W architekturze i inżynierii budowlanej , A rama przestrzeni lub struktury przestrzennej lub siatkowej struktury jest kratownica , lekkie i sztywne, wykonana z rozporkami sczepione z geometrycznego wzoru .
Struktury przestrzenne mogą być używane do pokrywania dużych obszarów z niewielkim podparciem wewnętrznym. Podobnie jak belka , struktura przestrzenna jest silna ze względu na naturalną sztywność trójkąta; Siły zginające (momenty zginające) są przenoszone jako siły rozciągające i ściskające wzdłuż długości każdego ramienia.
Alexander Graham Bell opracował w latach 1898–1908 struktury przestrzenne oparte na geometrii czworościennej. Starał się wykorzystać je do budowy sztywnych ram dla inżynierii morskiej i lotniczej, a czworościenna belka była jednym z jego wynalazków. D Dr inż. Max Mengeringhausen opracował system siatki kosmicznej o nazwie MERO (akronim od ME ngeringhausen RO hrbauweise ) w 1943 roku w Niemczech, inicjując w ten sposób wykorzystanie belek kosmicznych w architekturze. Powszechnie stosowana metoda łączy poszczególne pręty rurowe z węzłami (w kształcie kuli). Stéphane du Château we Francji wynalazł trójkierunkowy system SDC (1957), system Unibat (1959) i Pyramitec (1960). Opracowano metodę podparcia drzewa, aby zastąpić poszczególne kolumny. Buckminster Fuller opatentował belkę oktetową w 1961 roku, koncentrując się na strukturach architektonicznych .
Struktury przestrzenne są zwykle projektowane przy użyciu macierzy sztywności. Jego główną cechą charakterystyczną w konstrukcji architektonicznej jest niezależność od kątów. Jeśli połączenia są wystarczająco sztywne, można pominąć odchylenia kątowe, co upraszcza obliczenia.
Najprostszą formą konstrukcji przestrzennej jest pozioma płyta z kwadratowych piramid i czworościanów zbudowana z rurowych aluminiowych lub stalowych rozpórek . Wygląda na to, że poziomy wysięgnik żurawia wieżowego powtarzał się wiele razy, aby go poszerzyć. Silniejsza forma składa się z zespołu czworościanów, w którym wszystkie rozpórki mają jedną długość. Jest to izotropowa macierz wektorowa lub pojedyncza wiązka bajtowa o szerokości pojedynczej jednostki. Bardziej złożone warianty zmieniają długość nóg, aby wygiąć całą konstrukcję lub zastosować inne kształty geometryczne.
Możemy znaleźć trzy wyraźnie różne układy struktury przestrzennej:
Klasyfikacja według krzywizny
Klasyfikacja według rozmieszczenia elementów
Inne przykłady struktury przestrzennej:
Konstrukcje pneumatyczne
W których membrana zamykająca jest pod ciśnieniem, konstrukcję można rozpatrywać w tej grupie.
Struktury przestrzenne są powszechne w nowoczesnym budownictwie; często spotyka się je w modernistycznych budynkach handlowych i przemysłowych z dużymi dachami.
Przykłady budynków opartych na konstrukcjach przestrzennych:
Duże przenośne sceny i lekkie portyki są często budowane ze struktur przestrzennych i belek bajtowych.
CAC CA-6 Wackett i Yeoman YA-1 Cropmaster 250R samolotów zbudowany z w przybliżeniu taką samą spawana rura stalowa kadłuba.
SamochodyKonstrukcje kosmiczne są czasami używane w podwoziach samochodów i motocykli . W podwoziu o konstrukcji przestrzennej i podwoziu z ramą rurową zawieszenie, silnik i panele nadwozia są przymocowane do szkieletu rurowego, a panele nadwozia mają niewielką lub żadną funkcję konstrukcyjną. Natomiast w konstrukcji jednoczęściowej korpus jest integralną częścią konstrukcji.
Rurowe ramy ramowe są starsze niż przestrzenne ramy ramowe i są rozwinięciem wczesnych ram drabinowych. Zaletą stosowania rur zamiast przekrojów kwadratowych lub prostokątnych jest to, że są one bardziej odporne na siły skręcające . Niektóre ramy rurowe były niewiele więcej niż ramą drabinkową wykonaną z dwóch rur o dużej średnicy lub nawet pojedynczej rury jako ramy środkowej . Chociaż wiele ram rurowych było wzmocnionych innymi rurami, a nawet opisywano je jako „ramy przestrzenne”, ich konstrukcja rzadko była wykonywana jako rama ramy przestrzennej i zachowują się mechanicznie jak rama drabiny, z dodatkowymi wspornikami do łączenia zawieszenia, silnika itp. To, co wyróżnia prawdziwe podwozie o strukturze przestrzennej, to fakt, że wszystkie siły w każdej nodze są albo rozciągane, albo ściskane , ale nigdy zginane. Chociaż niektóre z tych rur przenoszą dodatkowe obciążenia, rzadko były one przekątne w ramę o sztywnej strukturze przestrzennej.
Pierwsze prawdziwie kosmiczne podwozie zostało wyprodukowane w latach trzydziestych XX wieku przez projektantów, takich jak Buckminster Fuller i William Bushnell Stout (Dymaxion i Stout Scarab ), którzy zrozumieli teorię prawdziwego podwozia o strukturze kosmicznej, z architektury lub rysunku samolotu.
Pierwszym samochodem wyścigowym, który spróbował podwozia z ramą kosmiczną, była Cisitalia D46 z 1946 r. Używała ona dwóch rur o małej średnicy wzdłuż każdej strony, oddzielonych pionowo małymi rurkami, a zatem nie były ukośne w żadnym planie. Rok później Porsche stworzyło Type 360 dla Cisitalii . Ponieważ zawierał ukośne rury, można go uznać za pierwsze prawdziwe podwozie z ramą kosmiczną w samochodzie.
Maserati Tipo 61, 1959 (birdcage) jest często uważany za pierwszy rama samochód w strukturze przestrzennej, ale w 1949 roku D R Robert Eberan-Eberhorst zaprojektował Jowett Jupitera, prezentowane na wystawie w Londynie w 1949 i wygrywając klasę zwycięstwo w 24-godzinny wyścig Le Mans w 1950 r. Później mali brytyjscy producenci samochodów opracowali koncepcję TVR, produkując dwumiejscowe nadwozie ze stopu metali lekkich na wielorurowym podwoziu, które pojawiło się w 1949 r.
Colin Chapman z Lotus przedstawił swój pierwszy samochód „produkcyjny”, Mark VI, w 1952 roku. Wpływ na to miało podwozie Jaguara C-Type , z czterema rurami o dwóch różnych średnicach, oddzielonymi węższymi rurkami. Chapman zmniejszył średnicę rur dla lżejszych Lotosów, ale nie zmniejszył mniejszych rur, być może dlatego, że uważał je za delikatne dla kupujących. Chociaż Lotus jest szeroko opisywany jako podwozie o strukturze kosmicznej, Lotus nie zbudował prawdziwego podwozia o strukturze kosmicznej aż do modelu Mark VIII, pod wpływem innych projektantów z doświadczeniem w przemyśle lotniczym.
Inne godne uwagi przykłady samochodów z podwoziem o strukturze przestrzennej to Audi R8 , Ferrari 360 , Lamborghini Gallardo , Mercedes-Benz SLS AMG , Pontiac Fiero i Saturn S-Series .
Duża liczba zestawów samochodowych wykorzystuje konstrukcję struktury przestrzennej, ponieważ produkcja małych ilości wymaga jedynie prostych i niedrogich przyrządów , a projektant-amator stosunkowo łatwo jest uzyskać dobrą sztywność przy strukturze przestrzennej. Ramy te są zwykle spawane metodą MIG , chociaż te droższe często wykorzystują spoiny TIG , co jest wolniejszym i bardziej wymagającym procesem. Wiele z nich wygląda jak Lotus Mark VII, inne są bliskie replikom AC Cobra lub włoskim supersamochodom , a niektóre są oryginalnymi kreacjami niepodobnymi do żadnego innego pojazdu. Często projektanci dołożyli znacznych starań, aby wyprodukować podwozie o prawdziwej strukturze przestrzennej ze wszystkimi głównymi punktami obciążenia ustawionymi w 3 wymiarach, co skutkowało wytrzymałością i sztywnością porównywalną lub większą niż w samochodach produkcyjnych. Pozostałe to ramy rurowe, a nie prawdziwe struktury przestrzenne, ponieważ używają rur o stosunkowo dużej średnicy, często zakrzywionych, które przenoszą różne obciążenia, ale pozostają wystarczająco sztywne ze względu na ich dużą średnicę. Jednak niektóre projekty o niższej jakości nie są prawdziwymi strukturami przestrzennymi, ponieważ rury przenoszą znaczne obciążenia zginające. Spowoduje to duże zginanie spowodowane siłami dynamicznymi, a ostatecznie pęknięcie zmęczeniowe , mechanizm uszkodzenia, który jest rzadki w prawidłowo zaprojektowanej rzeczywistej strukturze przestrzennej. Zmniejszenie sztywności również niekorzystnie wpłynie na prowadzenie.
Wadą podwozia o konstrukcji przestrzennej jest to, że obejmuje on dużą przestrzeń samochodu i utrudnia dostęp kierowcy i silnika. Niektóre ramy przestrzenne zostały zaprojektowane z wyjmowanymi sekcjami, przymocowanymi za pomocą połączeń śrubowych. Taka konstrukcja została już zastosowana wokół silnika Lotus Mark III. Chociaż jest to trochę niewygodne, zaletą podwozia o strukturze przestrzennej jest to, że ten sam brak sił zginających w rurach, który pozwala na modelowanie go jako kratownicy, oznacza również, że ta zdejmowana część nie zmniejszy wytrzymałości zmontowanego podwozia.
Motocykle i roweryWłoski motocykl Ducati w swoich modelach intensywnie wykorzystuje podwozie rurowe.
Konstrukcje kosmiczne były również wykorzystywane w rowerach , na przykład zaprojektowane przez Alexa Moultona .