物の成形プロセスに用いることができる。また、ブロックウェル構造物は、ケブラー、ザイロン、スペクトラ(Spectra)繊維などの様々な高張力材料を用いることができる。

一例において、3つの構成要素(スケルトン、ウィーブ、及び、コア)を1つのブロックウェル構造物に組み込むことが、最適化された特定用途向け性能(荷重、強度、望ましい破損モード、及び疲労に関連した必要条件を含む)を達成できる基礎スパー及びジョイント構造ユニットを作成するために用いられる。以下の特徴が、構成要素の設計/組込みにおいて、損傷モードを変えるために操作されることができる。 ・ノッチ(ウィーブ)密度 ・ウィーブの張力/強度 ・ウィーブのストランド数 ・ウィーブのパターン及び角度 ・金型に挿入されるストランドの数

ブロックウェル構造物は、基礎構造物及びジョイント構造スケルトンの様々な選択を可能にして、特定用途向けニーズ、例えば、Yビーム、+ビーム、Xビーム、Oビームなどに適合する。金型の形状、サイズ、厚さ及び寸法は、特定用途向け設計プロセス中に最適化されることができる。

以下にさらに説明するように、1以上の実施形態のブロックウェル構造物は、軽量且つ高強度であり、壊滅的な損傷を回避する性能を有し、また、製造及び設置を容易にする。さらに、ブロックウェル構造物は、(1)耐圧縮性能と耐引張性能との統合的組合せを提供する;(2)構造部材における応力の分散を調整する:(3)設計に基づいた破断位置/ゾーンの予測を可能にする;(4)荷重条件及び用途の必要条件に基づいてカスタマイズされた設計を提供する;(5)引張又は圧縮のいずれかでの最初の破断を想定/設計する性能を提供する。

軽量及び高強度:1以上の実施形態のブロックウェル構造物は、FRPが軽量高強度の構造材料であること、及び、損傷モードを制御するためにウィーブを用いるという利点を有する。一実施形態において、ブロックウェル構造物の主要原材料が、高張力材料(例えばケブラー及びザイロン)が巻き付けられた(編み付けられた)炭素繊維であることにより、1以上の実施形態のブロックウェル構造物からつくられた建築ユニットが、剛性、軽量で、且つ、かなりの大きさの応力(圧縮及び張力)に、スチール、カーボンチューブ、又はFRPのみなどの材料と比較して、より耐えることができるように設計されることができる。

壊滅的な損傷を回避する性能:ブロックウェル構造物は、壊滅的な損傷の防止に必要なエネルギー吸収を行い、これにより、既存のFRP部品に関連した脆性損傷モード(the brittle failure mode)を克服する。ブロックウェル構造物は、軽量及び高強度特性を維持しながら、いずれの損傷も局所化し、壊滅的な損傷を回避して残存性能を高める。また、1以上の実施形態のブロックウェル構造物は、スケルトンの座屈が、張力を加えられたウィーブにより抑制されることによりもたらされる、延性損傷挙動特性(ductile failure behavior)を生来の性質(built-in properties)として有する。

構造部材のスケルトンが損傷した場合、外部ウィーブが分離に抵抗する。これは、プロセスにおいて、内部の塊・材料(ストリップ)を拘束し、且つ、多大な引張抵抗を吸収しながら無傷を維持することにより行われる。また、高張力材料(例えばケブラー又はザイロン)から成る、埋め込まれた内部ストランド(FRP成形プロセス中にスケルトン構造物内に導入される)が、スケルトンをより分離し難くし、こうして、スケルトンの損傷部位付近に留まる。これらの性能品質は、高衝撃領域における構造部材に設計作製されることができる安全機構(例えば衝撃吸収ゾーン)として利用される可能性を有する。1以上の実施形態に関し、耐爆発性(the blast resistance)(破壊開始から最終的な分離及び壊滅的損傷までの)が、スケルトンの破壊を開始する力の約10〜15倍増大する。

製造及び設置の容易性:ブロックウェル構造物は、軽量、高強度、及びエネルギー吸収構造性能品質を維持しながら、様々な特定用途向けの、荷重必要条件、サービス、耐久性必要条件、及びコスト要求に適した形状及び形態に、容易に設計されることができる。ブロックウェル構造物は融通性を有し、この融通性とは、ブロックウェル構造物が軽量のフレーミング(枠組み)部材として構成され、そして、必要に応じて、構造的空隙を埋めるために、豊富な現地材料(例えば、土、岩、粘土、及び水)を利用し、それにより安定性を高め、且つ質量を付加することである。最後に、ブロックウェル構造物は、設置及びメンテナンスに関する以下の利点を有する。 ・この構造物は、独立型の(stand-alone)材料であり得る。ブロックウェル構造物が3次元(3D)フレーミング部材であっても、長手方向スパーが2次元(2D)面で用いられ得る(これは、ワインボックス内の仕切り板に非常に類似しているが、2次元でさらに螺旋状にされ得る)。 ・この構造物は、コンクリート、金属ブリッジ又はその他の構造物から成る補強又は補助部材として用いられることができる。 ・この構造物は、組立が容易で単純であるため、現場で修理されることができる。修理の方法の1つは、ブロックウェル構造物の塊・材料を修理が必要な領域に付加することによる。修理された領域の付加的強度は、骨をさらに強くする、骨折後治癒した骨の石灰化塊(the calcified lump)に類似しているであろう。 ・これらの構造物は、いずれの場所においても、単純、汎用的でフレキシブルな成形及びウィーブ付与プロセスを用いて組み立てられることができる。

ここで、構造部材のさらに別の実施形態を示している図11〜図14を参照する。図11は、図1〜図5Bの構造部材に類似しているが、ストリップ50にカットアウト(cut outs、切り出し、切り取り、切り抜き、切り欠き)を有さず、また、長手方向のストランド5を有さない構造部材の斜視図である。図12は、別の実施形態による例示的な構造部材の部分側面図である。この実施形態もまたカットアウトを有さないが、ノッチ付近に長手方向のストランド5が配置されている様子が示されている。これは、追加の塊・材料(ストランド)を有する強固な状態の構造物である。長手方向のストランドは、引張強度を増すだけでなく、ノッチからの損傷伝搬を防止することの補助もする。

図13は、さらに別の実施形態による例示的な構造部材の斜視図である。この実施形態において、ストランドが、ノッチを有さない遠位縁付近にて長手方向に延在し、また、ストリップカットアウト7が設けられている。ストリップカットアウト7は様々なパターンを有する。これは、完成構造物にて実現され得る質量変化を示し、この質量変化は、スケルトン2からの塊・材料の排除、及び、長手方向ストランド5(高張力材料又は電気配線を含むがこれらに限定されない)の付加を含む。

図14は、さらに別の実施形態による例示的な構造部材の部分斜視図である。この図14は、スケルトン上の保護皮膜10(例えば、この例においてはアルミニウムめっきを施したマイラー(Mylar)(28)であるがこれに限定されない)、スケルトンの充填材料8(この場合、高密度発泡体)、及び、構造全体を包み込む被覆材料9(例えば、シュリンクラップ(収縮包装用フィルム))を示す。

ここで、一実施形態による、単位質量あたりの耐荷重性能が増大されたエネルギー吸収構造部材を製造する方法を説明する。この方法は、添付図面に示した実施形態のうちの1以上の構造部材を製造するために用いられ得る。概要を述べると、この方法は、材料ストリップ36を所望の形状のスケルトン構造物2に形成するステップから開始する。次いで、ノッチ3をストリップの側部に配置する。引張材料4がノッチに配置されて、スケルトンの周囲に所望のウィーブ(編み方)で編まれる。

材料ストリップを所望の形状のスケルトン構造物に形成するプロセスは、様々な技術を用いて行われることができる。一例において、スケルトン構造物は、材料を所望の断面形状の構造部材スケルトン構造物に成形するように形作られた金型を用いて圧縮成形される。一例において、スケルトン構造物は、構造部材のスケルトン構造物を形成するために押し出される押し出し可能な材料(例えば、金属、ガラス、又は、プラスチック)からつくられる。例として、当業者に公知の引き抜き成形又はその他のプロセスが、スケルトン構造物2を形成するために用いられ得る。また、このような技術は、中央コア1及び長手方向ストランド5を含む複合スケルトン構造物が必要に応じて形成されることも可能にする。例えば、炭素繊維から成るスケルトン構造物を、公知の方法により押し出し成形又は引き抜き成形することができる。その他の例において、射出成形技術を用いて、熱可塑性材料及びその他のタイプの射出成形可能な材料からスケルトン構造物を形成することも可能である。

一例において、スケルトン構造物が形成されたならば、次いで、回転カッター、又は、その他のノッチング(切欠き形成)装置を用いて、各ストリップの側部縁35にノッチ3を間隔をあけて切り出す。次いで、ケブラー又はその他の引張材料のストランドを、引張りながら螺旋状に、スケルトン構造物2の周囲に長手方向に前後に、ノッチ3内を通して巻き付けて、時計回り及び反時計回りのウィーブ4を形成する。ウィーブが編まれたならば、次いで、接着剤12、例えば、シアノアクリレート、エポキシ又はラッカーを、ウィーブ/ノッチのジャンクション(交差部)に塗布し、ウィーブをスケルトン2に結合し、そして、ブロックウェル構造物の組立を完了する。

スケルトン構造物2を成形するための金型(mold、モールド)の形状は、構造物の所望の断面に応じて決まる。金型は、長手方向に並べて配置された複数の細長いセグメント18を有し、1つのセグメントの成形面が隣接するセグメントの対応する成形面に向いている。各セグメント成形面は、細長いスケルトン構造物の所望のストリップ形状及び所望の断面を提供するようにプロファイル(外形)が決定される。例として、スケルトン構造物を成形するための、一実施形態による、+形状の断面を有する例示的な金型が図17A〜17Dの断面図に示されている。この金型は、正方形の断面を有する4つの細長い成形セグメントを有する。これらの4つのセグメントは、縦横2×2の配列で(マトリクス状に)長手方向に並べて配置され、これにより、マトリクスの中央ジャンクション(交差部)又は共通軸にて、+状断面のスケルトン構造物を形成する。Y字状断面のスケルトン構造物を成形するためには、金型は、3つの成形セグメントを有し、T字状断面のスケルトン構造物を成形するためには、2−3型の(twothree)成形セグメントを有する。

成形プロセスは、それぞれの成形セグメント面に位置合わせされるようにプロファイルされた(profiled、外形を有する)、材料長(lengths of the material、長さを有する材料)を、開放された金型内に供給し、繊維又はその他の、材料長をセグメント成形面と位置合わせすることにより開始する。図17A〜図17Dの例において、繊維長(fiber lengths)は予備含浸炭素繊維(pre-impregnated carbon fiber)からつくられる。しかし、先に既に説明したように、その他の所望の材料を用いてもよい。図17Bに示されている+状断面の金型に関しては、金型に供給される、材料長は、それぞれの成形セグメントのプロファイル(外形)に合致するL字状の断面を有する。次いで、このL字状断面を有する、材料長を、各セグメント成形面の長軸の90度コーナー(角部)上に入れ子状に配置する。必要に応じて、ケブラー又はザイロン糸又はその他の耐損傷伝搬材料を、中央コア1を形成するために金型の中央に挿入してもよく、且つ/又は、ノッチ補強引張要素5を成形ストリップ内に組み込むために金型内の長手方向溝に挿入及び位置合わせしてもよい。

図17Cに示されているように、材料を+状断面に成形するための適切な圧縮ツール又は装置(図示せず)により金型18が互いに押し合わされたならば、硬化プロセスを開始するために金型を加熱する。炭素繊維スケルトン構造物に関して、スケルトン構造物は、約45分の加熱後、華氏約285度(摂氏約141度)の温度で硬化する。室温に冷却した後、金型を取り外すと、+形状のスケルトン2が残る。次いで、成形プロセスからのフラッシングにより余剰樹脂を除去し得る。

予備実験結果 実験測定において、高品質の炭素繊維エポキシ複合円形管(チューブ)をベースライン構造物として選択した。なぜなら、この円形管が、様々な用途において広く用いられている最も効率的な構造要素の1つであるからである。限られたサンプルに対する最初の調査により、基本的なブロックウェル構造物が、軽量で高強度の材料性能に関し、以下のようにカーボンチューブよりも優れていることが示された(図6〜図9に示す)。 ・ブロックウェル構造物の線形質量密度は、カーボンチューブのわずか1/2〜2/3である。 ・損傷の第1段階において、ブロックウェル構造物は、前記円形管(脆く壊滅的に損傷した)と比較して、2倍〜3倍多くのエネルギーを吸収した。 ・ブロックウェル構造物は、全体的分離が生じる壊滅的損傷をせずに、漸進的な連続的損傷を維持した。 ・ウィーブが付与されたサンプルは、座屈荷重の少なくとも2倍の荷重に耐えた。 ・ブロックウェル構造物は、類似の質量を有する円形管と類似の正規化曲げ剛性(rigidity)を有した。さらに、予備実験結果は、この構造部材を分離させるのに必要な力が、初期破壊時の力の10〜15倍であることを示している。これは、以下の固有の設計特徴の幾つかにより可能にされる。 ・ウィーブ付与(weaving、ウィービング):ブロックウェル構造物に組み込まれる別の機構(すなわちウィーブ)が、突然の損傷を防止することができる。ウィーブは、最初は、剛性を高めるように設計されており、また、断裂した内部骨格状部材に接近して保持することもできる。内部骨格状部材が潰れ始めた後に、より大きい力が加えられると、外側の、ウィーブが解けた(counter-woven)部材が、繋留状態で拘束されたままとなり、これにより、構造物を適切な位置に保持する。この作用が漸進的に生じて引張強度を増大し、同時に、分離に抵抗して、このプロセス中に多大なエネルギーを吸収する。 ・溝ノッチ設計:図4は、骨格状部材上のノッチの内側の、張力を加えられたウィーブの拡大図である。ノッチは、構造物が破損された場合に破損部以外の部位が互いに支え合うことを可能にする新規の設計特徴を有する。コア構造物の縁に沿ってノッチを付加することにより、新規のブロックウェル構造物設計は、ウィーブ部品がスケルトン部材にとどまって滑りを防止することを可能にする。損傷部付近のウィーブは無傷であるため、これらのウィーブは、損傷がさらに伝搬することを防止し、すなわち、損傷プロセスを失速させる。 ・構造設計:(1)ブロックウェル構造物部材、及び、(2)ブロックウェル構造物ジョイントの両方を、特定の用途のニーズを満たすような構造物に設計し、考案し、組み立て/構築することができる。例えば、ブロックウェル構造物は、各構造部材が所与の荷重条件下で耐えなければならないような応力のタイプ(圧縮、引張、ねじり、又は、摩耗/引裂抵抗(例えば、船橋甲板用途における)のために最適化するように設計及び構築されることができる。 ・圧縮力に抵抗することに関し、最も簡単な方法は、座屈が生じそうな領域に塊・材料を付加することである。一例は、圧縮/引張を受ける領域に塊・材料を付加することであろう。しかし、より複雑な解決方法も提案することができる。これは、例えば、編まれた繊維の0度−90度のパターンを45度−45度のパターンを用いて成形し、これにより、座屈を最小化するような、より剛性の高い構造物を得る方法である。 ・ブロックウェル構造物は、編み(weaving、ウィービング)パターンの2以上のタイプを用いることにより、ねじり力に対処する融通性を有する。また、ブロックウェル構造物は、充填材を付加されることができ(硬質の高密度発泡体の付加による)、ねじれ抵抗を高めることができる。 ・引張抵抗を増大するために、より多くのカーボン、ケブラー、又はザイロンを骨格状構造物のコア内に長手方向に付加することができる(成形により)。これらの要素は、剛性を高めるためにプレテンションされることができ、これにより、ブロックウェル構造物の撓みを低減することができる。

FRPと金属との機械的特性の重大な違いは、荷重下でのFRPと金属との挙動の違いであった。典型的に、FRPは、FRPの線形の応力−歪み関係により示されるように、脆性挙動を呈する。一方、金属は、バイリニアの応力−歪み関係により示されるように、弾塑性挙動を呈する。ブロックウェル構造物が座屈挙動を生じた場合に蓄積される歪みエネルギーの著しい増大が、図3A〜図3Cから明らかであり、これらは、ブロックウェル構造物が、その他の構造物の壊滅的損傷モードよりも優位であることを示す。

ここで、図9に示されている結果について詳細に説明する。図9を参照すると、この図は、ブロックウェル構造物の2つの実施形態(すなわち、コアが埋め込まれた、ウィーブを有する実施形態、及び、ウィーブを有さない実施形態)を、曲げテストにて、規格化された高品質炭素繊維管(カーボンファイバチューブ)と比較した様子を示す。グラフは、試料の正規化された曲げモーメントを中立軸曲率と比較した様子を示し、これにより、既存の高性能建築要素と比較するためのベースラインが確立されている。また、アルミニウム(硬化あり、及び、硬化なし)の性能を示すシミュレーション曲線が、さらなる比較のためにグラフに加えられている。グラフは、炭素繊維管の線形の応力−歪み曲線、ブロックウェル構造物のバイリニアカーブ、及び、アルミニウムのバイリニアカーブを示す。炭素繊維複合物は、これまで、線形の応力−歪み曲線を示し続けており、これは、警告なしの破損を示す。しかし、金属は、これまで、バイリニアカーブを示し続けており、これは、破損前に降伏(曲げ)が生じることを示す。ブロックウェル構造物において、波状の形状13により示される降伏が、骨格の破損前に構造物により得られる。これを、壊滅的損傷前の警告とみなすこともできる。ブロックウェル構造物は、金属のバイリニアカーブに類似した曲線を示し、尚且つ、類似の質量を有する管と同等の正規化曲げ剛性を維持する(これは、試験番号4を試験番号16及び試験番号1と、グラフ上、及び対応する図にて比較することにより示される)。

ウィーブが付与されたサンプルは、非常により高い座屈荷重を有する。これは、捩れ発生を、固定されたウィーブによる歪み分散により、より高頻度で抑制することによる。曲線下の領域は、様々な試料のエネルギー吸収を示す。ウィーブ付き試料の曲線下の領域が、その他全ての試料の曲線下の領域よりも大きいならば、これは、強度、衝撃耐性、及び、エネルギー吸収が、その他の試料よりも高いことに対応し、従って、ブロックウェル構造物の優れた性能を示し、従来の複合構造物及び金属とのギャップを埋めて、構造設計の可能性及び理解を高める。

ここで図9Bを参照すると、この簡単な棒グラフは、ブロックウェル構造物の線形密度(linear density)が、管と比較して低減されている様子を示す。これは、管の線形質量が、比較された試料(ウィーブ有り又はウィーブ無し)の線形質量よりも大きかったことを示す。

ここで図9Cを参照すると、この図は、ブロックウェル構造物の曲げ剛性が管と同等であったことを示す。管の曲げ剛性よりも低いが、これは、利点とみなされよう。なぜなら、剛性は、既存の炭素繊維建築要素に典型的な脆く激しい損傷モードに対応しているからである。また、剛性がわずかに低減されることにより、図9Aに示されているような、応力が加えられている部材の視覚的識別が可能になる。

ここで図9Dを参照すると、この棒グラフは、図9Aの各グラフ線の真下のそれぞれの領域を視覚的に示す。図示されているように、ウィーブ有りの試料によるエネルギー吸収は、管のエネルギー吸収の3倍に近い。

図10A〜図10Dの結果に関し、図10Aは、試験されたサンプルからの曲げ剛性試験結果(試験番号、サンプルタイプの識別、及び結果を含む)を示す。これは、線形質量密度に関して正規化されていない。図10Bは、試験されたサンプルの比較用の線形質量密度を示す(試験番号、サンプルタイプの識別、及び結果を含む)。図10Cは、分析したサンプルにわたる正規化された曲げ剛性を示す(試験番号、サンプルタイプの識別、及び結果を含む)。図10Dは、分析した全てのサンプルにわたる正規化されたエネルギー吸収を示す(試験番号、サンプルタイプの識別、及び結果を含む)。

ここで、ジョイント、及び、幾つかの実施形態による上記の構造部材をジョイントする(継ぎ合わせる)方法について説明する。構造部材は、様々なタイプのジョイントを用いて様々な方法で互いに接合され得る。ジョイントされた構造物は、引張材料から成るウィーブパターンによる非常に強力なジョイントを有し、ジョイントはジョイント構造物に押し付けられ、荷重を1つの部材から隣の部材に伝達する。応力が集中する場所では、樹脂又はその他の材料、例えばゴムが圧縮に抵抗して、荷重を部材コアにわたって分散させる。例として、図15A〜図15Eを参照すると、一実施形態による、例示的なジョイントされた構造物の様々な形成段階が示されている。上記のエネルギー吸収構造部材の2つ以上がジョイント部品15,16,17により互いにジョイントされる。

図15A〜図15Eは、1以上の細長いスケルトン構造物の一方の一端が別の細長いスケルトン構造物の一端に接合されるエルボージョイント連結部の形成を示す。接合されるスケルトン構造物端部は、これらの端部が相補的プロファイル(complementary profiles、相補的外形)を有するようにカットされている。図15A〜図15Eの例において、接合端部は45度の角度でカットされ、従って、スケルトン構造物2は直角のフレームを成すことができる。しかし、この相補的端部外形は、0度〜180度までの任意のジョイント角度をもたらすように選択されることができる。構造物の端部は、一方の端部の隣り合うストリップにより形成された1以上の溝(例においてはV字状外形溝)が、他方の端部の隣り合うストリップにより形成された対応する溝にほぼ位置合わせされることにより互いに接合される(例えば、図15Cを参照)。ウィーブ4及び/又はノッチ3が、互いに接合される構造物端部の先端に存在しても、或いは、図15A〜図15Eに示されているように存在しなくてもよい。

ジョイント部品14は、互いに接合された上記スケルトン構造物の端部溝により形成された交差部のジョイント内側の角部(コーナー)内に取り付けられた耐圧縮性ジョイント樹脂(a joint compression resistant resin)である。図15Eに最良に示されているように、樹脂14は、交差する接合溝の形状に適合している。ジョイント部品15は、ほぼ位置合わせされた溝をしっかりと着座させ且つ互いに接合するための耐圧縮性部材である。耐圧縮性部材は、カーボン又はその他の耐圧縮性材料から形成され、接合溝の内側の角部のプロファイル(外形)に適合するように形作られる。例えば、図15A〜図15Eにおいて、ジョイント部品15は、直角に接合しているV字状溝34の内側の角部のプロファイル(外形)に適合するように三角形状に形作られている。部品15は、ジョイントの内側の角部に取り付けられて、スケルトン構造物端部の位置合わせ接合された溝に橋渡しをする。部品15は、適切なエポキシ樹脂により固定されることができ、或いは、耐圧縮性ジョイント樹脂部材14内に取り付けられ得る。耐圧縮性ジョイント樹脂部材14は、部品15を用いて使用されても、或いは、部品15を用いずに使用されてもよい。

一例において、スケルトン構造物の2つが、三角形状の2つの水平方向補強炭素繊維スパー又は部材16を用いて互いに連結される。図15A〜図15Eに示されているように、これらの部材16の1つがジョイントの各側にてスケルトンに接着され、耐圧縮性樹脂ベース(the composition-resistant resin base)14に埋め込まれた、ジョイントの内面に接着された部品15と協働する。

所望のように適切な位置に接着されたジョイント部品14,15,16の1以上に、次いで、ケブラー又はその他の引張材料から成るラッピング又は巻き付け材17を、ジョイント部品を押し合わせて固定するために、及び、分離を防止するために付加する。図15A〜図15Eの例において、ケブラーが、一連のX状編み込みを用いて巻き付けられ、骨格状ビームの切断面に対して垂直に重なり合って組み上げられる。さらに、レリーフ巻き(relief wind)を、ビームからビームに、ビームの、張力を受けているウィーブ4、及びジョイントの両側の上に重ねて付加し得る。これが、ウィーブと構造要素2とを一緒に不動に固定するように機能する。様々な巻き方を、作業に特有の要求条件に適合するように用いることが可能である。これらのジョイントは、0度〜180度の範囲の任意のジョイント角度に適合するように組み立てられ得る。角度の変動に対して修正するために、ジョイント部品の三角形スパー15,16は、意図されるジョイントの角度と同一角度にカットされる。示されている図において、両方の部材が45度の角度でカットされ、交差の累積角度が90度に等しいように接合される。

図15F〜図15Gは、別の実施形態によるジョイントされた構造物の様々な構築段階を示す。図15F〜図15Gに示されているように、ジョイントされた構造物は、上記のスケルトン構造物の一端が別のスケルトン構造物の側部に接合されたTジョイントである。構造物は、クイックジョイントを用いて互いに接合される。クイックジョイントは、捕捉型(captured)ナット30及びボルト31取り付けシステムに基づいている。ジョイントを形成するために、所望の角度に適合するように形作られた高強度プレート29にボルト31が締め付けられる(ボルト31は、張力を受けているウィーブにより維持されているV字状捕捉ナット30にねじ嵌めされる)。ナットのV字状プロファイルが、XビームのV字状に形成された溝34に嵌り込み、これによりナットの回転を防止する。スケルトン構造物2が様々な断面を有するその他の例に関し、ナット30は、隣り合うストリップの形態及び配置に従う溝に嵌り込むように形作られる。これにより、類似でない構造物又は材料への取り付けのための確実で簡単なプラットフォームが提供される。このシステムを用いると、ブロックウェル構造物は、一般的なフレーム構造システムとして、迅速で容易な組み立てのための簡単なアタッチメントを使用して容易に用いられ得る。示されている図において、構造部材は、90度のプレートアタッチメント29を用いて構造部材の別のセクションに取り付けられて、T字ジャンクションを形成している。しかし、クイックジョイントプレートは、構造部材をその他の構造(例えば、Y字ジョイント、エルボージョイントなど)で連結するように構成されることもできる。ビームが交差する角度は、ジョイントプレート29の穴及びマージンの位置合わせ角度を変更することにより変更され得る。また、プレート自体も、曲げられ又は湾曲され得る。

図16Aは、一実施形態によるスケルトン構造物の外面にスライド可能に取り付けられた例示的なU字状の水平方向スライドジョイントの上方斜視図である。図16Bは、図16Aの例示的な水平方向スライドジョイントの、スケルトン構造物から離された状態の後方斜視図である。U字状ジョイントがその上にスライド可能に取り付けられるスケルトン構造物は、ストリップ30から、その他の実施形態の構造部材と同一の方法で形成されるが、このスケルトン構造物はノッチが省かれている。スケルトン上にウィーブを全く有さない。ノッチを有するがウィーブを有さない構造物も考えられる。

部材23は、U字状の部材であり、従って、溝とスライド可能に係合されているとき、部材はスケルトン構造物の3つの外側面と重なる。図16A及び図16Bのスライドジョイントの例において、溝と係合するV字状の長手方向ナット又はその他の部材21が、U字状部材又はシャーシ(筐体)23の側壁内に存在し、この部材は、スケルトン構造物の一端を介して構造物の長手方向V字状溝34と係合するためのものである。このようにして、U字状シャーシは、V字状溝内に、V字状ナット21によりスライド可能に保持される。部材23は、その他の構造物、装置などを部材23上に取り付けるための穴を部材23の外面に有する。さらに、スライドジョイントは、U字状部材21の内壁を補強する耐摩擦ジャケット(外被)22を示し、また、ジャケット22は、スケルトン構造物の溝内に部材21がスライド可能に保持されているときにスケルトン構造物の側部に接触する。

図18A〜図18Dは、一実施形態による例示的なTジョイント構造連結の構築の様々な段階を示す。永久的なTジョイントを形成するために、又は、上記の構造部材を別の構造部材に90度の角度で取り付けるために、接合ビームが45度の角度で2回、ビームの両側からカットされ、これにより、2つの45度カットが、+状スケルトン33の中央にて交差する。架けられるビーム上のウィーブ4の、ジョイントが交差する部位の一面を切り取ることにより、接合ビームのポイント33が、露出されたV字状プロファイル(外形部)34に差し込まれることができ、これにより2つのビームの骨格状ストリップのプロファイル(外形部)が交差し、荷重/応力が近位部材コア1を通じて分散することを可能にする。2つの内角45度の部材スパー15を、ジョイントビームのそれぞれの側に1つずつ、樹脂14に埋め込んで用いることにより、交差角度が画定され、次いで、ビームを、紐縛材料17(例えば、ケブラー又はその他の引張材料)を用いて圧力をかけながら紐縛して、引張抵抗を付加し、且つ、隣接するウィーブ4と交差させることができる。90度のジョイントと同様に、ジョイント編み部は、骨格状スパー15を補強する一連の歪み分散(strain-distributing)巻き部17から成り、荷重をスケルトンコア1にわたって分散させる。巻き技術は、用途に応じて変化する。さらなる性能のために、樹脂を巻き部に付与して、より固定的なジョイントを形成することが可能である。ジョイント角度の変動は、樹脂に埋め込まれる骨格状スパー15及び形成されるジョイント14の角度を補完的角度に調節すること、及び、ビームカット33を、コアの近接及びストリップの交差/接触を考慮した要求条件に合うように調節することにより対処され得る。

要約すると、ブロックウェル構造物は、強度対重量比が高く、エネルギー吸収性に優れ、且つ、弾性特性を有する、新世代の軽量で高強度の建築材料を提供する。この構造部材は、単位質量あたりの耐荷重性能が増大されており、この性能は、作業(タスク)に固有の負荷のために最適化されることができる。構造部材は、座屈に抵抗するように構成されることができ、尚且つ、破損前に座屈するように設計される。構造部材は、その構造によるエネルギー吸収により、高められた安全性を提供し得る。構造部材は、構造用途(例えば、ビーム、カンチレバー、支持体、柱、スパンなど)のために構成され得る。

本発明の上記の実施形態が例示的なものに過ぎず、これらの実施形態の変更を当業者が考案し得ることが理解されよう。従って、本発明は、開示された実施形態に限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲により定義されるようにのみ限定されるものとする。