Космическая рамка

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.

Пространственные каркасы — это прочные, адаптируемые и эффективные здания, способные выдерживать различный вес. Для их эффективного применения в строительстве важно понимать их поведение при различных нагрузках, возможные виды отказов и правила оптимального расположения. Чтобы максимизировать производительность и долговечность пространственных рам, необходимы правильный дизайн, выбор материалов и целостность соединений.

История

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 их использовании 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 варианты, 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 ]} Для замены отдельных колонн был разработан метод опор деревьев. ^{[ 6 ]}

Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму ( патент США 2 986 241 ) в 1961 году. ^{[ 7 ]} уделяя особое внимание архитектурным сооружениям.

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.

Методы проектирования

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.

Обзор

Упрощенная пространственная каркасная крыша с полуоктаэдром, выделенным синим цветом.

Самая простая форма пространственной рамы — 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.

Типы

В значении пространственной структуры мы можем найти три системы, явно различающиеся между собой: ^{[ 8 ]}

Классификация кривизны

Покрытия космической плоскости. Эти пространственные структуры состоят из плоских подструктур. Их поведение аналогично поведению пластины, в которой прогибы в плоскости передаются через горизонтальные стержни, а поперечные силы поддерживаются диагоналями. ^{[ 9 ]}

Бочковые своды: своды этого типа имеют в поперечном сечении простую арку. Обычно для такого типа пространственного каркаса не требуется использовать в качестве основы четырехгранные модули или пирамиды. Сводчатый тип сечения организован в соответствии с IS: 800-2007, а оценка проводится в основном с использованием STAAD. Эта работа позволяет оценить модели по дальности, экстремальному перенаправлению, собственному весу и стоимости. ^{[ 10 ]}
Сферические купола и другие сложные кривые обычно требуют использования тетраэдрических модулей или пирамид и дополнительной поддержки со стороны обшивки.

Классификация по расположению ее элементов

Однослойная сетка: все элементы расположены на аппроксимируемой поверхности.
Двухслойная сетка: элементы организованы в два слоя параллельно друг другу на определенном расстоянии друг от друга. Каждый из слоев образует решетку из треугольников, квадратов или шестиугольников, в которой проекции узлов слоя могут перекрываться или смещаться относительно друг 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, соединенных диагоналями. Они почти всегда плоские.

Другими примерами, которые можно классифицировать как пространственные рамки, являются следующие:

Плиссированные металлические конструкции: возникли, чтобы попытаться решить проблемы, с которыми столкнулись опалубка и заливка бетона. Обычно используются сварные соединения, но могут быть подняты и готовые соединения, что делает их пространственными сетками.
Подвесные покрытия: конструкции на натянутом тросе, позвоночнике и цепной арке ( перевернутый фуникулер теоретически демонстрируют свою способность распределять силы лучше, чем любая другая альтернатива, имеют бесконечный диапазон возможностей для композиции и адаптации к любому типу растительного покрова или обеспечивают бесполезность Однако неточности в форме нагруженной пряди (в идеале динамически адаптирующейся к состоянию заряда) и риск изгиба дуги под воздействием неожиданных напряжений являются проблемами, которые требуют элементов предварительного сжатия и предварительного напряжения, хотя в большинстве случаев они имеют тенденцию быть. самое дешевое и техническое решение, которое лучше всего соответствует акустике и вентиляции крытого помещения, уязвимо к вибрации.
Пневматические конструкции. К этой группе можно отнести затворные мембраны, находящиеся под давлением.

Приложения

Основные области применения пространственных рам включают:

Здания

Промышленные структуры:
- Заводы
- Склады ,
Коммерческие, развлекательные и сервисные объекты:
- Спортивные залы
- Конференц-залы, павильоны и выставочные центры
- Стадионы
- Музеи и ярмарочные дома
- Торговые центры
- Аэропорты

Транспортные средства :

- Самолет
- Автомобили
- Мотоциклы
- Велосипеды
- Космический корабль

Элементы архитектурного дизайна

- Атриумы
- Геодезика

Строительство

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:

Аэропорт Станстед , компания Foster + Partners
Башня Банка Китая и пирамида Лувра , автор И.М. Пей
Центр Роджерса Рода Робби и Майкла Аллана
Маккормик Плейс Ист в Чикаго
Arena das Dunas в Натале, Бразилия, автор: Populous
Проект Eden в Корнуолле, Англия
Глобен , Швеция — Купол диаметром 110 м, (1989 г.)
Биосфера 2 Джона П. Аллена , Фила Хоуза , Питера Джона Пирса в Oracle, Аризона
Конференц-центр Джейкоба К. Джавитса , Нью-Йорк, Нью-Йорк
Палау Сант Жорди в Барселоне, Испания, автор Арата Исодзаки.
Международный аэропорт Сочи в Сочи , Россия.
Вход на Волшебную гору Шести Флагов.
международного аэропорта Тайвань Таоюань Терминал 2
Харбинский оперный театр в Китае, Ма Яньсун
Центр Хедьяра Алиева в Азербайджане Захи Хадид

Большие переносные сцены и осветительные платформы также часто строятся из пространственных рам и октетных ферм.

Транспортные средства

Самолет

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 .

Автомобили

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 является 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 не на изгиб. ^{[ 11 ]} Хотя эти дополнительные трубы действительно несли некоторую дополнительную нагрузку, их редко превращали в жесткую пространственную раму по диагонали. ^{[ 11 ]}

Более ранним претендентом на первое шасси с настоящей пространственной рамой было «специальное» гоночное шасси Chamberlain 8, построенное братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. ^{[ 12 ]} Другие приписывают транспортные средства, произведенные в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стаут ( Dymaxion и Stout Scarab ), которые поняли 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 ]} При этом использовались две трубки небольшого диаметра вдоль 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 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 ]}

В большом количестве комплектных автомобилей используется конструкция с пространственной рамой, поскольку для изготовления в небольшом количестве 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 отсутствие изгибающих сил в трубах, что позволяет моделировать ее как шарнирно-сочлененную конструкцию, также означает, что создание такой съемной секции не требует снижения прочности собранной рамы. .

Велосипед Моултона в Музее современного искусства

2006 года выпуска Дукати Монстр S2R 1000

Мотоциклы и велосипеды

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

Пространственные рамы также используются в велосипедах , которые предпочитают напряженное треугольное сечение.

См. также

Ссылки

^ «Александр Грэм Белл» . Архивировано из оригинала 26 марта 2003 г.
^ Александр Грэм Белл (июнь 1903 г.). «Принцип тетраэдра в строении воздушного змея» . Журнал «Нэшнл Географик» . XIV (6).
^ «Модульные космические сетки» . Архивировано из оригинала 15 сентября 2016 г.
^ «Система Юнибат» .
^ Порту, Клаудия Эштрела (2014). «Инновационная структурная концепция в творчестве Стефана дю Шато: от металлических ферм к развитию пространственных рам» (PDF) . Архитектус . 4 (40). Польша: 51–64. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2016 г.
↑ Эволюция космических фреймов. Архивировано 19 ноября 2015 г., в Wayback Machine Cities Now.
^ Дороти Харли Эбер, по телефону (29 июня 1978 г.). «Фуллер на Белле» .
^ Отеро К. (1990). «Геометрическое проектирование несферических куполов, аппроксимированных треугольными сетками, с минимальным количеством длин стержней». Докторская диссертация. Университет Кантабрии.
^ Кавиа Соррет (1993).
^ «Проектирование и анализ конструкции пространственного каркаса цилиндрического свода» . www.ijraset.com . Проверено 8 ноября 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Людвигсен и Колин Чепмен , стр. 153–154.
^ https://primotipo.com/2015/07/24/chamberlain-8-by-john-medley-and-mark-bisset/ . «Камергер: австралийская история» Джон Хэзелден
^ Jump up to: ^а ^б ^с Людвигсен, Карл (2010). Колин Чепмен: Внутри новатора . Издательство Хейнс. стр. 150–164. ISBN 1-84425-413-5 .
^ Людвигсен и Колин Чепмен , стр. 151.

[1] «Александр Грэм Белл» . Архивировано из оригинала 26 марта 2003 г.

[2] Александр Грэм Белл (июнь 1903 г.). «Принцип тетраэдра в строении воздушного змея» . Журнал «Нэшнл Географик» . XIV (6).

[3] «Модульные космические сетки» . Архивировано из оригинала 15 сентября 2016 г.

[4] «Система Юнибат» .

[5] Порту, Клаудия Эштрела (2014). «Инновационная структурная концепция в творчестве Стефана дю Шато: от металлических ферм к развитию пространственных рам» (PDF) . Архитектус . 4 (40). Польша: 51–64. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2016 г.

[6] Эволюция космических фреймов. Архивировано 19 ноября 2015 г., в Wayback Machine Cities Now.

[7] Дороти Харли Эбер, по телефону (29 июня 1978 г.). «Фуллер на Белле» .

[ref1-8] Отеро К. (1990). «Геометрическое проектирование несферических куполов, аппроксимированных треугольными сетками, с минимальным количеством длин стержней». Докторская диссертация. Университет Кантабрии.

[ref5-9] Кавиа Соррет (1993).

[10] «Проектирование и анализ конструкции пространственного каркаса цилиндрического свода» . www.ijraset.com . Проверено 8 ноября 2022 г.

[Ludvigsen,_Colin_Chapman,_153-11] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Людвигсен и Колин Чепмен , стр. 153–154.

[12] ttps://primotipo.com/2015/07/24/chamberlain-8-by-john-medley-and-mark-bisset/ . «Камергер: австралийская история» Джон Хэзелден

[Ludvigsen,_Colin_Chapman,_150-13] Jump up to: ^а ^б ^с Людвигсен, Карл (2010). Колин Чепмен: Внутри новатора . Издательство Хейнс. стр. 150–164. ISBN 1-84425-413-5 .

[Ludvigsen,_Colin_Chapman,_151-14] Людвигсен и Колин Чепмен , стр. 151.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

v т и Бакминстер Фуллер
Книги	Девять цепей к Луне (1938) Руководство по эксплуатации космического корабля «Земля» (1968 г.) Критический путь (1981) Димаксион Хронофил
Другой	Дом Димаксиона (1928 г.) Автомобиль Димаксион (1933 г.) Отряд развертывания Dymaxion (1940 г.) Карта Димаксиона (1946 г.) Тенсегрити (1949) Геодезический купол (1953 г.) Всемирная игра (1961) Октетная ферма (1961) Купол глаза мухи (1965) Павильон США Expo 67 (1967)
Связанный	Аллегра Фуллер Снайдер (дочь) Текущий доход от солнечной энергии Синергетика Научная революция в дизайне Наука о дизайне Тенсегрити-сфера Cloud Nine Геоскоп Димаксион Предлагаемый стадион Бруклин Доджерс Золотой купол Проект города Old Man River Р. Бакминстер Фуллер и дом Энн Хьюлетт Доум Эфемерализация Фуллеры Бакминстерфуллерен Бакминстер Фуллер Челлендж Бакминстер Фуллер: Мысли вслух (документальный фильм, 1996 г.) Последний Димаксион: Возвращенная мечта Бакминстера Фуллера (документальный фильм, 2012 г.) Карл Йоханссон Кеннет Снельсон
Категория Коммонс