В архитектуре и строительном проектировании пространственная рама или космическая конструкция ( 3D ферма ) представляет собой жесткую, легкую ферменную конструкцию, построенную из переплетенных стоек в геометрическом узоре . Пространственные рамы можно использовать для перекрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Как и ферма , пространственная рама прочна из-за присущей треугольнику жесткости; изгибающие нагрузки (изгибающие моменты ) передаются как нагрузки растяжения и сжатия по длине каждой стойки.
Основные области применения включают здания и транспортные средства.
Александр Грэм Белл с 1898 по 1908 год разрабатывал пространственные системы координат, основанные на тетраэдрической геометрии. [1] [2] Интерес Белла заключался в первую очередь в использовании их для изготовления жестких каркасов для морской и авиационной техники, причем четырехгранная ферма была одним из его изобретений.
Макс Менгерингхаузен разработал систему пространственной сетки под названием MERO (аббревиатура ME ngeringhausen RO hrbauweise ) в 1943 году в Германии, положив тем самым начало использованию космических ферм в архитектуре. [3] Широко используемый метод, который до сих пор используется, включает отдельные трубчатые элементы, соединенные в узловых соединениях (шаровидные), а также его вариации, такие как система космической палубы, система октетных ферм и кубическая система.
Стефан де Шато во Франции изобрел трехнаправленную систему SDC (1957 г.), систему Unibat (1959 г.), Pyramitec (1960 г.). [4] [5] Был разработан метод опор деревьев для замены отдельных столбцов. [6]
Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму ( патент США 2 986 241 ) в 1961 году [7] , сосредоточившись на архитектурных конструкциях.
Тетраэдральная ферма Гилмана 1980 года была разработана Джоном Дж. Гилманом ; ученый-материаловед, известный своими работами над молекулярными матрицами кристаллических твердых тел. Гилман был поклонником архитектурных ферм Бакминстера Фуллера и разработал более прочную матрицу, отчасти за счет вращения четырехгранных узлов относительно друг друга.
Пространственные рамы обычно проектируются с использованием матрицы жесткости. Особенностью матрицы жесткости каркаса архитектурного пространства является независимость от угловых факторов. Если соединения достаточно жесткие, угловыми отклонениями можно пренебречь, что упрощает расчеты.
Самая простая форма пространственного каркаса — это горизонтальная плита из переплетенных квадратных пирамид и тетраэдров , построенных из алюминиевых или стальных трубчатых стоек. Во многом это похоже на горизонтальную стрелу башенного крана, многократно повторенную для увеличения ее ширины. Более сильная форма состоит из переплетающихся тетраэдров , в которых все стойки имеют единичную длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или октетной фермой единичной ширины. Более сложные варианты изменяют длину стоек, чтобы изогнуть общую конструкцию, или могут включать другие геометрические формы.
По смыслу пространственной структуры мы можем найти три системы, явно различающиеся между собой: [8]
Классификация кривизны
.jpg/1280px-Tirumailai_MRTS_station_Chennai_(Madras).jpg)
Классификация по расположению ее элементов
Другими примерами, которые можно классифицировать как пространственные рамки, являются следующие:
Основные области применения пространственных рам включают:
Здания
Транспортные средства :
Элементы архитектурного дизайна
Пространственные каркасы являются обычным явлением в современном строительстве зданий; их часто можно встретить в больших пролетах крыш модернистских коммерческих и промышленных зданий.
Примеры зданий на основе пространственных каркасов включают:
Большие переносные сцены и осветительные платформы также часто строятся из пространственных рам и октетных ферм.
Самолеты CAC CA-6 Wackett и Yeoman YA-1 Cropmaster 250R были построены с использованием примерно одного и того же сварного каркаса фюзеляжа из стальных труб.
Многие ранние вертолеты с открытой стрелой типа «вертушка» имели стрелы с трубчатой пространственной рамой, например, серия Bell 47 .
Пространственные рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов . Как в пространственном, так и в трубчатом шасси подвеска, двигатель и панели кузова прикреплены к скелетной раме из труб, а панели кузова практически не выполняют структурных функций. Напротив, в цельной или монококовой конструкции кузов служит частью конструкции.
Шасси с трубчатой рамой предшествовало шасси с пространственной рамой и является развитием более раннего шасси с лестничной рамой . Преимущество использования труб по сравнению с предыдущими секциями с открытым каналом заключается в том, что они лучше противостоят скручивающим силам. Некоторые трубчатые шасси представляли собой не что иное, как лестничное шасси, состоящее из двух трубок большого диаметра или даже одной трубы в качестве основного шасси . Хотя многие трубчатые шасси имели дополнительные трубы и даже описывались как «пространственные рамы», их конструкция редко правильно подчеркивалась как пространственная рама, и механически они вели себя как шасси с трубчатой лестницей, с дополнительными кронштейнами для поддержки прикрепленных компонентов, подвески, двигателя и т. д. Отличие истинной пространственной рамы состоит в том, что все силы в каждой стойке действуют либо на растяжение, либо на сжатие, но никогда не на изгиб. [11] Хотя эти дополнительные трубы действительно несли некоторую дополнительную нагрузку, их редко превращали в жесткую пространственную раму. [11]
Более ранним претендентом на первое шасси с настоящей пространственной рамой является гоночный «специальный» Чемберлен 8, построенный братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. Другие приписывают автомобили, произведенные в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер. и Уильям Бушнелл Стаут ( Димаксион и Толстый скарабей ), который понял теорию истинного космического каркаса либо из архитектуры, либо из конструкции самолета. [13]
Попыткой создания пространственной рамы гоночного автомобиля после Второй мировой войны стала Cisitalia D46 1946 года. [13] В ней использовались две трубы небольшого диаметра с каждой стороны, но они были разнесены друг от друга вертикальными трубками меньшего размера и поэтому не были диагонализированы ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработала свой Type 360 для Cisitalia . Поскольку он включал диагональные трубы, его можно считать настоящей космической рамой и, возможно, первой конструкцией со среднезадним расположением двигателя. [13]
Maserati Tipo 61 1959 года (Birdcage) часто считают первым, но в 1949 году Роберт Эберан фон Эберхорст спроектировал Jowett Jupiter , представленный в том же году на Лондонском автосалоне ; Джауэтт одержал победу в классе на гонке «24 часа Ле-Мана» 1950 года. Позже TVR , небольшие британские производители автомобилей, разработали эту 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 него повлияло шасси Jaguar C-Type , еще одно с четырьмя трубами двух разных диаметров, разделенными более узкими трубками. Чепмен уменьшил диаметр основной трубки для более легкого Lotus, но не стал уменьшать второстепенные трубки, возможно, потому, что считал, что покупателям это покажется ненадежным. [11] Хотя Lotus широко описывается как пространственная рама, Lotus не создавала настоящего шасси с пространственной рамой до Mark VIII , под влиянием других конструкторов, имеющих опыт авиационной промышленности. [11]
.jpg/1280px-Kitcar_(8906407466).jpg)
В большом количестве комплектных автомобилей используется конструкция с пространственной рамой, поскольку для производства в небольших количествах требуются только простые и недорогие приспособления , и конструктору-любителю относительно легко добиться хорошей жесткости с помощью пространственной рамы.
Недостатком пространственного рамного шасси является то, что оно закрывает большую часть рабочего объема автомобиля и может затруднить доступ как водителя, так и к двигателю. Mercedes -Benz 300 SL «Крыло чайки» получил культовые двери, открывающиеся вверх, поскольку из-за трубчатой пространственной рамы использование обычных дверей было невозможным.
Некоторые пространственные рамы имеют съемные секции, соединенные болтовыми соединениями. Подобная конструкция уже использовалась в двигателе Lotus Mark III . [14] Преимущество пространственной рамы, хотя и несколько неудобное, заключается в том, что то же самое отсутствие изгибающих сил в трубах, что позволяет моделировать ее как шарнирную конструкцию, также означает, что создание такой съемной секции не требует снижения прочности собранный каркас.
Итальянский производитель мотоциклов Ducati широко использует в своих моделях шасси с трубчатой рамой.
Пространственные рамы также используются в велосипедах , которые предпочитают напряженное треугольное сечение.
