В архитектуре и строительной технике , A пространственная рама или пространственная структура (3D ферменный) представляет собой жесткие, легкая, ферменной -как структуры построена из взаимосвязанной распорки в геометрическом узоре . Космические рамы можно использовать для перекрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Как и ферма , пространственный каркас прочен из-за присущей треугольнику жесткости; сгибание нагрузки (изгибающие моменты ) передаются в виде растяжения и сжатия нагрузок по длине каждой стойки.
История [ править ]
Александр Грэм Белл с 1898 по 1908 год разрабатывал космические системы координат на основе геометрии тетраэдра. [1] [2] Белл интересовался, прежде всего, их использованием для изготовления жестких рам для морской и авиационной техники, а четырехгранная ферма была одним из его изобретений. Д-р инж. Макс Менгерингхаузен разработал систему пространственной сетки под названием MERO (аббревиатура от ME ngeringhausen RO hrbauweise ) в 1943 году в Германии, тем самым положив начало использованию космических ферм в архитектуре. [3]В широко используемом методе, который до сих пор используется, отдельные трубчатые элементы соединяются в узловых соединениях (в форме шара) и в таких вариантах, как система космической палубы, система октетных ферм и кубическая система. Стефан де Шато во Франции изобрел трехстороннюю систему SDC (1957), систему Unibat (1959), Pyramitec (1960). [4] [5] Был разработан метод поддержки дерева для замены отдельных столбцов. [6] Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму в 1961 году [7] , сосредоточив внимание на архитектурных сооружениях.
Методы проектирования [ править ]
Космические рамы обычно проектируются с использованием матрицы жесткости . Особенностью матрицы жесткости архитектурного пространственного каркаса является независимость от угловых факторов. Если соединения достаточно жесткие, угловыми прогибами можно пренебречь, что упростит расчеты.
Обзор [ править ]
Самая простая форма космического каркаса - это горизонтальная плита из взаимосвязанных квадратных пирамид и тетраэдров, построенная из алюминиевых или трубчатых стальных распорок. Во многом это похоже на то, что горизонтальная стрела башенного крана повторяется много раз, чтобы сделать ее шире. Более сильная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдров, в которых все стойки имеют единичную длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или октетной фермой с единичной шириной. Более сложные варианты изменяют длину распорок для изгиба всей конструкции или могут включать другие геометрические формы.
Типы [ править ]
С точки зрения пространственного фрейма мы можем найти три системы, явно различающиеся между собой: [8]
Классификация кривизны
- Покрытия космической плоскости: эти пространственные структуры состоят из плоских подструктур. Их поведение похоже на поведение пластины, в которой отклонения в плоскости передаются через горизонтальные стержни, а поперечные силы поддерживаются диагоналями. [9]
- Бочковые хранилища: этот тип хранилища имеет поперечное сечение простой арки. Обычно этот тип космического каркаса не требует использования тетраэдрических модулей или пирамид в качестве основы.
- Сферические купола и другие сложные кривые обычно требуют использования тетраэдрических модулей или пирамид и дополнительной поддержки из обшивки.
Классификация по расположению ее элементов
- Однослойная сетка: все элементы расположены на аппроксимируемой поверхности.
- Двухслойная сетка: элементы организованы в два слоя, параллельные друг другу на определенном расстоянии друг от друга. Каждый из слоев образует решетку из треугольников, квадратов или шестиугольников, в которой проекции узлов в слое могут перекрываться или смещаться друг относительно друга. Диагональные стержни соединяют узлы обоих слоев в разных направлениях в пространстве. В сетках этого типа элементы объединены в три группы: верхний кордон, кордон и нижний диагональный кордон.
- Трехслойная сетка: элементы размещаются в трех параллельных слоях, связанных диагоналями. Они почти всегда плоские.
Другие примеры, классифицируемые как космические фреймы, следующие:
- Плиссированные металлические конструкции: возникли, чтобы попытаться решить проблемы, с которыми сталкивались опалубка и заливка бетона. Обычно работают со сварным швом, но могут подниматься сборные швы, что делает их пространственными сетками.
- Подвесные кожухи: конструкции на натянутом кабеле, корешке и антифуникулярной арке контактной дуги показывают их способность направлять силы теоретически лучше, чем любая другая альтернатива, имеют бесконечный диапазон возможностей для композиции и приспособляемости к любому типу растительного покрова или гарантируют тщетность. Однако неточность формы при нагруженной пряди (в идеале динамически адаптируется к состоянию заряда) и риск изгиба дуги из-за неожиданных напряжений - это проблемы, которые требуют элементов предварительного сжатия и предварительного напряжения. Хотя в большинстве случаев это самые дешевые и технические решения, которые лучше всего подходят для акустики и вентиляции закрытого корпуса, они уязвимы для вибрации.
- Пневматические конструкции: укупорочные мембраны, находящиеся под давлением, могут рассматриваться в этой группе.
Приложения [ править ]
- Промышленные здания, заводы
- Спортивные залы
- Склады
- Бассейны
- Конференц-залы и выставочные центры
- Стадионы с большой протяженностью
- Музейные и ярмарочные дома
- Торговые центры и моллы
- Аэропорты и навес
- Мечеть
- Атриум
Строительство [ править ]
Пространственные рамы - обычное дело в современном строительстве; они часто встречаются в больших пролетах крыш модернистских коммерческих и промышленных зданий.
Примеры построек, основанных на космических каркасах, включают:
- Аэропорт Станстед , компания Foster + Partners
- Башня Банка Китая и пирамида Лувра , И. М. Пей
- Роджерс Центр по Rod Робби и Майкл Аллан
- McCormick Place East в Чикаго
- Arena das Dunas в Натале, Бразилия от Populous
- Проект Эдем в Корнуолле, Англия
- Глобен , Швеция - Купол диаметром 110 м, (1989 г.)
- Биосфера 2 от Джона П. Аллен , Фил Hawes , Питер Джон Пирс в Oracle, Аризона
- Конференц-центр Джейкоба К. Джавитса , Нью-Йорк, Нью-Йорк
- Дворец Сант Жорди в Барселоне, Испания, автор - Арата Исодзаки.
- Международный аэропорт Сочи в Сочи , Россия
- Вход на Волшебную гору Six Flags
- Терминал 2 международного аэропорта Тайвань Таоюань
- Харбинский оперный театр в Китае Ма Яньсуна
- Центр Гедяра Алиева в Азербайджане Захи Хадид
Большие переносные сцены и осветительные опоры также часто строятся из пространственных рам и октетных ферм.
Транспорт [ править ]
Самолет [ править ]
CAC CA-6 Wackett и Йомен YA-1 Cropmaster 250R самолетов были построены с использованием примерно тот же сварной стальной трубы фюзеляжа рамы.
Автомобили [ править ]
Космические рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов . Как в космической раме, так и в шасси с трубчатой рамой панели подвески, двигателя и кузова прикреплены к каркасу из труб, и панели кузова не имеют или почти не выполняют конструктивных функций. Напротив, в цельном или монококовом исполнении корпус служит частью конструкции.
Шасси с трубчатой рамой предшествуют шасси с пространственной рамой и являются развитием более раннего лестничного шасси . Преимущество использования трубок по сравнению с предыдущими секциями с открытыми каналами состоит в том, что они лучше сопротивляются скручивающим усилиям . Некоторые трубчатые шасси были немногим более лестничного шасси, сделанного из двух труб большого диаметра, или даже одной трубы в качестве основного шасси.. Хотя многие трубчатые шасси имели дополнительные трубы и даже назывались «космическими рамами», их конструкция редко правильно подчеркивалась как космическая рама, и они вели себя механически как шасси с трубчатой лестницей с дополнительными кронштейнами для поддержки прикрепленных компонентов, подвески, двигателя и т. • Настоящая пространственная рама отличается тем, что все силы в каждой стойке являются либо растягивающими, либо сжимающими, а не изгибающимися. [10] Хотя эти дополнительные трубы действительно несли дополнительную нагрузку, они редко диагонализовались в жесткую пространственную раму. [10]
Первое истинное космическое шасси было произведено в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стаут ( Dymaxion и Stout Scarab ), которые поняли теорию истинного космического каркаса из архитектуры или конструкции самолета. [11]
Первым гоночным автомобилем, который попытался использовать космическую раму, был Cisitalia D46 1946 года. [11] В нем использовались две трубы небольшого диаметра с каждой стороны, но они были разделены вертикальными трубками меньшего размера и поэтому не были диагонализованы ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработал свой Type 360 для Cisitalia . Поскольку в него входили диагональные трубы, его можно считать первой настоящей космической рамой. [11]
Maserati Tipo 61 1959 года (Birdcage) часто называют первым автомобилем, но в 1949 году доктор Роберт Эберан-Эберхорст разработал Jowett Jupiter, представленный на Лондонском автосалоне в том же году ; Jowett одержал победу в классе на 24-часовой гонке в Ле-Мане 1950 года. Позже TVR , небольшие британские производители автомобилей, разработали концепцию и выпустили двухместный автомобиль с легкосплавным кузовом на многотрубном шасси, который появился в 1949 году.
Колин Чепмен из Lotus представил свой первый «серийный» автомобиль, Mark VI , в 1952 году. На это повлияло шасси Jaguar C-Type , другое с четырьмя трубами двух разных диаметров, разделенными более узкими трубками. Чепмен уменьшил диаметр основной трубки для более легкого Lotus, но не стал больше уменьшать второстепенные трубки, возможно, потому, что он считал, что это может показаться покупателям ненадежным. [10] Несмотря на то, что Lotus широко описывается как космический каркас, Lotus не создавал настоящего космического шасси до Mark VIII , с влиянием других конструкторов, имеющих опыт работы в авиастроении. [10]
Другие известные примеры автомобилей с космической рамой включают Audi A8 , Audi R8 , Ferrari 360 , Lamborghini Gallardo , Mercedes-Benz SLS AMG , Pontiac Fiero и Saturn S-Series .
В большом количестве комплектов автомобилей , возможно, большинство из которых производится в Великобритании, используется конструкция с пространственной рамой, потому что для производства небольших партий требуются только простые и недорогие приспособления , а конструктору-любителю относительно легко добиться хорошей жесткости с пространственной рамой. Обычно пространственные рамы сварены методом MIG , хотя в более дорогих комплектах часто используется сварка TIG , более медленный и более квалифицированный процесс. Многие из них напоминают Lotus Mark VII в общих чертах и механической компоновке, однако другие являются точными копиями AC Cobra или итальянских суперкаров., но некоторые из них имеют оригинальный дизайн, не похожий ни на один другой автомобиль. Часто конструкторы прилагали значительные усилия для создания настоящих пространственных рам, в которых все точки значительных нагрузок были закреплены в трех измерениях, что приводило к прочности и жесткости, сопоставимым с типичными серийными автомобилями или даже превосходящими их. Другие представляют собой трубчатые рамы, но не настоящие пространственные рамы, потому что в них используются трубы относительно большого диаметра, часто изогнутые, которые несут изгибающие нагрузки, но из-за большого диаметра остаются достаточно жесткими. Однако некоторые низкокачественные конструкции не являются настоящими космическими каркасами, поскольку трубы несут значительные изгибающие нагрузки. Это приведет к значительному изгибу из-за динамических нагрузок и, в конечном итоге, к усталости.перелом, механизм отказа, который редко встречается в правильно спроектированной истинной пространственной структуре. Уменьшение жесткости также ухудшит управляемость.
Недостатком шасси с пространственной рамой является то, что оно закрывает большую часть рабочего объема автомобиля и может затруднить доступ как для водителя, так и для двигателя. Некоторые космические рамы спроектированы со съемными секциями, соединенными болтовыми штифтами. Такая конструкция уже использовалась для двигателя Lotus Mark III . [12] Хотя это несколько неудобно, преимущество пространственной рамы состоит в том, что такое же отсутствие изгибающих сил в трубках, которое позволяет моделировать ее как конструкцию с штифтовым соединением, также означает, что такая съемная секция не должна снижать прочность каркаса. собранный каркас.
Мотоциклы и велосипеды [ править ]
Итальянский производитель мотоциклов Ducati широко использует шасси с трубчатой рамой в своих моделях.
Космические рамы также использовались в велосипедах , например, разработанных Алексом Моултоном .
См. Также [ править ]
- Магистральное шасси
- Тело на раме
- Обрамление (строительство)
- Монокок
- Модульные строительные системы
- Платоновы тела
- Напряженная конструкция кожи
- Superleggera
- Тенсегрити
- Мозаичная крыша
- Тетраэдрально-восьмигранные соты
Ссылки [ править ]
- ^ "Александр Грэм Белл" .
- ↑ Александр Грэм Белл (июнь 1903 г.). «Принцип тетраэдра в структуре воздушного змея» . Журнал National Geographic . XIV (6).
- ^ "Модульные космические сетки" . Архивировано из оригинала на 2016-09-15.
- ^ "Система Unibat" .
- ^ Клаудия Estrela Porto (2014). "Работа Стефана де Шато" (PDF) . Architectus . 4 (40): 51–64.
- ↑ Evolution of Space Frames, архивная копия от 19 ноября 2015 г., в Wayback Machine Cities Now.
- ↑ Дороти Харли Эбер, по телефону (29 июня 1978 г.). «Фуллер на Белл» .
- Перейти ↑ Otero C. (1990). "Diseño geométrico de cúpulas no esféricas aproximadas por mallas triangulares, con un número mínimo de longitude de barra". Тесис докторская. Universidad de Cantabria.
- ^ Cavia Sorret (1993).
- ^ a b c d Людвигсен и Колин Чепмен , стр. 153–154
- ^ a b c Людвигсен, Карл (2010). Колин Чепмен: внутри новатора . Haynes Publishing. С. 150–164. ISBN 1-84425-413-5.
- ^ Ludvigsen & Colin Chapman , стр. 151
 | Викискладе есть медиафайлы по теме космических фреймов . |
