Пространственная рамка

В архитектуре и строительной инженерии пространственный каркас или пространственная конструкция (3D ферма) представляет собой жесткую, легкую, похожую на ферму конструкцию, построенную из взаимосвязанных распорок по геометрическому рисунку. Пространственные рамы могут использоваться для перекрытия больших площадей с небольшим количеством внутренних опор. Как и ферма, пространственная рама прочна из-за присущей треугольнику жесткости; изгибающие нагрузки (моменты изгиба) передаются в виде нагрузок растяжения и сжатия по длине каждой стойки.

История[править]

Александр Грэм Белл с 1898 по 1908 год разрабатывал космические каркасы, основанные на тетраэдрической геометрии. Белла интересовало прежде всего их использование для изготовления жестких каркасов для морской и авиационной техники, причем четырехгранная ферма была одним из его изобретений. Макс Менгерингхаузен разработал систему пространственных сеток под названием MERO (сокращение от MEngeringhausen ROhrbauweise) в 1943 году в Германии, положив тем самым начало использованию пространственных ферм в архитектуре. Обычно используемый метод, который все еще используется, состоит из отдельных трубчатых элементов, соединенных в узловых соединениях (шарообразной формы), и таких вариаций, как система космической палубы, система ферм октета и кубическая система. Стефан де Шато во Франции изобрел трехнаправленную систему SDC (1957), систему Unibat (1959), Pyramitec (1960). Для замены отдельных колонн был разработан метод деревянных опор. Бакминстер Фуллер запатентовал ферменную конструкцию octet (патент США 2 986 241) в 1961 году, уделяя особое внимание архитектурным сооружениям.

Методы проектирования[править]

Пространственные рамы обычно проектируются с использованием матрицы жесткости. Особой характеристикой матрицы жесткости в архитектурном пространственном каркасе является независимость от угловых факторов. Если соединения достаточно жесткие, угловыми прогибами можно пренебречь, что упрощает расчеты.

Обзор[править]

Упрощенная крыша пространственной рамы с полуоктаэдром, выделенным синим цветом

Простейшей формой пространственной рамы является горизонтальная плита из взаимосвязанных квадратных пирамид и тетраэдров, построенных из алюминиевых или трубчатых стальных стоек. Во многих отношениях это похоже на горизонтальную стрелу башенного крана, повторенную много раз, чтобы сделать ее шире. Более прочная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдров, в которых все распорки имеют единичную длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или фермой октетной ширины в единице. Более сложные варианты изменяют длину стоек для придания изгиба общей конструкции или могут включать другие геометрические формы.

Типы[править]

В значении пространственной структуры мы можем найти три системы, явно отличающиеся между собой:

Классификация кривизны[править]

Покрытия пространственной плоскости: Эти пространственные структуры состоят из плоских подструктур. Их поведение аналогично поведению пластины, в которой отклонения в плоскости передаются через горизонтальные стержни, а силы сдвига поддерживаются диагоналями.

Бочкообразные своды: Этот тип свода имеет поперечное сечение простой арки. Обычно для пространственных рам такого типа не требуется использовать четырехгранные модули или пирамиды в качестве основы. Секционный свод типа "бочонок" организован в соответствии с IS: 800-2007, и оценка выполняется в основном с использованием STAAD. Эта работа выявляет оценки моделей по дальности действия, предельному перенаправлению, собственному весу и стоимости.[10] Сферические купола и другие составные изгибы обычно требуют использования четырехгранных модулей или пирамид и дополнительной поддержки из обшивки. Классификация по расположению ее элементов

Однослойная сетка: все элементы расположены на поверхности, подлежащей аппроксимации.

Двухслойная сетка: Элементы организованы в два слоя, параллельных 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 быть смещены относительно друг друга. Диагональные полосы соединяют узлы обоих слоев в разных направлениях в пространстве. В сетках этого типа элементы объединены в три группы: верхний кордон, кордон и нижняя диагональ кордона.
Трехслойная сетка: Элементы размещены в трех параллельных слоях, соединенных диагоналями. Они почти всегда плоские.
Другими примерами, классифицируемыми как пространственные фреймы, являются следующие:

Гофрированные металлические конструкции: появились в попытке решить проблемы, с которыми сталкивались аналоги опалубки и заливки бетона. Обычно выполняется со сварным соединением, но могут быть выполнены сборные соединения, что делает их пространственными сетками.

Подвесные покрытия: Конструкции на натянутом канате, позвоночнике и контактной арке противофуникулера демонстрируют свою способность направлять силы теоретически лучше, чем любая другая альтернатива, обладают бесконечным спектром возможностей по составу и адаптируемости к любому типу растительного покрова или обеспечивают тщетность. Однако неточности в форме нагруженной нити (идеально динамически адаптирующейся к состоянию заряда) и риск изгиба дуги при неожиданных нагрузках являются проблемами, требующими предварительного сжатия и элементов предварительного напряжения. Хотя в большинстве случаев, как правило, это самое дешевое и техническое решение, которое наилучшим образом соответствует акустике и вентиляции закрытого корпуса, подвержены вибрации.
Пневматические конструкции: К этой группе можно отнести запорные мембраны, находящиеся в состоянии повышенного давления.

Приложения[править]

Промышленные здания, Фабрика

Спортивный зал

Склад

Плавательный бассейн

Конференц-залы и Выставочный центр Стадионы с большим расстоянием пролета

Музей и ярмарочные дома

Торговые центры и malls Аэропорт и навес Атриум (архитектура)

Конструкция[править]

Пространственные каркасы являются распространенной чертой в строительстве современных зданий; они часто встречаются в больших пролетах крыш в модернистских коммерческих и промышленных зданиях.

Примеры зданий, основанных на пространственных каркасах, включают:

Аэропорт Станстед, по Приемная семья + партнеры

Башня Банка Китая и Луврская пирамида, по И. М. Пей

Центр Роджерса Автор: Род Робби и Майкл Аллан

Маккормик Плейс Ист в Чикаго

Арена-дас-Дунас в Натале, Бразилия, Густонаселенный Проект Eden в Корнуолле, Англия

Глобен, Швеция - Купол диаметром 110 м, (1989)

Биосфера 2, Джон П. Аллен, Фил Хейз, Питер Джон Пирс из Oracle, Аризона Джейкоб К. Конференц-центр Джавитса, Город Нью-Йорк, Нью-Йорк

Дворец Святого Жорди в Барселоне, Испания, Арата Исодзаки

Международный аэропорт Сочи в Сочи, Россия Вход на волшебную гору Шести флагов

Тайваньский международный аэропорт Таоюань, терминал 2

Харбинский оперный театр в Китае Ма Янсон Центр Хедьяра Алиева в Азербайджане Захи Хадид Большие переносные сцены и порталы освещения также часто строятся из пространственных рам и восьмиугольных ферм.

Автомобили[править]

Воздушное судно[править]

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

Автомобили[править]

Пространственные рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов. Как в пространственной раме, так и в шасси с трубчатой рамой подвеска, двигатель и кузовные панели прикреплены к каркасной раме из труб, и кузовные панели практически не выполняют конструктивных функций. В отличие от этого, в конструкции цельного кузова или монокока кузов служит частью конструкции.

Шасси с трубчатой рамой предшествовало шасси с пространственной рамой и является развитием более раннего лестничного шасси. Преимущество использования труб вместо предыдущих открытых швеллерных секций заключается в том, что они лучше противостоят крутильным силам. Некоторые трубчатые шасси представляли собой нечто большее, чем лестничное шасси, изготовленное из двух труб большого диаметра или даже из одной трубы в качестве магистрального шасси. Хотя многие трубчатые шасси имели дополнительные трубы и даже были описаны 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 настоящей пространственной рамы в том, что все силы в каждой стойке являются либо растягивающими, либо сжимающими, но никогда не изгибающими. Хотя эти дополнительные трубы действительно несли некоторую дополнительную нагрузку, они редко устанавливались по диагонали в жесткую пространственную раму.

Более ранним претендентом на первое шасси true space frame был автомобиль Chamberlain 8 race "special", построенный братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. Другие приписывают автомобили, выпущенные в 1930-х годах такими дизайнерами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стаут (Dymaxion и Stout Scarab), которые поняли теорию настоящей космической рамы из архитектуры или дизайна самолета.

После Второй мировой войны была предпринята попытка построить пространственную раму гоночного автомобиля Cisitalia D46 1946 года выпуска. В ней использовались две трубы малого диаметра вдоль каждой стороны, но они были разделены вертикальными трубами меньшего размера и поэтому не были расположены по диагонали ни в одной плоскости. Год спустя Porsche разработала свой Type 360 для Cisitalia. Поскольку она включала диагональные трубы, ее можно считать настоящей пространственной рамой и, возможно, первой конструкцией со среднемоторным задним расположением двигателя

Maserati Tipo 61 1959 года выпуска (Birdcage) часто считается первым, но в 1949 году Роберт Эберан фон Эберхорст спроектировал Jowett Jupiter, представленный в том году на Лондонском автосалоне; Jowett одержал классную победу в 1950 году в гонке "24 часа Ле-Мана". Позже, TVR, небольшие британские производители автомобилей разработали концепцию и выпустили 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 это повлияло шасси Jaguar C-Type, еще одно с четырьмя трубками двух разных диаметров, разделенными более узкими трубками. Чепмен уменьшил диаметр основной трубки для более легкого Lotus, но не стал дополнительно уменьшать диаметр второстепенных трубок, возможно, потому, что посчитал, что это покажется покупателям ненадежным.[11] Несмотря на то, что Lotus широко описывается как космическая рама, по-настоящему космическое каркасное шасси Lotus не создавала до Mark VIII, под влиянием других конструкторов, имеющих опыт работы в авиационной промышленности

Большое количество кит-каров, возможно, большинство произведенных в Великобритании, используют конструкцию с пространственной рамой, потому что для изготовления в небольшом количестве требуются только простые и недорогие приспособления, и дизайнеру-любителю относительно легко добиться хорошей жесткости с помощью пространственной рамы. Как правило, космические рамы свариваются MIG, хотя в более дорогих комплектах часто используется сварка TIG, более медленный и высококвалифицированный процесс. Многие из них напоминают Lotus Seven по общим очертаниям и механической компоновке, однако другие являются близкими копиями AC Cobra или итальянских суперкаров, но некоторые представляют собой оригинальные конструкции, не похожие ни на какие другие транспортные средства. Часто конструкторы прилагали значительные усилия для создания настоящих пространственных рам, со всеми точками значительной нагрузки, расположенными в трех измерениях, что обеспечивало прочность и жесткость, сравнимые с типичными серийными автомобилями или превосходящие их. Другие являются трубчатыми рамами, но не настоящими пространственными рамами, потому что в них используются трубы относительно большого диаметра, часто изогнутые, которые выдерживают нагрузки на изгиб, но из-за большого диаметра остаются достаточно жесткими. Однако некоторые конструкции низкого качества не являются настоящими пространственными рамами, поскольку трубы выдерживают значительные нагрузки на изгиб. Это приведет к значительному изгибу из-за динамических нагрузок и, в конечном счете, к усталостному излому, механизму разрушения, который редко встречается в правильно спроектированной настоящей космической раме. Уменьшенная жесткость также ухудшит управляемость.

Недостатком шасси с пространственной рамой является то, что оно занимает большую часть рабочего объема автомобиля и может затруднить доступ как водителю, так и к двигателю. Некоторые пространственные рамы были спроектированы со съемными секциями, соединенными болтовыми соединениями. Такая конструкция уже использовалась вокруг двигателя Lotus Mark III. Несмотря на некоторые неудобства, преимуществом пространственной рамы является то, что то же самое отсутствие изгибающих сил в трубах, которые позволяют моделировать ее как конструкцию, соединенную штифтами, также означает, что такая съемная секция не должна снижать прочность собранной рамы.