Prostorový rámeček - Space frame

Střecha této průmyslové budovy je podepřena prostorovou rámovou konstrukcí.
Pokud na modrý uzel působí síla a červený pruh není k dispozici, chování struktury zcela závisí na tuhosti ohybu modrého uzlu. Pokud je přítomen červený pruh a ohybová tuhost modrého uzlu je zanedbatelná ve srovnání s přispívající tuhostí červeného pruhu, systém lze vypočítat pomocí matice tuhosti, přičemž se zanedbávají úhlové faktory.

V architektuře a stavebním inženýrství je prostorový rám nebo vesmírná struktura (3D příhradový nosník) tuhá, lehká, příhradová konstrukce postavená ze vzájemně propojených vzpěr v geometrickém vzoru . Prostorové rámy lze použít k pokrytí velkých ploch s několika vnitřními podpěrami. Stejně jako krov je prostorový rám silný díky inherentní tuhosti trojúhelníku; protahování zatížení (ohybové momenty ), jsou přenášeny jako napětí a kompresní zatížení po celé délce každé vzpěry.

Dějiny

Alexander Graham Bell v letech 1898 až 1908 vyvinul vesmírné rámce založené na čtyřboké geometrii. Bellův zájem spočíval především v jejich použití k výrobě pevných rámů pro námořní a letecké inženýrství, přičemž jedním z jeho vynálezů byl čtyřboký vazník . Dr. Ing. Max Mengeringhausen vyvinul v roce 1943 v Německu systém vesmírné mřížky nazvaný MERO (zkratka ME ngeringhausen RO hrbauweise ), čímž zahájil používání vesmírných vazníků v architektuře. Běžně používaná metoda, která se stále používá, má jednotlivé trubkové členy spojené v uzlových spojích (ve tvaru koule) a variace, jako je systém kosmické paluby, systém oktetových vazníků a krychlový systém. Stéphane de Chateau ve Francii vynalezl Tridirectional SDC system (1957), Unibat system (1959), Pyramitec (1960). Pro nahrazení jednotlivých sloupců byla vyvinuta metoda stromových podpěr. Buckminster Fuller si v roce 1961 nechal patentovat krov oktetů se zaměřením na architektonické struktury.

Metody návrhu

Prostorové rámce jsou obvykle navrženy pomocí matice tuhosti . Zvláštní charakteristikou 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 polovičním osmistěnem zvýrazněným modře

Nejjednodušší formou vesmírného rámu je vodorovná deska propletených čtvercových pyramid a čtyřstěnů postavených z hliníkových nebo trubkových ocelových vzpěr. V mnoha ohledech to vypadá, jako by se horizontální výložník věžového jeřábu mnohokrát opakoval, aby byl širší. Silnější forma se skládá ze vzájemně se prolínajících čtyřstěnů, ve kterých mají všechny vzpěry jednotkovou délku. Technicky je to označováno jako izotropní vektorová matice nebo v jedné jednotkové šířce oktetový vazník. Složitější varianty mění délky vzpěr tak, aby zakřivily celkovou strukturu, nebo mohou zahrnovat jiné geometrické tvary.

Typy

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

Klasifikace zakřivení

  • Kryty vesmírných letadel: Tyto prostorové struktury se skládají z rovinných substruktur. Jejich chování je podobné chování desky, ve které jsou průhyby v rovině směrovány přes vodorovné tyče a smykové síly jsou podporovány diagonály.
Tato železniční stanice je podporována strukturou valené klenby.
  • Valené klenby: Tento typ klenby má průřez jednoduchým obloukem. Obvykle tento typ vesmírného rámce nepotřebuje jako součást své podpory použít tetraedrické moduly nebo pyramidy.
  • Sférické kopule a další složené křivky obvykle vyžadují použití tetraedrických modulů nebo pyramid a další podporu kůže.

Klasifikace podle uspořádání jeho prvků

  • Jednovrstvá mřížka: Všechny prvky jsou umístěny na povrchu, který má být aproximován.
  • Dvojvrstvá mřížka: Prvky jsou uspořádány do dvou vrstev paralelně k sobě v určité vzdálenosti od sebe. Každá z vrstev tvoří mřížku trojúhelníků, čtverců nebo šestiúhelníků, ve kterých se projekce uzlů ve vrstvě může vzájemně překrývat nebo být posunuta. 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 kordon dolní diagonála.
  • Trojvrstvá mřížka: Prvky jsou umístěny ve třech rovnoběžných vrstvách spojených diagonálemi. Jsou téměř vždy ploché.

Dalšími příklady klasifikovatelnými jako vesmírné rámce jsou tyto:

  • Skládané kovové konstrukce: objevily se, aby se pokusily vyřešit problémy, které bednění a lití betonu měly své protějšky. Obvykle běží se svařovaným spojem, ale může zvýšit prefabrikované spoje, což z nich činí prostorová oka.
  • Závěsné kryty: Vzory na napnutém kabelu, páteři a antifunikulárním oblouku trolejového vedení ukazují jejich schopnost přenášet síly teoreticky lépe než jakákoli jiná alternativa, mají nekonečnou škálu možností složení a přizpůsobivosti jakémukoli typu rostlinného krytu nebo zajišťují marnost. Avšak nepřesnosti ve tvaru mající nabitý pramen (ideálně se dynamicky přizpůsobuje stavu nabití) a riziko ohnutí oblouku na neočekávaná napětí jsou problémy, které vyžadují prvky předtlakové a předpínací. Ačkoli ve většině případů bývají nejlevnější a technické řešení, které nejlépe odpovídá 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 velkou vzdáleností
  • Muzeum a výstaviště
  • Nákupní centra a nákupní centra
  • Letiště a baldachýn
  • Atrium

Konstrukce

Prostorové rámy jsou běžným rysem moderní stavby budov; často se nacházejí ve velkých střechách v modernistických komerčních a průmyslových budovách.

Mezi příklady budov založených na vesmírných rámcích patří:

Velké přenosné pódia a osvětlovací portály jsou také často stavěny z vesmírných rámů a oktetových vazníků.

Vozidla

Rámy Yeoman YA-1 vs CA-6 Wackett.

Letadlo

CAC CA-6 Wackett a Yeoman YA-1 Cropmaster 250R letadla byla postavena na zhruba stejné svařovaných ocelových trubek trupu rám.

Auta

Prostorové rámy se někdy používají při konstrukci podvozku automobilů a motocyklů . Jak v prostorovém rámu, tak v podvozku trubkového rámu jsou panely zavěšení, motoru a karoserie připevněny ke kosternímu rámu z trubek a panely karoserie mají malou nebo žádnou konstrukční funkci. Naproti tomu v unibody nebo monokokovém designu slouží tělo jako součást struktury.

Trubkové rámové podvozky zastaraly podvozky s kosmickým rámem a jsou vývojem dřívějšího žebříkového podvozku . Výhodou použití trubek namísto předchozích otevřených sekcí kanálu je, že lépe odolávají torzním silám. Některé podvozky trubek byly o něco více než šasi žebříku vyrobené ze dvou trubek velkého průměru nebo dokonce z jedné trubky jako páteřního podvozku . Ačkoli mnoho trubkových podvozků vyvinulo přídavné trubky a byly dokonce popisovány jako „vesmírné rámy“, jejich konstrukce byla jen zřídka správně zdůrazněna jako prostorový rám a chovaly se mechanicky jako podvozek trubkového žebříku s dalšími konzolami pro podporu připojených komponent, zavěšení, motoru atd. . Skutečný prostorový rámec se vyznačuje tím, že všechny síly v každé vzpěře jsou buď tahové nebo stlačovací, nikdy se neohýbají. Ačkoli tyto dodatečné trubky nesly nějaké další zatížení, byly zřídka diagonalizovány do tuhého vesmírného rámu.

Dřívější uchazeč o první skutečný podvozek s kosmickým rámem je jednorázový „speciál“ závodu Chamberlain 8 postavený bratry Bobem a Billem Chamberlainovými v australském Melbourne v roce 1929. Jiní připisují vozidla vyrobená ve 30. letech 20. století designéry jako Buckminster Fuller a William Bushnell Stout ( Dymaxion a Stout Scarab ), kteří pochopili teorii skutečného vesmírného rámce buď z architektury, nebo z návrhu letadla.

Pokusem postavit vesmírný rámeček po 2. světové válce byl Cisitalia D46 z roku 1946. To používalo dvě trubky o malém průměru podél každé strany, ale byly od sebe vzdáleny svislými menšími trubkami, a tak nebyly diagonalizovány v žádné rovině. O rok později navrhl Porsche svůj typ 360 pro Cisitalia . Vzhledem k tomu, že to zahrnovalo diagonální trubice, lze to považovat za skutečný prostorový rám a pravděpodobně za první konstrukci se středním zadním motorem.

Rám Jaguar C-Type

Maserati Tipo 61 z roku 1959 (Birdcage) je často považováno za první, ale v roce 1949 navrhl Dr. Robert Eberan-Eberhorst Jowett Jupiter vystavený na letošním londýnském autosalonu ; Jowett pokračoval vyhrát třídu v Le Mans 1950 24h. Později TVR , malí britští výrobci automobilů tento koncept vyvinuli a vyrobili dvousedadlové těleso ze slitiny na více trubkovém podvozku, který se objevil v roce 1949.

Colin Chapman z Lotusu představil svůj první 'produkční' vůz, Mark VI , v roce 1952. To bylo ovlivněno podvozkem Jaguar C-Type , dalším se čtyřmi trubkami dvou různých průměrů, oddělenými užšími trubkami. Chapman u lehčího Lotusu zmenšil průměr hlavní trubky, ale menší trubice už dále nezmenšil, možná proto, že usoudil, že kupujícím to bude připadat chatrné. Ačkoli je Lotus široce popisován jako vesmírný rám, nepostavil skutečný podvozek vesmírného rámu až do Marka VIII , s vlivem jiných konstruktérů, se zkušenostmi z leteckého průmyslu.

Chilský kitcar předvádí svou strukturu vesmírného rámu (2013).

Velké množství stavebnicových vozů , možná většina vyrobených ve Velké Británii, používá konstrukci vesmírných rámů, protože výroba v malém množství vyžaduje pouze jednoduché a levné přípravky a pro amatérského designéra je relativně snadné dosáhnout dobré tuhosti s prostorovým rámem. Vesmírné rámy jsou obecně svařovány metodou MIG , ačkoli dražší soupravy často používají svařování TIG , pomalejší a vysoce kvalifikovaný proces. Mnoho z nich připomíná Lotus Mark VII v obecném obrysu a mechanickém rozložení, jiné jsou však blízkými replikami AC Cobra nebo italských superaut , ale některé jsou originálním designem, který se podobá žádnému jinému vozidlu. Konstruktéři často vynaložili značné úsilí na výrobu skutečných prostorových rámů, přičemž všechny body značného zatížení byly uloženy ve 3 rozměrech, což mělo za následek pevnost a tuhost srovnatelnou nebo lepší než u běžných sériových automobilů. Jiní jsou trubkové rámy, ale ne skutečné prostorové rámy, protože používají trubky relativně velkého průměru, často zakřivené, které nesou ohybové zatížení, ale vzhledem k velkému průměru zůstávají dostatečně tuhé. Některé podřadné konstrukce však nejsou skutečnými prostorovými rámy, protože trubky nesou značné ohybové zatížení. To bude mít za následek značné ohýbání v důsledku dynamických zatížení a nakonec únavovou zlomeninu, mechanismus selhání, který je u správně navrženého skutečného prostorového rámce vzácný. Snížená tuhost také zhorší ovladatelnost.

Nevýhodou podvozku s kosmickým rámem je, že uzavírá velkou část pracovního objemu vozu a může ztížit přístup jak řidiči, tak motoru. Některé vesmírné rámy byly navrženy s odnímatelnými částmi spojenými šroubovými čepovými spoji. Taková struktura již byla použita kolem motoru Lotus Mark III . I když je to poněkud nepohodlné, výhodou prostorového rámu je, že stejný nedostatek ohybových sil v trubkách, které umožňují jeho modelování jako struktura spojovaná čepem, také znamená, že takový odnímatelný úsek nemusí snižovat pevnost sestaveného rámu.

Jízdní kolo Moulton v Muzeu moderního umění .
2006 Ducati Monster S2R 1000.

Motocykly a jízdní kola

Italský výrobce motocyklů Ducati ve svých modelech hojně využívá podvozky s trubkovým rámem.

Prostorové rámy byly také použity v jízdních kolech , například těch, které navrhl Alex Moulton .

Viz také

Reference