JPS60195250A - 座屈状態の部材を備えたプレストレスト・トラスばり - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明はトラスば、りに関するものである。更に詳述す
れば、本発明は、その軸心に沿って多面体の単位格子を
規則正しく繰返し配置することによって形成したはりで
あって、各単位格子が２個の平行で且つ同等の端面を備
えると共に、該端面を。

隣接した単位格子との共通面を構成するｎ　（ｎ＝３以
上の整数）個の辺を有する正多角形として形成したはり
に関するものである。

従来技術 トラスばりは、通常、建造物、橋及びクレーン。

塔、アンテナ等の各種の型式の装置の骨組部材として使
用される。トラスばりは細長い形状を備えると共に、極
めて開放的な外観を呈している。更に、トラスばりは、
一般に、細長い形状（棒材）の剛性部材を組立てること
ににって形成されて、安定した３次元の網状構造又はト
ラスが得られる。

トラスには、しばしば、剛性部材の他に、剛性部材を通
常、支承する可撓性部品（ケーブル）が設【づられて、
トラス組立物の剛性が高められる。

トラスばりの設計及び寸法設定時に要求される品質は、
一般に、３個の重要な性質である最大許容荷重、許容変
形量及び重量を最善に組合せることである。他には、特
に、コスト、寿命、安全性等が考慮される。

トラスばり構造物の形式の選択とその寸法の決定は、主
に、その使用分野と、正常使用条件下のみならず偶発的
又は例外的な使用条件下にトラスばり構造物が受ける力
とによって行われる。

発明の要旨 本発明にかかるはりは、特に、宇宙空間、更には、地球
を回る軌道上に建造される太陽エネルギコレクタや他の
装置の巨大なアンテナの骨組を構成する極めて大型のク
モの巣状構造物の製造に使用されるように意図されてい
るが、これに限定されるわ（プではない。“大型宇宙空
間構造物”とも呼ばれるこのような構造物の寸法が、計
画しているプロジェクトに応じて、数千ｍとまでいかな
くても数百ｍに達することは周知の事実である。

本発明にかかる上記型式のトラスばりにおいては、各単
位格子の側面を、一端面の各頂点を対向する他端面の２
個の最も近接した頂点に接続することによって形成され
る２ｎ個の三角形状の面によって構成し、又、単位格子
の基本縁部を、恒久的に引張り応力を受けている部材に
よって構成し、更に、座屈状態の剛性棒材が各単位格子
の頂点をその中心部に連結する。

従って、本発明により、各単位格子の形状が縁部を構成
する部材によって決定されるプレストレスト・トラスば
りが得られ、更に、上記部材は、ケーブルへの力の調整
とつり合いに使用される極めて変形自在の装置を構成す
る座屈状態の棒材によって、引張り状態に維持される。

プレストレスが、非変形棒材よりもむしろ、座屈状態の
棒材によって印加されることによって、顕著な利点が得
られる。実際、非変形棒材を使ってプレストレスを必要
なレベルまで単位格子に印加することは、困難な作業で
ある。何故なら、第一に、使用する棒材が全て等しい性
質を備えていなｌ−１ればならないため、極めて正確な
製造公差が必要となり、これははりの生産コストを確実
に上昇させる。次に、はりを構成する部材を組立てる時
、プレストレス印加作業を高精度に実施しなければなら
ないことは、はりを大型宇宙空間構造物に使用する時に
大きな問題となる。

棒材によって支持される歪は変形の程度に関係無しに実
際上、一定であることは周知の事実であるので、座屈状
態の棒材を使用する時、上記の全ての欠点は解消される
と共に、プレストレス印加の調整作業も大幅に簡素化さ
れる。従って、このような棒材の製造公差は大幅に広く
なると共に、はりを必要なプレストレス印加レベルに組
立てることがより容易となる。

単位格子の縁部を形成する部材は、通常、引張り応力を
受：づるだけであるので、非剛性であってもよい。従っ
て、ケーブルやヂエーン等の可撓性又は関節連結式の部
材を使用することが可能である。

座屈状態の棒材は、中実又は中空の一定断面を存する直
線状部材から得られる。該棒材は円形断面を有する管で
あることが望ましい。

格子の各頂点における各棒材と引張り部材の間の連結は
、点支持や１例えば、玉継手等の全方向に指向する関節
に相当するものである。従って、この連結点において、
棒材の方向は引張り部材の方向と無関係である。

逆に、格子の中心部において、各棒材と他の棒材の間は
剛性連結されているので、棒材の交差点近辺での棒材の
互いの相対的方向は、はりの理論的形状によって一定状
態に設定されている。

上記棒材の長さは、多面体の頂点と中心の間の距離より
も少し大きいので、上記組立ては、棒材を弧形に曲げる
ことによってのみ可能である。各棒材によって支持され
る歪の性質と方向（棒材の両端を貫通ずる細心方向の圧
縮力）が与えられると、このような変形は座屈に相当す
る。はりの中心部での剛性連結は全ての棒材を同時に座
屈させる。

はりは、通常、純粋な圧縮力又は純粋な引張り力だけを
受（プるように構成されているが、上記はりが曲げ力や
ねじり力を受けられるように構成することも可能である
。圧縮力又は引張り力の印加は、はりの端部のｎ個の頂
点に対してできる限り均等に、且つ、はりの軸心に対し
てできる限り平行な方向に分布させるへきである。

このために、はりの両端部においては、単位格子の最終
端面のｎ個の頂点から延在してはりの軸心上にある共通
点に集中するｎ本の棒材の束が配設されている。

三角形の側面を何する多面体の単位格子は、同等で且つ
平行な両端面を備えるが、波山り１に面は、互いに、は
りの軸心の回りで（π／ｎ）の角度だけ偏倚されている
。

最も簡単な構成において、単位格子か三角形の端面を有
する８面体である。単位格子の寸法と単位格子を構成す
る部材、即ち、　“引張り部材”と“棒材”の寸法は、
必要な最終性質に対応して、且つ、使用される材料の性
質、特に、はりと棒材の座屈に関する関係式に基づいて
決定される。

Ｘ凰鯉 以下に本発明の構成を各側について添付した図面に従っ
て説明する。以下の例は、４４４５Ｎの　。

最大軸方向圧縮荷重に耐え得るように設計された長さが
１８．３ｍのはりの重量をできる限り正確に設定する問
題に対して、各種の解決を与えるものである。

（第１例） 第１図において、円形断面を有し、炭素繊維とエポキシ
樹脂に基づく複合材料から成ると共に、密度力月５００
　ｋｇ／ｍ３で、縦弾性係数が１０６ＧＰａである引張
り部Ｕ’１４，１５と、壁厚が０７１ｍｍで、引張り部
材１４，１５と同し材料から成る円形断面の管形状を有
する棒材１６とから、はり１０が形成されている。上記
はりＩＯは、高さが５７．２ｃｍで８面体の３１個の同
等の格子ＩＩと、２個の端部束１２とから形成されてい
る。後述するものと同じ断面を有すると共に各端部束１
２の高さが２８．４ｃｍとなるような長さを有する３本
の棒材１３によって、各端部束１２が構成されている。

８而休の格子１１は、長さが２８．８ｃｍで直径が４．
９６ｍｍの３個の引張り部材１４で夫々が形成された２
個の三角形端面と、長さが５９．９ｃｍで直径が４．９
６ｍｍの引張り部１’１５で形成される６個の側方縁部
によって構成されている。第１図に示すように、各格子
１１の両端面は、はり１０の軸心の回りで（π／３）の
角度たり互いに偏倚させた２個の正三角形である。８面
体の縁部に沿って配設された」二記の全ての引張り部材
１４．１５は、８而休の各頂点とその中心点の間に設（
Ｊた６本の棒材１６の組立物によって引張られる。棒材
１６は中空で、その外径と内径は、夫々、９．３６ｍｍ
と７．９４ｍｍである。第２図に示すように、格子１１
の中心部において、成形部品１７によって６本の棒Ｕ’
１６の剛性連結が行われる。成形部品１７は、アルミニ
ウム合金から成ると共に、６本の棒材１６が挿入される
内径が９．４ｍｍの一群の６個の交差する管状端部の形
状を有する。これらの管状端部の方向は、８面体の格子
１１の３本の対角線の方向によって決定される。即ち、
管状端部は、互いに５１’１９’　の角度を成すと共に
、格子１１の対称軸心に対して３０°の角度を成す。

８面体の各頂点は２個の隣接する格子１１と共有されて
いる。８面体の各頂点は、６個の引張り部材１４．１５
と２本の棒材１６の交差する点である。これらの８個の
部材の連結は、第３図に示すように、成形部品１８によ
って行われる。成形部品１８は、アルミニウム合金から
成ると共に、６個の引張り部材１４．１５の端部が係止
嵌合される内径が５．０ｍｍの一群の６個の交差する管
状端部を備える。これらの６個の管状端部の方向は、２
個の隣接する格子１１の縁部の方向によって決定される
。即ち、管状端部は、共通面の２個の縁部の間で６０°
の角度を成すと共に、同じ網目の２個の側方縁部の間で
２７°４８゛　の角度を成し、更に、側方縁部と共通面
の縁部との間で７６°０６゛の角度を成す。成形部品Ｉ
８は、更に、厚さ力月ｍｍのゴムの層で被覆された２個
の凸面球状キ・トップ１８ａを備え、該キャップ１８ａ
に２本の棒ｆ７Ａ’ｌＧの端部が当接する。棒材１６は
、その端部において、凹面球状ギャップとして形成した
端部１６ａを備える。上記球状キャップは、格子１１の
頂点に一致する６個の端部の交点を、共通中心として有
する。

棒材１６の長さは、上記当接点と、中心の成形部品１７
が降下し得る下限の間の理論長さよりも２％大きく、即
ち、本例においては、３２ｃｍの理論長さに対して３２
．６ｃｍに設定される。これにより、棒材Ｉ６は全て、
恒久的に座屈状態に置かれて、格子１１の縁部を形成す
る全ての引張り部材１４．１５を引張り状態に保持する
方向の一定応力を格子ＩＩの頂点に及ぼず。このような
−元応力は、はり１ｏかその最外点の間で４４４５Ｎの
限界荷重以下の圧縮力を受ける時にも作用する。

限界荷重下においては、側方部材は全て完全に分離し、
はり１０は宙ｒ　ｐｒｉｈｍ＋　＋−ｉ）ｆ、＋／；−
ＩｋＨｈ的な損傷を受けることなく降伏する。

その最外点の間で４４４５Ｎまでの圧縮ツノに耐え得る
長さカ月８．３ｍのはり１０の重量は僅が７．２５ｋｇ
である。上記重量のうち、引張り部材１４．１５．棒材
１３，１．６及び連結部品１７゜１８の重量が、夫々、
４．１０ｋｇ　、１．８５ｋｇ及び１．３０ｋｇを占め
る。限界荷重下において、はり１０の長さは７　、７　
ｍｍ、即し、全長１８．３ｍの０．０４２％縮む。

上記性能を組合せることにより、本発明にかがるはりは
、同一の材料により公知の方法で、即ち、円錐形端部を
備える直径が１７．２ｃｍで、厚さが０．７１ｍｍの円
筒管状の材料から製造した参照用はりよりも、大型宇宙
空間構造物用のはりとして優秀である。円錐形端部を備
える上記参照用はりは、重量り月１　、５　ｋｇで、且
つ、限界荷重下において、長さが２　ｍｎ＋、即ち、全
長１８．３ｍの０．０１１％しか縮゛まない。

（第２例） 本例によるはりは、岸素ｍ維２エポキシｍ階本含有する
縦弾性係数が２１２ＧＰａの複合飼料により引張り部材
を製作していることを除いて、第１例のはりと同一の特
性を有する。この結果、引張り部材の直径を３．５ｍｍ
に減少し、連結部品をより軽量化することができる。第
１例と同一の限界荷重に耐え得る本例のはりの重量は僅
かに４７０ｋｇであり、この重量の内、引張り部材１４
゜１５、棒材１３，１６及び連結部品１７．１８の重量
が、夫々、　２．０５ｋｇ　、１．８５ｋｇ及び０゜８
０ｋｇを占める。はりは、限界荷重下において、第１例
のはりと同じ値だけ長さが縮む。

（第３例） 本例においては、密度と縦弾性係数が、夫々、１　、５
００　ｋｇ／ｍ３と２１２ＧＰａの引張り部材と、密度
と縦弾性係数が、夫々、Ｉ　、５００ｋｇ／ｍ３と１０
６ＧＰａの［から成る壁厚が０．３５５ｍｍの管状棒材
とにより、はりを形成している。該はりは、高さが６８
．５ｃｍの２６個の８面体格子と、２個の端部束とによ
り構成される。後述するものと同一の断面を有すると共
に各端部束あ高さが２４　、５　ｃｍとなるような長さ
を有する３本の棒材によって、各端部束は構成されてい
る。

８面体の格子は、長さが３４．３ｃｍで直径が２゜９５
ｍｍの３個の引張り部１’＋４によって形成されている
２個の三角形状端面と、長さが７１．３ｃｍで直径が２
．９５ｍｍの引張り部＄４’＋５によって形成される６
個の側方縁部とにより構成されている。

６本の棒材１６の外径と内径は、夫々、１２゜６０ｍｍ
とＩｌ、８９ｍｍである。棒材１６の長さ３８　、８　
ｍｍはその理論長さよりも２％大きいので、棒材１６は
座屈状態にある。

連結部品１７．１８は、角度に関しては第１例及び第２
例のものと同等であるが、その端部直径は本例で使用し
ている引張り部材１４．１５と棒材１６の直径に適合さ
れており、更に、連結部品１７．１８は、アルミニウム
合金の代りにマグネシウム合金で製作されている。

その最外点の間で４４４５Ｎまでの圧縮ツノに耐え得る
。長さカ月８．３ｍのはりの重量は僅か３゜３５ｋｇで
あり、この重量の内、引張り部材１４゜１５、棒材１３
，１６及び連結部品１７．１８の重量が、夫々、１．４
５ｋｇ、１．３ｋｇ及び０　、６　ｋｇを占める。はり
は、限界荷重下において、長さが１０．８ｍｍ、即ち、
全長１８．３ｍの０．０５９％縮む。

（第４例） 第４図に示すように、本例にかかるはり２０はＩＯ前面
体格子２１から構成されている。格子２１の両端面は、
４個の横断引張り部材２４により形成される正方形であ
る。更に、格子２１の両端面は、８個の三角形側面を形
成する８個の側方引張り部材２５によって連結されてい
る。格子２１の両端面は、はり２０の軸心の回りで（π
／４）の角度だυ互いにｆｌ：ｉｔ　（Ａｓされている
。はり２０は、高さが９［３ｃｍの１８個の同等な格子
２Ｉによって形成されている。はり２０の各端部には、
４本の交差する棒材２３の束２２が設けられている。棒
材２３は、後述４”るものと同じ断面を有すると共に、
各束２２が５１ｃｍの長さを有するように長さが設つ七
１１町）プ １０面体の格子２１の縁部を構成する引張り部材２４．
２５は３．０６ｍｍの直径を有する。横断引張り部材２
４が３５．３ｃｍの長さを有するのに対し、側方引張り
部材２５は９７．９ｃｍの長さを有する。ボロン繊維と
エポキシ樹脂を含有すると共に、密度と縦弾性係数が、
夫々、１，５００ｋｇ／　ｍ　３と２１２ＧＰａである
複合材料で、上記の全ての引張り部材２４．２５が形成
されている。

ＩＯ前面体縁部の方向に延在するこのような部材の組立
物は、１０面体の各頂点とその中心点との間に設けた８
本の棒材２６によって引張られる。

この管状の棒材２６は、１３．５６ｍｍの外径と、１２
．８５ｍｍの内径を有すると共に、密度と弾性係数が、
夫々、Ｉ　、５００ｋｇ／ｍ３とｌ０６ＧＰａである。

ボロン繊維とエポキシ樹脂を含む複合飼料から成る。棒
材２６の長さは５３．０ｍｍであり、こｉＬは、中心部
の連結部品２７の降下限界と、ＩＯ前面体頂部で引張り
部材を連結する部品２８上の当接点との間の理論距離で
ある５２．５ｃｍよりも１％大きい。この余分長さによ
り、棒材２６は充分に座屈せしめられる。更に、格子２
１の中心点にお（ジる８本の棒材２６の剛性連結により
、８本の棒材２６は同１１ξＪに座屈させられる。

中心部の連結部品２７は、マグネシウム合金から成ると
共に、８本の棒材２Ｇが挿入される内径が１３．６ｍｍ
の８個の交差′す°る管状端部を備える。

８個の上記管状端部の方向は、ＩＯ曲面体中心点を各頂
点に接続４−る８本の直線の方向によって決定される。

各管状端部は、連結部品２７の対称軸心に対して２７°
３１’　の角度を成すと共に、２個の最も近接した〒１
状端部に対して３８６０８゜の角度を成す。

ＩＯ曲面体各頂点は、２個の近接した格子によって共有
されている。ＩＯ曲面体各頂点は、６個の引張り部材２
４．２５と２本の棒材２６の交差する点である。」二記
８個の部材の間の連結は成形部品２８によって行われる
。成形部品２８は、マグネシウム合金から成ると共に、
６個の引張り部材２４．２５が係止嵌合される内径が３
　、１　ｍｍの６個の交差する管状端部の束を備える。

この６個の管状端部の方向は、２個の隣接した網目の縁
部の方向によって決定される。即ち、管状端部は、共通
面の２個の縁部の間で９０°の角度を成し、又、同一の
格子の２個の側方縁部の間で２０°４８′の角度を成し
、更に、側方縁部と共通面の縁部の間で７９°３６°の
角度を成す。２本の棒材２６が、第１例で説明した如く
、成形部品２８の球状キャップに当接している。

その最外点の間で４４４５Ｎまでの圧縮力に耐え得ると
共に、ＩＯ曲面体格子２Ｉから成る長さが１８．３ｍの
はり２０の重量は僅か４．３８ｋｇである。この重量の
内、引張り部材２４，２５．棒材２３．２６及び連結部
品２７．２８の重量が、夫／／、１．９５ｋｇ、１．８
３ｋｇ及び０．６０ｋｇを占める。限界荷重下において
、はり２ｏは長さが６゜８　ｍｍ、即ち、全長１８．３
ｍの０．０３％縮む。

所定の限界圧縮力に耐え得るように設定された上記の各
種のはりは９本発明にかがるはりが取り得る各種の形状
及び寸法と、本発明にかかるはりが従来の管状はりより
どの程度まで軽量化できるかという点と、地球から宇宙
空間への運搬コストを考慮に入れた時に本発明にかかる
はりが享受する特筆ずべき長所を例示的に説明しただけ
であって、本発明は、決して、既述のはりに限定される
ものではない。

明らかに、各格子の中心点で交差する棒材の組立物によ
って引張られる部材によって形成される同等の多面体の
格子を載置した構造と、棒材の組立物が座屈状態にある
という事実とに特長を有する本発明にかかるプレストレ
ストばりは、上述の形状や寸法以外の形状や寸法を取り
得ると共に。

他の材料で製作することらでき、且つ、他の用途にも適
用し得るものである。

上述の例においては、耐圧縮条件を満足することを主要
目的としているが、該条件は一般にこの種のはりにおい
て最も重要な特性である。然しなから、これは、はりが
引張り力、ねじり力１曲げ力等の他の種類の力に耐え得
る可能性を除外するものではない。

はりの全長に渡り引張り力が印加されることは、端部束
自身が、これらの力を、引張り部材によって構成される
格子に伝達し得ることを前提としている。次に、上記端
部束を構成する棒材を、該棒材が到達し得る引張り部材
の連結部品上で適当に固着する必要があるが、これは問
題ではない。従って、はりは、引張り力を受けることが
でき、更に。

最大圧縮力を越える引張り力に耐えることもできる。か
くして、第１例乃至第３例の８面体の格子から成るはり
は１３３３５Ｎまでの引張り力に耐え得る一方、第４例
の１０面体の格子から成るはりは２５９０ＯＮまでの引
張り力に耐え得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は８面体の単位格子を備える本発明にがかるトラ
スばりの部分斜視図であり、第２図は第１図のはりの単
位格子の中心部に用いられる連結部品の斜視図であり、
第３図は第１図のはりの単位格子の頂点に用いられる連
結部品の斜視図であり、第４図はＩＯ曲面体単位格子を
備える本発明にかかるトラスばりの部分斜視図である。 １０．２０・・・はり、　１１．２’ｌ・・・格子。 １２・・・端部束。 １３，１６，２３．２６・・・棒材。 １４．１５・引張り部材。 １７．１８．２８・・・成形部品、　２２・・・束。 ２４・・・横断引張り部材。 ２５・・側方引張り部材。 ２７・・連結部品。 特許出願人　ソンエテ・ユーロペーヌ・ドウ・プロプル
ジオン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　軸心に沿って多面体の単位格子を規則正しく繰
   返し配置することによって形成したトラスばりにおいて
   、 座屈状態の剛性棒材と、該剛性棒材によって恒久的に引
   張り応力を受ける引張り部材とを備え、又、各単位格子
   は、隣接した単位格子との共通面を構成するｎ（ｎ＝３
   以上の整数）個の辺を何する正多角形として形成した２
   個の平行で且つ同等の端部を備え、且つ、各単位格子の
   側面を各単位格子の一方の端部の頂点を各単位格子の対
   向する他方の端部の最も近接しノご２個の頂点に接続す
   ることによって形成される２ｎ個の三角形状の面によっ
   て構成される一方、上記引張り部材が各単位格子の基本
   縁部を構成し、更に、上記剛性棒材が各単位格子の頂点
   を各単位格子の中心部に連結することを特徴とするトラ
   スばり。 （２、特許請求の範囲第１項に記載したトラスばりにお
   いて、各剛性棒材の一端を、各単位格子の中心部におい
   て、各単位格子の他の剛性棒材に剛性連結する一方、各
   剛性棒材の他端を各単位格子の一頂点に関節連結したこ
   とを特徴とするもの。 （３）特許請求の範囲第２項に記載したトラスばりにお
   いて、各単位格子の各頂点を連結部品によって形成する
   と共に、該連結部品は、各頂点に集中する引張り部材の
   端部を受承する６個のハウジングと、各頂点を共有する
   ２個の単位格子の中心に各頂点を連結する剛性棒材の端
   部表面を支持する２個の支持面とを備えていることを特
   徴とするもの。 （４）特許請求の範囲第３項に記載したトラスばりにお
   いて、上記支持面及び上記端部表面は球状キャップの形
   状を有することを特徴とするもの。 （５）特許請求の範囲第１項に記載したトラスばりにお
   いて、トラスばりの各両端部に一束のｎ本の棒材を配設
   し、更に、該棒材を、単位格子の最終端面のｎ個の頂点
   から延在せしめると共に、トラスばりの軸心上の共通点
   に集中収束さけたことを特徴とするもの。 （６）特許請求の範囲第１項乃至第５香のいずれかに記
   載しノごトラスばりにおいて、上記引張り部材は非剛性
   であることを特徴とするもの。 （７）特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記
   載したトラスばりにおいて、上記剛性棒材が円形断面を
   備えた管状部材であることを特徴とするもの。 （８）特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記
   載したトラスばりにおいて、上記単位格子は、トラスば
   りの軸心の回りて互いに（π／３）の角度たけ偏倚させ
   た２個の三角形端面を備える８面体であることを特徴と
   するもの。 （９）特Ｂ′ｒ請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか
   に記載したトラスばりにおいて、上記単位格子は、トラ
   スばりの軸心の回りで互いに（π／４）の角度だけ偏倚
   させた２＋１！Ｉの正方形端面を備えるＩＯ面体である
   ことを特徴とする乙の。 （ｌＯ）特許請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに
   記載したトラスばりにおいて、大型宇宙空間構造物の建
   造に使用することを特徴とするもの。