Кіріспе
Қатты үш өлшемді жүк көтергіш торлы құрылым
Сәулет және құрылыс инженериясында кеңістіктік қаңқа немесе кеңістіктік құрылым (3D тор) – геометриялық үлгіде бір-бірімен байланысқан қабырғалардан құралған қатаң, жеңіл, тор тәрізді құрылым. Кеңістіктік қаңқалар ішкі тіректері аз, үлкен аумақтарды жабу үшін қолданылады. Тор сияқты, кеңістіктік қаңқа үшбұрыштың өзіндік қатаңдығы арқасында берік болады; иілгіш жүктемелер (бұрылу моменттері) әр қабырғаның бойымен керілу және қысылу жүктемелері түрінде таратылады. Басты қолданылу салалары – ғимараттар және көлік құралдары.
Тарих
Александр Грэм Белл 1898-1908 жылдары тетраэдрлік геометрияға негізделген кеңістіктік қаңқаларды жасады. Беллдің қызығушылығы негізінен оларды тетраэдрлік фермасы – оның өнертабыстарының бірі – теңіз және авиациялық инженерия үшін берік қаңқалар жасауға пайдалану болды. Макс Менгерингхаузен 1943 жылы Германияда MERO (MEngeringhausen ROhrbauweise аббревиатурасы) деп аталатын кеңістіктік тор жүйесін әзірледі, осылайша сәулетте кеңістіктік фермаларды қолдануды бастады. Көбінесе қолданылатын әдіс әлі де қолданылуда, ол жеке түтікшелі элементтерді түйін буындарымен (доп пішіндес) қосуды және кеңістіктік дек жүйесі, октет фермасы жүйесі және кубтық жүйе сияқты түрленулерді қамтиды. Франциялық Стефан де Шато 1957 жылы үш бағытты SDC жүйесін, 1959 жылы Unibat жүйесін, 1960 жылы Pyramitec жүйесін ойлап тапты. Жеке бағаналарды алмастыру үшін ағаш тіректерінен тұратын әдіс әзірленді. Бакминстер Фуллер 1961 жылы архитектуралық құрылымдарға назар аударғанда октет фермасына патент алды. 1980 жылғы Гилманның тетраэдрлік фермасын Джон Дж. Гилман жасады; ол кристалдық қатты денелердің молекулалық матрицалары бойынша жұмысымен танымал материалтанушы ғалым. Гилман Бакминстер Фуллердің архитектуралық фермаларының жанкүйері болды және бір-біріне қатысты тетраэдрлік түйіндердің орналасуын бұру арқылы күшті матрицаны жасады.
Құрылыс әдістері
Ғарыш жақтаулары әдетте қаттылық матрицасы қолданылып жобаланады. Архитектуралық кеңістіктегі жақтаудың қаттылық матрицасының ерекше қасиеті – бұрыштық коэффициенттердің тәуелсіздігі. Егер түйіндер жеткілікті түрде қатты болса, бұрыштық иілулерді ескермеуге болады, бұл есептеулерді жеңілдетеді.
Шолу
Ғарыш қаңқасының ең қарапайым түрі – алюминий немесе құбырлы болаттан жасалған біріктірілген төртбұрышты пирамидалар мен тетраэдрлерден құралған көлденең плита. Көп жағынан бұл, енін кеңейту үшін бірнеше рет қайталанатын мұнаралық кранның көлденең иірмесіндей көрінеді. Одан да мықты түрі – барлық тіректері бірдей ұзындықтағы тетраэдрлерден құралған қаңқа. Техникалық жағынан мұндай конструкция изотропты векторлық матрица немесе бірлік ені бойынша октеттік ферма деп аталады. Күрделірек нұсқалары жалпы құрылымды иіс әкелу үшін тіректердің ұзындығын өзгерте алады немесе басқа геометриялық пішіндерді қосады.
Ұшақ
CAC CA 6 Wackett және Yeoman YA 1 Cropmaster 250R ұшақтары шамамен бірдей дәнекерленген болат түтікшелерден жасалған фюзеляж қаңқасын пайдаланып құрастырылды. Көптеген ертедегі "whirlybird" стиліндегі ашық бумды тікұшақтарда, мысалы Bell 47 сериясында, түтікшелік кеңістіктік қаңқалы бумдар болды.
Көліктер
Кейде автомобильдер мен мотоциклдердің шассилерінде кеңістіктік фреймдер қолданылады. Кеңістіктік және түтікшелік шассилерде аспа, қозғалтқыш және кузов панельдері құбырлардан жасалған қаңқаға бекітіледі, ал кузов панельдерінің құрылымдық функциясы аз немесе мүлдем жоқ. Ал монокок немесе монокорпус конструкциясында кузов құрылымның бір бөлігі ретінде қызмет етеді. Түтікшелік шасси кеңістіктік шассиден бұрын пайда болды және бұрынғы саты шассиінің дамуы болып табылады. Бұрынғы ашық каналды бөлімдерге қарағанда түтіктерді пайдаланудың артықшылығы – олар бұралу күштеріне жақсырақ төтеп береді. Кейбір түтікшелік шассилер екі үлкен диаметрлі түтікшенің немесе тіпті тірек шассиі ретінде бір түтікшенің өзінен аспайтын саты шассиіне ұқсас болды. Көптеген түтікшелі шассилер қосымша түтіктермен толықтырылып, тіпті «кеңістіктік фреймдер» деп аталды, бірақ олардың дизайны сирек орындық фрейм ретінде дұрыс есептелді және механикалық тұрғыдан түтікшелі саты шассиі сияқты жұмыс істеді, бекітілген компоненттерді, аспаны, қозғалтқышты және т.б. қолдау үшін қосымша тіреулермен жабдықталды. Шынайы кеңістіктік фреймнің ерекшелігі – әрбір тіректегі барлық күштер тек созу немесе қысу күштері болып табылады, ешқашан иілмейді. Алғашқы шынайы кеңістіктік шассиге үміткер – 1929 жылы Австралияның Мельбурн қаласында Боб және Билл Чемберлен ағайындылары салған Чемберлен 8 жарыс машинасының «арнайы» үлгісі. Басқалары 1930 жылдары Бакминстер Фуллер және Уильям Бушнелл Стоут (Димаксион және Стоут Скараб) сияқты дизайнерлер жасаған көліктерді айтады, олар сәулет немесе авиациялық конструкциядан кеңістіктік фреймнің нақты теориясын түсінді. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін жарыс машинасының кеңістіктік фреймін жасауға жасалған әрекет – 1946 жылғы Cisitalia D46 болды. Біраз қолайсыз болғанымен, кеңістіктік фреймнің бір артықшылығы – түтіктердегі иілмейтін күштер оны шарнирлі конструкция ретінде модельдеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар мұндай алынып тасталатын бөлікті жасау жиналған фреймнің беріктігін төмендетуді қажет етпейді.
Мотоциклдер мен велосипедтер
Италиялық мотоцикл өндіруші Ducati өз модельдерінде кеңінен түтікшелі рамаларды пайдаланады. Кеңістіктік рамалар велосипедтерде де қолданылған, олар керілген үшбұрышты бөлімдерді жақсы қабылдайды.