Введение

Жесткая трехмерная несущая ферменная конструкция.

В архитектуре и строительной инженерии пространственная рама или пространственная структура (3D-ферма) — это жесткая, легкая конструкция, напоминающая ферму, собранная из соединенных стержней в геометрическом порядке. Пространственные рамы позволяют перекрывать большие пролеты с минимальным количеством внутренних опор. Как и ферма, пространственная рама обладает высокой прочностью благодаря присущей треугольнику жесткости; изгибающие нагрузки (изгибающие моменты) передаются в виде усилий растяжения и сжатия вдоль длины каждого стержня. Основные области применения включают здания и транспортные средства.

История

Александр Грэм Белл с 1898 по 1908 год разработал пространственные каркасы на основе тетраэдрической геометрии. Основной интерес Белла заключался в использовании этих каркасов для создания жестких конструкций для судостроения и авиационной техники, при этом тетраэдрическая ферма была одним из его изобретений. Макс Менгеринхаузен разработал систему пространственных решеток под названием MERO (акроним от MEngeringhausen ROhrbauweise) в 1943 году в Германии, тем самым положив начало использованию пространственных ферм в архитектуре. Широко используемый метод, который применяется и по сей день, предполагает соединение отдельных трубчатых элементов в узловых соединениях (шарообразной формы), а также различные варианты, такие как система пространственных настилов, система октетных ферм и кубическая система. Стефан де Шато во Франции изобрел трехнаправленную систему SDC (1957), систему Unibat (1959) и Pyramitec (1960). Для замены отдельных колонн был разработан метод использования древесных опор. Бакминстер Фуллер запатентовал октетную ферму в 1961 году, уделяя особое внимание архитектурным сооружениям. Тетраэдрическая ферма Гилмана 1980 года была разработана Джоном Дж. Гилманом, материаловедом, известным своими работами над молекулярными матрицами кристаллических твердых тел. Гилман был поклонником архитектурных ферм Бакминстера Фуллера и разработал более прочную матрицу, частично путем поворота взаимного расположения тетраэдрических узлов.

Методы проектирования

Пространственные каркасы обычно проектируются с использованием матрицы жёсткости. Особой характеристикой матрицы жёсткости в архитектурном пространственном каркасе является независимость угловых составляющих. Если узлы достаточно жёсткие, угловые деформации можно пренебречь, что упрощает вычисления.

Обзор

Простейшая форма пространственной решетчатой конструкции – горизонтальная плита из взаимосвязанных квадратных пирамид и тетраэдров, выполненных из алюминиевых или трубчатых стальных стержней. Во многом это напоминает горизонтальную стрелу башенного крана, повторенную многократно для увеличения ширины. Более прочная форма состоит из взаимосвязанных тетраэдров, в которых все стержни имеют одинаковую длину. Более технически это называется изотропной векторной матрицей или, при единичной ширине элемента, октетным ферменным узлом. Более сложные варианты изменяют длину стержней для придания конструкции кривизны или могут включать другие геометрические формы.

Самолет

Самолеты CAC CA 6 Wackett и Yeoman YA 1 Cropmaster 250R были построены с использованием примерно одинаковой сварной стальной трубчатой рамы фюзеляжа. Многие ранние вертолеты типа "whirlybird" с открытой балкой хвостового винта имели трубчатые пространственные рамы балок, такие как серия Bell 47.

Автомобили

Космические рамы иногда используются в конструкциях шасси автомобилей и мотоциклов. Как в пространственной, так и в трубчатой раме, подвеска, двигатель и панели кузова крепятся к скелетной раме из труб, при этом сами панели кузова практически не несут структурной нагрузки. В отличие от этого, в конструкции типа "монокок" или "унибоди" кузов является частью несущей структуры. Трубчатые и пространственные рамы являются развитием более ранней рамной конструкции типа "лестница". Преимущество использования труб по сравнению с предыдущими открытыми профилями заключается в их лучшей устойчивости к крутильным нагрузкам. Некоторые трубчатые рамы были не более чем рамной конструкцией типа "лестница", выполненной из двух труб большого диаметра, или даже одной трубы в качестве хребтовой рамы. Хотя многие трубчатые рамы получили дополнительные трубы и даже назывались "космическими рамами", их конструкция редко правильно рассчитывалась как пространственная, и они механически работали как трубчатые рамные конструкции типа "лестница" с дополнительными кронштейнами для поддержки навесного оборудования, подвески, двигателя и т.д. Отличительной особенностью настоящей пространственной рамы является то, что все силы в каждой стойке являются либо растягивающими, либо сжимающими, но никогда не изгибающими. Одним из ранних претендентов на первое истинное пространственное шасси является уникальный гоночный автомобиль Chamberlain 8, построенный братьями Бобом и Биллом Чемберленами в Мельбурне, Австралия, в 1929 году. Другие считают, что к транспортным средствам, созданным в 1930-х годах такими конструкторами, как Бакминстер Фуллер и Уильям Бушнелл Стоут (Dymaxion и Stout Scarab), относятся также те, кто понимал теорию настоящей пространственной рамы, основываясь на знаниях из архитектуры или авиационного проектирования. После Второй мировой войны попыткой создания гоночного автомобиля с пространственной рамой стала Cisitalia D46 1946 года. Хотя это и несколько неудобно, преимущество пространственной рамы заключается в том, что отсутствие изгибающих сил в трубах, позволяющее моделировать ее как шарнирно-стержневую конструкцию, также означает, что создание такой съемной секции не должно снижать прочность собранной рамы.

Мотоциклы и велосипеды

Итальянский производитель мотоциклов Ducati широко использует трубчатые рамы в конструкции своих моделей. Пространственные рамы также применяются в велосипедах, где предпочтительно используется напряженная треугольная секция.