stringtranslate.com

Пространственная рама

Крыша этого промышленного здания поддерживается пространственной каркасной конструкцией.
Если бы к синему узлу была приложена сила, а красная перекладина отсутствовала , то результирующее воздействие на конструкцию зависело бы исключительно от жесткости на изгиб синего узла, т. е.  от его сопротивления (или отсутствия такового) изгибу; однако при наличии красной перекладины, предполагая пренебрежимо малую жесткость на изгиб синего узла по сравнению с жесткостью, вносимой красной перекладиной, эту трехмерную несущую ферменную конструкцию можно было бы решить с помощью матрицы жесткости (пренебрегая угловыми факторами).

В архитектуре и строительной инженерии пространственная рама или пространственная конструкция ( 3D- ферма ) представляет собой жесткую, легкую, похожую на ферму конструкцию, построенную из взаимосвязанных стоек в геометрическом узоре . Пространственные рамы могут использоваться для покрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Как и ферма , пространственная рама прочна из-за присущей треугольнику жесткости; изгибающие нагрузки (изгибающие моменты ) передаются как растягивающие и сжимающие нагрузки по длине каждой стойки.

Основные области применения — здания и транспортные средства.


Пространственные каркасы — это прочные, адаптивные и эффективные здания, способные выдерживать различные веса. Для их эффективного внедрения в строительство важно понимать их поведение при различных нагрузках, вероятные режимы отказа и правила оптимального расположения. Для максимизации производительности и долговечности пространственных каркасов важны правильное проектирование, выбор материала и целостность соединений.

История

Александр Грэхем Белл с 1898 по 1908 год разрабатывал пространственные рамы на основе тетраэдрической геометрии. [1] [2] Белла в первую очередь интересовало их использование для создания жестких рам для морской и авиационной техники, причем тетраэдрическая ферма была одним из его изобретений.

Макс Менгерингхаузен разработал пространственную сетчатую систему под названием MERO (аббревиатура от ME ngeringhausen RO hrbauweise ) в 1943 году в Германии, тем самым положив начало использованию пространственных ферм в архитектуре. [3] Распространенный метод, который применяется до сих пор, состоит из отдельных трубчатых элементов, соединенных в узловых соединениях (в форме шара), а также таких вариаций, как система пространственной палубы, система октетных ферм и кубическая система.

Стефан де Шато во Франции изобрел систему Tridirectional SDC (1957), систему Unibat (1959), Pyramitec (1960). [4] [5] Был разработан метод опор деревьев для замены отдельных колонн. [6]

Бакминстер Фуллер запатентовал восьмигранную ферму ( патент США 2,986,241 ) в 1961 году [7] , сосредоточившись на архитектурных конструкциях.

Тетраэдрическая ферма Гилмана 1980 года была разработана Джоном Дж. Гилманом , ученым-материаловедом, известным своей работой над молекулярными матрицами кристаллических твердых тел. Гилман был поклонником архитектурных ферм Бакминстера Фуллера и разработал более прочную матрицу, отчасти за счет вращения выравнивания тетраэдрических узлов относительно друг друга.

Методы проектирования

Пространственные рамы обычно проектируются с использованием матрицы жесткости. Особенностью матрицы жесткости в архитектурной пространственной раме является независимость от угловых факторов. Если соединения достаточно жесткие, угловыми отклонениями можно пренебречь, что упрощает расчеты.

Обзор

Упрощенная крыша с пространственным каркасом, полуоктаэдр которой выделен синим цветом

Простейшая форма пространственной рамы — это горизонтальная плита из взаимосвязанных квадратных пирамид и тетраэдров, построенных из алюминиевых или трубчатых стальных стоек. Во многом это похоже на горизонтальную стрелу башенного крана, повторенную много раз, чтобы сделать ее шире. Более прочная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдров , в которых все стойки имеют единичную длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или в единичной ширине — октетной фермой. Более сложные вариации изменяют длину стоек, чтобы изогнуть общую конструкцию или могут включать другие геометрические формы.

Типы

В значении пространственной рамки мы можем обнаружить три системы, явно отличающиеся друг от друга: [8]

Классификация кривизны

Эта железнодорожная станция в Индии поддерживается конструкцией с цилиндрическим сводом.

Классификация по расположению ее элементов

Другие примеры, которые можно классифицировать как пространственные фреймы:

Приложения

Основные области применения пространственных каркасов включают:

Здания

Транспортные средства :

Элементы архитектурного дизайна

Строительство

Пространственные каркасы широко используются в современном строительстве; их часто можно увидеть в больших пролетах крыш в модернистских коммерческих и промышленных зданиях.

Примерами зданий на основе пространственных каркасов являются:

Большие мобильные сцены и осветительные порталы также часто строятся из пространственных каркасов и восьмиугольных ферм.

Транспортные средства

Рамы Yeoman YA-1 и CA-6 Wackett.

Самолеты

Самолеты CAC CA-6 Wackett и Yeoman YA-1 Cropmaster 250R были построены с использованием примерно одинакового сварного каркаса фюзеляжа из стальных труб.

Многие ранние вертолеты типа «вертушка» с открытой стрелой имели трубчатую пространственную раму стрелы, например, серия Bell 47 .

Автомобили

Пространственные рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов . Как в пространственной раме, так и в трубчатой ​​раме подвеска, двигатель и кузовные панели крепятся к скелетной раме из труб, а кузовные панели не имеют практически никакой структурной функции. Напротив, в конструкции unibody или monocoque кузов является частью конструкции.

Трубчато-рамное шасси появилось раньше пространственно-рамного шасси и является развитием более раннего лестничного шасси . Преимущество использования труб, а не предыдущих открытых секций канала, заключается в том, что они лучше противостоят скручивающим усилиям. Некоторые трубчатые шасси были немного больше, чем лестничное шасси, сделанное из двух труб большого диаметра или даже одной трубы в качестве хребтового шасси . Хотя многие трубчатые шасси развивали дополнительные трубы и даже описывались как «пространственные рамы», их конструкция редко правильно нагружалась как пространственная рама, и они вели себя механически как трубчато-лестничное шасси с дополнительными кронштейнами для поддержки прикрепленных компонентов, подвески, двигателя и т. д. Отличие настоящей пространственной рамы в том, что все силы в каждой стойке являются либо растягивающими, либо сжимающими, никогда не изгибаясь. [11] Хотя эти дополнительные трубы действительно несли некоторую дополнительную нагрузку, они редко были диагонализированы в жесткую пространственную раму. [11]

Более ранним претендентом на первое настоящее шасси с пространственной рамой является гоночный автомобиль Chamberlain 8 «special», построенный братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. [12] Другие приписывают автомобили, произведенные в 1930-х годах, таким конструкторам, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стаут ( Dymaxion и Stout Scarab ), которые поняли теорию настоящей пространственной рамы либо из архитектуры, либо из проектирования самолетов. [13]

После Второй мировой войны попытка построить пространственную раму гоночного автомобиля была Cisitalia D46 1946 года. [13] В ней использовались две трубы небольшого диаметра вдоль каждой стороны, но они были разделены вертикальными трубами меньшего размера, и поэтому не были диагонализированы ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработал свой Type 360 ​​для Cisitalia . Поскольку он включал диагональные трубы, его можно считать настоящей пространственной рамой и, возможно, первой конструкцией с двигателем в середине сзади. [13]

Рама Jaguar C-Type

Maserati Tipo 61 1959 года (Birdcage) часто считается первым, но в 1949 году Роберт Эберан фон Эберхорст спроектировал Jowett Jupiter , представленный на Лондонском автосалоне того года ; Jowett одержал победу в своем классе на гонке 24 часа Ле-Мана 1950 года. Позже TVR , небольшой британский автопроизводитель, развил концепцию и выпустил двухместный автомобиль с кузовом из сплава на многотрубчатом шасси, который появился в 1949 году.

Колин Чепмен из Lotus представил свой первый «серийный» автомобиль, Mark VI , в 1952 году. На него повлияло шасси Jaguar C-Type , еще одно с четырьмя трубами двух разных диаметров, разделенными более узкими трубами. Чепмен уменьшил диаметр основной трубы для более легкого Lotus, но не стал уменьшать второстепенные трубы больше, возможно, потому что посчитал, что это покажется покупателям хлипким. [11] Хотя широко описывается как пространственная рама, Lotus не создавала настоящее шасси с пространственной рамой до Mark VIII , под влиянием других дизайнеров, имеющих опыт в авиационной промышленности. [11]

Чилийский кит-кар, демонстрирующий свою пространственную рамную конструкцию (2013).

Во многих сборных автомобилях используется конструкция с пространственной рамой, поскольку для производства в небольших количествах требуются только простые и недорогие приспособления , а конструктору-любителю сравнительно легко добиться хорошей жесткости с помощью пространственной рамы.

Недостатком шасси с пространственной рамой является то, что оно закрывает большую часть рабочего объема автомобиля и может затруднить доступ как для водителя, так и к двигателю. Mercedes-Benz 300 SL «Gullwing» получил свои культовые двери, открывающиеся вверх, когда его трубчатая пространственная рама сделала использование обычных дверей невозможным.

Некоторые пространственные рамы были спроектированы со съемными секциями, соединенными болтовыми штифтовыми соединениями. Такая структура уже использовалась вокруг двигателя Lotus Mark III . [14] Хотя это и несколько неудобно, преимущество пространственной рамы заключается в том, что то же самое отсутствие изгибающих сил в трубках, которое позволяет моделировать ее как конструкцию с штифтовыми соединениями, также означает, что создание такой съемной секции не должно снижать прочность собранной рамы.

Мотоциклы и велосипеды

Итальянский производитель мотоциклов Ducati широко использует в своих моделях шасси с трубчатой ​​рамой.

Пространственные рамы также используются в велосипедах , в которых легко использовать напряженное треугольное сечение.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Александр Грэхем Белл". Архивировано из оригинала 2003-03-26.
  2. ↑ Александр Грэхем Белл (июнь 1903 г.). «Принцип тетраэдра в структуре воздушного змея». Журнал National Geographic . XIV (6).
  3. ^ "Модульные пространственные сетки". Архивировано из оригинала 2016-09-15.
  4. ^ "Unibat system". 4 августа 2010 г.
  5. ^ Порто, Клаудия Эстрела (2014). «Инновационная структурная концепция в работе Стефана дю Шато: от металлических ферм к разработке пространственных каркасов» (PDF) . Architectus . 4 (40). Польша: 51–64. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2016 г.
  6. ↑ Эволюция космических рам. Архивировано 19 ноября 2015 г. в Wayback Machine Cities Now.
  7. ↑ Дороти Харли Эбер, по телефону (29 июня 1978 г.). «Fuller on Bell».
  8. ^ Отеро К. (1990). «Геометрическое проектирование куполов без приблизительных размеров треугольников с минимальным числом долгот Барры». Тесис Докторантура. Университет Кантабрии.
  9. ^ Кавия Соррет (1993).
  10. ^ "Проектирование и анализ каркасной конструкции пространства с цилиндрическим сводом". www.ijraset.com . Получено 08.11.2022 .
  11. ^ abcd Людвигсен и Колин Чепмен, с. 153–154
  12. ^ https://primotipo.com/2015/07/24/chamberlain-8-by-john-medley-and-mark-bisset/. «Камергер. Австралийская история» Джон Хазелден
  13. ^ abc Людвигсен, Карл (2010). Колин Чепмен: Внутри инноватора . Haynes Publishing. стр. 150–164. ISBN 978-1-84425-413-2.
  14. ^ Людвигсен и Колин Чепмен, с. 151
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Космические рамы» .