Raumrahmen - Space frame

Das Dach dieses Industriegebäudes wird von einer Space-Frame-Struktur getragen.
Wenn auf den blauen Knoten eine Kraft ausgeübt wird und der rote Balken nicht vorhanden ist, hängt das Verhalten der Struktur vollständig von der Biegesteifigkeit des blauen Knotens ab. Wenn der rote Balken vorhanden ist und die Biegesteifigkeit des blauen Knotens im Vergleich zur beitragenden Steifigkeit des roten Balkens vernachlässigbar ist, kann das System mit einer Steifigkeitsmatrix unter Vernachlässigung von Winkelfaktoren berechnet werden.

In der Architektur und im Hochbau ist ein Raumfachwerk oder eine Raumstruktur (3D-Fachwerk) eine starre, leichte, fachwerkartige Struktur, die aus ineinandergreifenden Streben in einem geometrischen Muster aufgebaut ist . Mit Space Frames lassen sich große Flächen mit wenigen Innenstützen überspannen. Wie das Fachwerk ist ein Gitterrohrrahmen aufgrund der Eigensteifigkeit des Dreiecks stark; Verbiegen Lasten (Biegemomente ) als übertragene Spannung und Kompressionsbelastungen entlang der Länge jeder Strebe.

Geschichte

Alexander Graham Bell entwickelte von 1898 bis 1908 Raumrahmen basierend auf tetraedrischer Geometrie. Bells Interesse galt hauptsächlich der Herstellung von starren Rahmen für die Schiffs- und Luftfahrttechnik, wobei das tetraedrische Fachwerk eine seiner Erfindungen war. Dr.-Ing. Max Mengeringhausen entwickelte 1943 in Deutschland das Space-Grid-System namens MERO (Akronym von ME ngeringhausen RO hrbauweise ) und leitete damit den Einsatz von Raumfachwerken in der Architektur ein. Das gebräuchliche Verfahren, das immer noch verwendet wird, hat einzelne röhrenförmige Elemente, die an Knotengelenken (kugelförmig) verbunden sind, und Variationen wie das Raumdecksystem, das Oktettfachwerksystem und das kubische System. Stéphane de Chateau in Frankreich erfand das Tridirektionale SDC-System (1957), das Unibat-System (1959), Pyramitec (1960). Um die einzelnen Säulen zu ersetzen, wurde eine Methode der Baumstützen entwickelt. Buckminster Fuller patentierte das Oktettfachwerk 1961 und konzentrierte sich dabei auf architektonische Strukturen.

Designmethoden

Space Frames werden typischerweise unter Verwendung einer Steifigkeitsmatrix konstruiert . Die Besonderheit der Steifigkeitsmatrix in einem Architektur-Space-Frame ist die Unabhängigkeit der Winkelfaktoren. Bei ausreichender Steifigkeit der Gelenke können die Winkelabweichungen vernachlässigt werden, was die Berechnungen vereinfacht.

Überblick

Vereinfachtes Gitterrohrdach mit blau hervorgehobenem Halboktaeder

Die einfachste Form eines Raumfachwerks ist eine horizontale Platte aus ineinandergreifenden quadratischen Pyramiden und Tetraedern aus Aluminium- oder Stahlrohrstreben . In vielerlei Hinsicht sieht dies aus wie der horizontale Ausleger eines Turmdrehkrans, der viele Male wiederholt wird, um ihn breiter zu machen. Eine stärkere Form besteht aus ineinandergreifenden Tetraedern, bei denen alle Streben eine Einheitslänge haben. Technisch wird dies als isotrope Vektormatrix oder in einer einzelnen Breiteneinheit als Oktettfachwerk bezeichnet. Komplexere Variationen ändern die Länge der Streben, um die Gesamtstruktur zu krümmen, oder können andere geometrische Formen beinhalten.

Typen

Im Sinne von Space-Frame können wir drei Systeme finden, die sich deutlich voneinander unterscheiden:

Krümmungsklassifizierung

  • Raumplanetenhüllen: Diese Raumgebilde setzen sich aus flächigen Unterstrukturen zusammen. Ihr Verhalten ähnelt dem einer Platte, bei der die Durchbiegungen in der Ebene durch die horizontalen Stäbe geleitet und die Querkräfte durch die Diagonalen aufgenommen werden.
Dieser Bahnhof wird von einem Tonnengewölbe getragen.
  • Tonnengewölbe: Diese Art von Gewölbe hat einen einfachen Bogenquerschnitt. Normalerweise müssen bei dieser Art von Raumfachwerk keine tetraedrischen Module oder Pyramiden als Teil der Unterlage verwendet werden.
  • Kugelförmige Kuppeln und andere zusammengesetzte Kurven erfordern normalerweise die Verwendung von tetraedrischen Modulen oder Pyramiden und zusätzliche Unterstützung durch eine Haut.

Klassifizierung nach der Anordnung ihrer Elemente

  • Einlagiges Raster: Alle Elemente liegen auf der zu approximierenden Fläche.
  • Doppelschichtraster: Elemente sind in zwei Schichten parallel zueinander in einem bestimmten Abstand angeordnet. Jede der Schichten bildet ein Gitter aus Dreiecken, Quadraten oder Sechsecken, in dem sich die Projektion der Knoten in einer Schicht überlappen oder relativ zueinander verschieben kann. Diagonale Balken verbinden die Knoten beider Schichten in unterschiedlichen Raumrichtungen. Bei dieser Art von Maschen werden die Elemente in drei Gruppen eingeteilt: oberer Kordon, Kordon und Kordon untere Diagonale.
  • Dreifach-Schichtraster: Elemente werden in drei parallelen Schichten platziert, die durch die Diagonalen verbunden sind. Sie sind fast immer flach.

Andere Beispiele, die als Space-Frames klassifizierbar sind, sind diese:

  • Gefaltete Metallkonstruktionen: Entstanden, um zu versuchen, die Probleme zu lösen, die beim Schalen und Gießen von Beton ihre Gegenstücke hatten. Wird normalerweise mit Schweißverbindung ausgeführt, kann jedoch vorgefertigte Verbindungen erhöhen, eine Tatsache, die sie zu Raumnetzen macht.
  • Hängende Abdeckungen: Konstruktionen an Seilzug, Wirbelsäule und Fahrleitungsbogen- Antiseilbahn zeigen ihre Fähigkeit, Kräfte theoretisch besser zu leiten als jede andere Alternative, haben unendlich viele Gestaltungsmöglichkeiten und Anpassungsfähigkeit an jede Art von Pflanzendecke oder sorgen für vergeblich. Ungenauigkeiten in der Form der belasteten Litze (passt sich idealerweise dynamisch an den Ladezustand an) und die Gefahr des Biegens des Lichtbogens bei unerwarteten Spannungen sind jedoch Probleme, die Vordruck- und Vorspannelemente erfordern. Obwohl in den meisten Fällen die billigste und die technische Lösung ist, die am besten zur Akustik und Belüftung des abgedeckten Gehäuses passt, sind sie anfällig für Vibrationen.
  • Pneumatische Strukturen: Unter Druck stehende Verschlussmembranen kommen in diese Gruppe.

Anwendungen

  • Industriegebäude, Fabriken
  • Sporthallen
  • Lager
  • Schwimmbecken
  • Konferenzsäle und Ausstellungszentren
  • Stadien mit großer Spannweite
  • Museums- und Jahrmarkthäuser
  • Einkaufszentren und Malls
  • Flughäfen und Überdachung
  • Atrium

Konstruktion

Space Frames sind ein häufiges Merkmal im modernen Hochbau; Sie finden sich häufig in großen Dachspannweiten in modernistischen Gewerbe- und Industriegebäuden.

Beispiele für Gebäude, die auf Raumfachwerken basieren, sind:

Auch große tragbare Bühnen und Lichtportale werden häufig aus Space Frames und Oktett-Traversen gebaut.

Fahrzeuge

Yeoman YA-1 vs CA-6 Wackett-Rahmen.

Flugzeug

Die Flugzeuge CAC CA-6 Wackett und Yeoman YA-1 Cropmaster 250R wurden mit ungefähr dem gleichen geschweißten Rumpfrahmen aus Stahlrohr gebaut.

Autos

Space Frames werden manchmal in der Chassis-Konstruktion von Automobilen und Motorrädern verwendet . Sowohl bei einem Gitterrohrrahmen als auch bei einem Rohrrahmenchassis sind die Aufhängung, der Motor und die Karosseriebleche an einem Skelettrahmen aus Rohren befestigt, und die Karosseriebleche haben wenig oder keine strukturelle Funktion. Im Gegensatz dazu dient bei einer Unibody- oder Monocoque- Bauweise die Karosserie als Teil der Struktur.

Rohrrahmen-Chassis älter als Space-Frame-Chassis und sind eine Weiterentwicklung des früheren Leiter-Chassis . Der Vorteil der Verwendung von Rohren anstelle der bisherigen offenen Kanalabschnitte besteht darin, dass sie Torsionskräften besser widerstehen . Einige Röhrenchassis waren wenig mehr als ein Leiterchassis, das mit zwei Rohren mit großem Durchmesser oder sogar einem einzigen Rohr als Rückgratchassis hergestellt wurde . Obwohl viele Rohrrahmenfahrwerke zusätzliche Rohre entwickelten und sogar als "Spaceframes" bezeichnet wurden, wurde ihre Konstruktion selten als Spaceframe richtig beansprucht und sie verhielten sich mechanisch wie ein Rohrleiterchassis, mit zusätzlichen Halterungen zur Abstützung der angebauten Komponenten, Aufhängung, Motor usw Der Unterschied des echten Raumrahmens besteht darin, dass alle Kräfte in jeder Strebe entweder auf Zug oder Druck wirken, niemals auf Biegung. Obwohl diese zusätzlichen Rohre eine gewisse zusätzliche Last trugen, wurden sie selten zu einem starren Gitterrohrrahmen diagonalisiert.

Ein früherer Anwärter auf das erste echte Space-Frame-Chassis ist das einmalige Chamberlain 8 Race "Special", das 1929 von den Brüdern Bob und Bill Chamberlain in Melbourne, Australien, gebaut wurde. Andere schreiben Fahrzeuge zu, die in den 1930er Jahren von Designern wie Buckminster Fuller und William Bushnell hergestellt wurden Stout (der Dymaxion und der Stout Scarab ), der die Theorie des wahren Raumrahmens entweder aus der Architektur oder dem Flugzeugdesign verstand.

Ein Versuch, nach dem 2. Weltkrieg einen Space-Frame-Rennwagen zu bauen, war der Cisitalia D46 von 1946. Dieser verwendete zwei Rohre mit kleinem Durchmesser entlang jeder Seite, die jedoch durch vertikale kleinere Rohre voneinander beabstandet waren und daher in keiner Ebene diagonalisiert waren. Ein Jahr später entwarf Porsche seinen Typ 360 für Cisitalia . Da dies Diagonalrohre beinhaltete, kann es als echter Gitterrohrrahmen und wohl als das erste Mittelheckmotor-Design angesehen werden.

Jaguar C-Type-Rahmen

Der Maserati Tipo 61 von 1959 (Birdcage) wird oft als der erste angesehen, aber 1949 entwarf Dr. Robert Eberan-Eberhorst den Jowett Jupiter , der auf der diesjährigen London Motor Show ausgestellt wurde ; der Jowett fuhr fort, einen Klassensieg bei den 24 Stunden von Le Mans 1950 zu holen. Später entwickelte der britische Kleinwagenhersteller TVR das Konzept und produzierte einen Zweisitzer mit Leichtmetallkarosserie auf einem Mehrrohr-Chassis, der 1949 erschien.

Colin Chapman von Lotus stellte 1952 sein erstes "Serien"-Auto vor, den Mark VI . Dieser wurde vom Jaguar C-Type- Chassis beeinflusst, ein weiteres mit vier Rohren mit zwei unterschiedlichen Durchmessern, die durch schmalere Rohre getrennt wurden. Chapman reduzierte den Hauptrohrdurchmesser für den leichteren Lotus, aber die Nebenrohre nicht weiter, möglicherweise weil er der Meinung war, dass dies den Käufern fadenscheinig erscheinen würde. Obwohl weithin als Space-Frame beschrieben, baute Lotus bis zum Mark VIII kein echtes Space-Frame-Chassis , unter Einfluss anderer Designer mit Erfahrung aus der Flugzeugindustrie.

Chilenischer Kitcar zeigt seine Space-Frame-Struktur (2013).

Eine große Anzahl von Kit Cars , möglicherweise die meisten in Großbritannien hergestellt, verwenden eine Space-Frame-Konstruktion, da die Herstellung in kleinen Mengen nur einfache und kostengünstige Vorrichtungen erfordert und es für einen Amateurkonstrukteur relativ einfach ist, mit einem Space-Frame eine gute Steifigkeit zu erzielen. Im Allgemeinen werden die Space Frames MIG- geschweißt, obwohl die teureren Kits oft WIG- Schweißen verwenden, ein langsamerer und hochqualifizierter Prozess. Viele von ihnen ähneln dem Lotus Mark VII im allgemeinen Umriss und mechanischem Layout, andere sind jedoch nahe Nachbildungen der AC Cobra oder italienischen Supersportwagen , aber einige sind Originaldesigns, die keinem anderen Fahrzeug ähneln. Oft haben die Konstrukteure erhebliche Anstrengungen unternommen, um echte Space-Frames zu produzieren, bei denen alle Punkte mit signifikanter Belastung in 3 Dimensionen verspannt sind, was zu einer Festigkeit und Steifigkeit führt, die mit typischen Serienfahrzeugen vergleichbar oder besser ist. Andere sind Rohrrahmen, aber keine echten Raumrahmen, weil sie Rohre mit relativ großem Durchmesser verwenden, die oft gebogen sind, die Biegebelastungen tragen, aber aufgrund des großen Durchmessers ausreichend steif bleiben. Einige minderwertige Konstruktionen sind jedoch keine echten Space-Frames, da die Rohre erhebliche Biegebelastungen tragen. Dies führt zu einer beträchtlichen Biegung aufgrund dynamischer Belastungen und letztendlich zu einem Ermüdungsbruch , einem Versagensmechanismus, der in einem richtig konstruierten echten Space-Frame selten vorkommt. Die reduzierte Steifigkeit beeinträchtigt auch das Handling.

Ein Nachteil des Space-Frame-Chassis besteht darin, dass es einen Großteil des Arbeitsvolumens des Autos umschließt und den Zugang sowohl für den Fahrer als auch für den Motor erschweren kann. Einige Raumrahmen wurden mit abnehmbaren Abschnitten entworfen, die durch Bolzenverbindungen verbunden sind. Eine solche Struktur wurde bereits um den Motor des Lotus Mark III herum verwendet . Obwohl etwas unbequem, besteht ein Vorteil des Raumrahmens darin, dass der gleiche Mangel an Biegekräften in den Rohren, die es ermöglichen, ihn als eine bolzengelenkte Struktur zu modellieren , auch bedeutet, dass ein solcher abnehmbarer Abschnitt die Festigkeit des zusammengebauten Rahmens nicht verringern muss.

2006 Ducati Monster S2R 1000.

Motorräder und Fahrräder

Der italienische Motorradhersteller Ducati setzt bei seinen Modellen weitgehend auf Rohrrahmenchassis.

Space Frames wurden auch in Fahrrädern verwendet , wie sie beispielsweise von Alex Moulton entworfen wurden .

Siehe auch

Verweise