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.
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 тетраэдральная 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.
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.
Простейшая форма пространственной рамы — 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.
В значении пространственной рамки мы можем обнаружить три системы, явно отличающиеся друг от друга: [8]
Классификация кривизны
Классификация по расположению ее элементов
Другие примеры, которые можно классифицировать как пространственные фреймы:
Основные области применения пространственных каркасов включают:
Здания
Транспортные средства :
Элементы архитектурного дизайна
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.
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 .
Пространственные рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов . Как в пространственной раме, так и в трубчатой раме подвеска, двигатель и панели кузова прикреплены к скелетной раме из труб, а панели кузова имеют небольшую или не имеют 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 «специальный» автомобиль Chamberlain 8, 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]
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 легкосплавным кузовом 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]
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.
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.