Prostorový rámeček - Space frame

Střecha této průmyslové budovy je podepřena konstrukcí prostorového rámu.
Pokud na modrý uzel působí síla a červený pruh není přítomen, chování konstrukce zcela závisí na ohybové tuhosti modrého uzlu. Pokud je přítomen červený pruh a ohybová tuhost modrého uzlu je zanedbatelná ve srovnání s přispívající tuhostí červeného pruhu, lze systém vypočítat pomocí matice tuhosti, přičemž se zanedbají úhlové faktory.

v architektura a pozemní stavitelství, a vesmírný rám nebo vesmírná struktura (3D krov) je pevný, lehký, krov struktura podobná stavědlu vzpěry v geometrický vzor. Prostorové rámy lze použít k překlenutí velkých ploch s několika vnitřními podpěrami. Jako krov, prostorový rám je silný kvůli inherentní tuhosti trojúhelníku; protahování zatížení (ohýbání momenty ) jsou přenášeny jako napětí a komprese zatížení po délce každé vzpěry.

Dějiny

Alexander Graham Bell v letech 1898 až 1908 vyvinul vesmírné rámy založené na čtyřboké geometrii.[1][2] Bellův zájem spočíval především v jejich použití k výrobě pevných rámů pro námořní a letecké inženýrství s čtyřboký krov je jedním z jeho vynálezů. Dr. Ing. Max Mengeringhausen vyvinul systém vesmírné mřížky s názvem MERO (zkratka MĚngeringhausen ROhrbauweise) v roce 1943 v Německu, čímž bylo zahájeno používání kosmických vazníků v architektuře.[3] Běžně používaná metoda, která se stále používá, má jednotlivé trubkové členy spojené v uzlových spojích (ve tvaru koule) a variace, jako je systém vesmírné paluby, systém oktetového vazníku a kubický systém. Stéphane de Chateau ve Francii vynalezl třísměrný systém SDC (1957), systém Unibat (1959), Pyramitec (1960).[4][5] K nahrazení jednotlivých sloupců byla vyvinuta metoda podpory stromů.[6] Buckminster Fuller patentoval oktetový krov v roce 1961[7] zatímco se zaměřuje na architektonický struktur.

Metody návrhu

Vesmírné rámy jsou obvykle navrženy pomocí matice tuhosti. Zvláštní charakteristika matice tuhosti v architektonickém prostoru je nezávislost úhlových faktorů. Pokud jsou spoje dostatečně tuhé, lze úhlové výchylky zanedbat, což zjednodušuje výpočty.

Přehled

Zjednodušená vesmírná rámová střecha s polooktaedronem zvýrazněným modře

Nejjednodušší formou prostorového rámu je vodorovná deska vzájemného spojení čtvercové pyramidy a čtyřstěn postaven z hliník nebo trubkovité ocel vzpěry. V mnoha ohledech to vypadá jako horizontální výložník věžového jeřábu, který se mnohokrát opakuje, aby byl širší. Silnější forma se skládá z blokování čtyřstěn ve kterém mají všechny vzpěry jednotkovou délku. Techničtěji se to nazývá izotropní vektorová matice nebo v šířce jedné jednotky oktetový nosník. Složitější varianty mění délky vzpěr tak, aby zakřivily celkovou strukturu, nebo mohou obsahovat jiné geometrické tvary.

Typy

Ve smyslu vesmírného rámce můžeme najít tři systémy, které se mezi nimi jasně liší:[8]

Klasifikace zakřivení

  • Kryty prostorové roviny: Tyto prostorové struktury se skládají z rovinných substruktur. Jejich chování je podobné chování desky, ve které jsou průhyby v rovině směrovány vodorovnými pruhy a smykové síly jsou podporovány úhlopříčkami.[9]
Toto nádraží je podepřeno strukturou valené klenby.
  • Valené trezory: Tento typ trezoru má průřez jednoduchým obloukem. Obvykle tento typ vesmírného rámu nemusí jako součást své podpory používat čtyřboké moduly nebo pyramidy.
  • Sférické dómy a jiné složené křivky obvykle vyžadují použití čtyřbokých modulů nebo pyramid a další podporu kůže.

Klasifikace podle uspořádání jeho prvků

  • Mřížka s jednou vrstvou: Všechny prvky jsou umístěny na povrchu, který má být aproximován.
  • Mřížka dvou vrstev: Prvky jsou uspořádány ve dvou vrstvách navzájem rovnoběžně v určité vzdálenosti od sebe. Každá z vrstev tvoří mřížku trojúhelníků, čtverců nebo šestiúhelníků, ve kterých se může projekce uzlů ve vrstvě vzájemně překrývat nebo je možné je posunout. Diagonální pruhy spojují uzly obou vrstev v různých směrech v prostoru. V tomto typu sítí jsou prvky spojeny do tří skupin: horní kordon, kordon a kordonová spodní úhlopříčka.
  • Třívrstvá mřížka: Prvky jsou umístěny ve třech rovnoběžných vrstvách spojených diagonály. Jsou téměř vždy ploché.

Další příklady klasifikovatelné jako vesmírné rámy jsou tyto:

  • Skládané kovové konstrukce: Vznikly, aby se pokusily vyřešit problémy, které měly jejich protějšky bednění a lití betonu. Typicky běží se svařovaným spojem, ale může zvýšit prefabrikované spoje, což je dělá z nich mezery.
  • Závěsné kryty: vzory na napnutém kabelu, páteři a oblouk trolejového vedení antifunikulární ukazují svou schopnost směrovat síly teoreticky lépe než kterákoli jiná alternativa, mají nekonečné množství možností složení a přizpůsobivosti jakémukoli typu rostlinného krytu nebo zajišťují marnost. Avšak nepřesnosti ve tvaru s naloženým vláknem (ideálně se dynamicky přizpůsobuje stavu nabití) a riziko ohnutí oblouku neočekávaným napětím jsou problémy, které vyžadují předlisovací a předpínací prvky. Ačkoli ve většině případů bývá nejlevnější a technické řešení, které nejlépe vyhovuje akustice a ventilaci krytého krytu, je citlivé na vibrace.
  • Pneumatické struktury: V této skupině lze uvažovat o uzavíracích membránách vystavených tlaku.

Aplikace

  • Průmyslové budovy, továrny
  • Sportovní haly
  • Sklady
  • Bazény
  • Konferenční sály a výstavní centra
  • Stadiony s velkým rozpětím
  • Muzeum a spravedlivé domy
  • Nákupní centra a nákupní centra
  • Letiště a baldachýn
  • Mešita
  • Atrium

Konstrukce

Vesmírné rámy jsou běžným rysem moderní konstrukce budov; často se nacházejí ve velkých rozestupech střech modernista komerční a průmyslové budovy.

Mezi příklady budov založených na vesmírných rámech patří:

Velké přenosné pódia a osvětlení portály jsou také často postaveny z vesmírných rámů a oktetových vazníků.

Vozidla

Rámy Yeoman YA-1 vs CA-6 Wackett.

Letadlo

The CAC CA-6 Wackett a Yeoman YA-1 Cropmaster 250R letadla byla postavena pomocí zhruba stejného svařovaného ocelového trupu rámu.

Auta

Vesmírné rámy se někdy používají v konstrukcích podvozků automobily a motocykly. V prostorovém rámu i podvozku s trubkovým rámem jsou panely zavěšení, motoru a karoserie připojeny ke kosternímu rámu trubek a panely karoserie mají malou nebo žádnou strukturální funkci. Naproti tomu v a unibody nebo monokok konstrukce, tělo slouží jako součást konstrukce.

Trubkové rámové šasi předcházejí prostorovému rámovému šasi a jsou vývojem dřívějších žebříkový podvozek. Výhodou použití trubek oproti předchozím otevřeným kanálům je, že odolávají torzní síly lepší. Některé trubkové podvozky byly o něco více než žebříkové podvozky vyrobené se dvěma trubkami o velkém průměru nebo dokonce s jedinou trubkou jako páteřní podvozek. Ačkoli mnoho trubkových podvozků vyvinulo další trubky a bylo dokonce popsáno jako „vesmírné rámy“, jejich konstrukce byla zřídka správně namáhána jako prostorový rám a chovaly se mechanicky jako trubkový žebříkový podvozek s dalšími konzolami pro podporu připojených komponent, zavěšení, motoru atd. Rozdíl ve skutečném vesmírném rámu spočívá v tom, že všechny síly v každé vzpěře jsou buď tahové nebo tlakové, nikdy se neohýbají.[10] Přestože tyto další trubky nesly nějaké další zatížení, byly zřídka diagonalizovány do pevného vesmírného rámu.[10]

První skutečný podvozek s kosmickým rámem byl vyroben ve třicátých letech 20. století designéry jako Buckminster Fuller a William Bushnell Stout (dále jen Dymaxion a Stout Scarab ), kteří pochopili teorii skutečného vesmírného rámu buď z architektury, nebo z konstrukce letadla.[11]

První závodní auto, které se pokusilo o vesmírný rám, bylo Cisitalia D46 z roku 1946.[11] To používalo dvě trubky s malým průměrem podél každé strany, ale byly od sebe vzdáleny svislými menšími trubkami, a tak nebyly diagonalizovány v žádné rovině. O rok později Porsche navrhlo jejich Typ 360 pro Cisitalia. Protože to zahrnovalo diagonální trubice, lze jej považovat za první skutečný vesmírný snímek.[11]

Rám Jaguar C-Type

Maserati Tipo 61 z roku 1959 (Birdcage) je často považován za první, ale v roce 1949 Dr. Robert Eberan-Eberhorst navrhl Jowett Jupiter vystaven v tom roce Londýnský autosalon; Jowett pokračoval ve třídě vítězstvím v 24 hodin Le Mans v roce 1950. Později, TVR, vyvinuli britští malí výrobci automobilů tento koncept a vyrobili dvoumístný dvoumístný vůz se slitinou na vícetrubkovém podvozku, který se objevil v roce 1949.

Colin Chapman z Lotus představil své první „sériové“ auto, model Marek VI, v roce 1952. To bylo ovlivněno Jaguar C-Type podvozek, další se čtyřmi trubkami dvou různých průměrů, oddělenými užšími trubkami. Chapman zmenšil průměr hlavní trubky u zapalovače Lotus, ale další trubky už nezmenšil, možná proto, že měl za to, že se to kupujícím zdá křehké.[10] Ačkoli byl široce popisován jako vesmírný rám, Lotus nevybudoval skutečný podvozek vesmírného rámu až do Marek VIII, s vlivem dalších konstruktérů, se zkušenostmi z leteckého průmyslu.[10]

Mezi další pozoruhodné příklady vesmírných rámových automobilů patří Audi A8, Audi R8, Ferrari 360, Lamborghini Gallardo, Mercedes-Benz SLS AMG, Pontiac Fiero a Řada Saturn S.

Chilský kitcar předvádí svou strukturu vesmírného rámu (2013).

Velký počet stavebnice, možná většina vyráběná ve Velké Británii, používá konstrukci prostorového rámu, protože výroba v malém množství vyžaduje pouze jednoduchou a levnou přípravky, a pro amatérského designéra je relativně snadné dosáhnout dobré tuhosti s vesmírným rámem. Obecně platí, že vesmírné rámy jsou MIG svařované, i když často používají dražší sady TIG svařování, pomalejší a vysoce kvalifikovaný proces. Mnohé z nich obecně připomínají Lotus Mark VII v obecném obrysu a mechanickém uspořádání, jiné jsou však blízkými replikami AC Cobra nebo italský superauta, ale některé jsou originálními designy, které se nepodobají žádnému jinému vozidlu. Konstruktéři často vynaložili značné úsilí na výrobu skutečných vesmírných rámů, přičemž všechny body významného zatížení byly vyztuženy ve 3 rozměrech, což mělo za následek pevnost a tuhost srovnatelnou nebo lepší než u běžných sériových automobilů. Jiné jsou trubkové rámy, ale ne skutečné vesmírné rámy, protože používají trubky s relativně velkým průměrem, často zakřivené, které nesou ohybová zatížení, ale díky velkému průměru zůstávají dostatečně tuhé. Některé horší designy však nejsou skutečnými vesmírnými rámy, protože trubky nesou značné ohybové zatížení. To bude mít za následek značné ohýbání v důsledku dynamického zatížení a nakonec únava zlomenina, mechanismus selhání, který je ve správně navrženém skutečném vesmírném rámci vzácný. Snížená tuhost také zhorší manipulaci.

Nevýhodou podvozku s prostorovým rámem je to, že obklopuje velkou část pracovního objemu automobilu a může ztěžovat přístup jak pro řidiče, tak pro motor. Některé vesmírné rámy byly navrženy s odnímatelnými částmi spojenými šroubovými čepovými spoji. Taková konstrukce již byla použita kolem motoru motoru Lotus Mark III.[12] I když je to trochu nepohodlné, výhodou prostorového rámu je, že stejný nedostatek ohybových sil v trubkách, který umožňuje jeho modelování jako čepová struktura znamená také, že takový odnímatelný úsek nemusí snižovat pevnost sestaveného rámu.

Moulton Bicycle na Muzeum moderního umění.
2006 Ducati Monster S2R 1000.

Motocykly a jízdní kola

Italský výrobce motorek Ducati na svých modelech ve velké míře využívá rámové rámy.

Vesmírné rámy byly také použity v jízdní kola, například ty, které navrhl Alex Moulton.

Viz také

Reference

  1. ^ "Alexander Graham Bell".
  2. ^ Alexander Graham Bell (červen 1903). „Tetrahedrický princip ve struktuře draka“. Časopis National Geographic. XIV (6).
  3. ^ "Modulární vesmírné mřížky". Archivovány od originál dne 2016-09-15.
  4. ^ „Systém Unibat“.
  5. ^ Cláudia Estrela Porto (2014). „Práce Stéphane de Chateau“ (PDF). Architectus. 4 (40): 51–64.
  6. ^ Vývoj vesmírných rámů Archivováno 19. listopadu 2015, na Wayback Machine Města teď
  7. ^ Dorothy Harley Eber, prostřednictvím telefonu (29. června 1978). „Fuller on Bell“.
  8. ^ Otero C. (1990). „Diseño geométrico de cúpulas no esféricas aproximadas por mallas triangulares, con un número mínimo de longitudes de barra“. Disertační práce Universidad de Cantabria.
  9. ^ Cavia Sorret (1993).
  10. ^ A b C d Ludvigsen & Colin Chapman, str. 153–154
  11. ^ A b C Ludvigsen, Karl (2010). Colin Chapman: Inside the Innovator. Haynes Publishing. 150–164. ISBN  1-84425-413-5.
  12. ^ Ludvigsen & Colin Chapman, str. 151