스페이스 프레임

Space frame
이 산업 건물의 지붕은 공간 프레임 구조로 지탱됩니다.
파란색 노드에 힘이 가해지고 빨간색 막대가 존재하지 않는 경우 구조물의 거동은 파란색 노드의 벤딩 강성에 전적으로 의존합니다.빨간색 막대가 존재하고 파란색 노드의 굽힘 강성이 빨간색 막대의 강성에 비해 무시할 수 있는 경우 각 요인을 무시하고 강성 매트릭스를 사용하여 시스템을 계산할 수 있습니다.

공간 프레임(space frame) 또는 공간 구조(3D trus)는 건축 및 구조 공학에서 기하학적 패턴으로 연결된 스트럿으로 구성된 견고하고 가벼운 트러스 구조물입니다.공간 프레임은 실내 지지대가 거의 없는 넓은 영역에 걸쳐 사용할 수 있습니다.트러스와 마찬가지로 공간 프레임은 삼각형의 고유한 강성 때문에 강하며, 굽힘 하중(휨 모멘트)은 각 스트럿의 길이를 따라 장력 및 압축 하중으로 전달됩니다.

주요 응용 분야는 건물 및 차량입니다.

역사

알렉산더 그레이엄 벨은 1898년부터 1908년까지 사면체 [1][2]기하학에 기초한 우주 프레임을 개발했습니다.벨의 관심사는 주로 그것들을 사용하여 항해 및 항공 공학을 위한 단단한 프레임을 만드는 것이었고, 사면체 트러스는 그의 발명품들 중 하나였습니다.막스 멩링하우젠은 1943년 독일에서 MERO(Menginghausen ROhrbauweise의 합성어)라는 공간 그리드 시스템을 개발하여 [3]건축에 공간 트러스를 사용하기 시작했습니다.일반적으로 사용되는 방법은 여전히 사용되고 있으며, 노드 접합부(볼 모양)에 연결된 개별 관형 부재와 공간 데크 시스템, 옥텟 트러스 시스템 및 큐빅 시스템과 같은 변형이 있습니다.프랑스의 스테판 드 샤토는 삼방향 SDC 시스템(1957), 유니바트 시스템(1959), 피라미드텍(1960)[4][5]을 발명했습니다.개별 [6]기둥을 대체하기 위해 나무 지지대 방법이 개발되었습니다.벅민스터 풀러는 1961년 건축[7] 구조에 집중하면서 옥텟 트러스(미국 특허 2,986,241건)를 특허 출원했습니다.

설계 방법

공간 프레임은 일반적으로 강성 매트릭스를 사용하여 설계됩니다.건축 공간 프레임에서 강성 행렬의 특수한 특성은 각 인자의 독립성입니다.조인트가 충분히 단단할 경우 각도 편향을 무시하여 계산을 단순화할 수 있습니다.

개요

반팔면체가 파란색으로 강조 표시된 단순화된 공간 프레임 지붕

가장 단순한 형태의 공간 프레임은 알루미늄 또는 튜브형 강철 스트럿으로 제작된 사각 피라미드와 사면체로 구성된 수평 슬래브입니다.여러 면에서 이것은 타워 크레인의 수평 지브가 폭을 넓히기 위해 여러 번 반복되는 것처럼 보입니다.더 강한 형태는 모든 스트럿이 단위 길이를 갖는 연결된 테트라헤더로 구성됩니다.보다 기술적으로 이를 등방성 벡터 행렬 또는 단일 단위 너비 옥텟 트러스라고 합니다.더 복잡한 변형은 스트럿의 길이를 변경하여 전체 구조를 곡선으로 만들거나 다른 기하학적 형상을 통합할 수 있습니다.

종류들

공간 프레임의 의미에서, 우리는 그것들 [8]사이에 명확하게 다른 세 가지 시스템을 발견할 수 있습니다.

곡률구분

  • 우주 평면 커버:이러한 공간 구조는 평면 하부 구조로 구성됩니다.그들의 행동은 평면의 편향이 수평 막대를 통해 채널링되고 전단력이 [9]대각선으로 지지되는 플레이트의 행동과 비슷합니다.
이 기차역은 배럴 볼트 구조로 지탱됩니다.
  • 배럴 볼트:이 볼트 유형에는 단순 아치의 단면이 있습니다.일반적으로 이러한 유형의 공간 프레임은 지원의 일부로 사면체 모듈이나 피라미드를 사용할 필요가 없습니다.섹션 타입 배럴 볼트는 IS: 800-2007에 따라 구성되며 평가는 주로 STAAD를 사용하여 수행됩니다.이 작업은 범위, 극단적인 리디렉션, 자체 무게 및 [10]비용에 대한 모델의 평가를 이끌어냅니다.
  • 구형 돔 및 기타 복합 곡선은 일반적으로 사면체 모듈 또는 피라미드의 사용과 피부의 추가 지지가 필요합니다.

구성요소의 배열에 따른 분류

  • 단일 레이어 그리드:모든 요소는 근사할 지표면에 위치합니다.
  • 이중 레이어 그리드:요소들은 일정한 거리를 두고 서로 평행한 두 개의 층으로 구성됩니다.각 레이어는 삼각형, 사각형 또는 육각형의 격자를 형성하며 레이어의 노드 투영이 서로 중첩되거나 변위될 수 있습니다.대각선 막대는 공간에서 두 레이어의 노드를 서로 다른 방향으로 연결합니다.이러한 유형의 메시에서 요소는 상부 코드, 코드 및 하부 대각선의 세 그룹으로 연결됩니다.
  • 3층 그리드:요소는 대각선으로 연결된 세 개의 평행 레이어에 배치됩니다.그것들은 거의 항상 평평합니다.

공간 프레임으로 분류할 수 있는 다른 예는 다음과 같습니다.

  • 주름이 잡힌 금속 구조:일을 구성하고 콘크리트를 붓는 문제를 해결하기 위해 등장했습니다.일반적으로 용접 조인트를 사용하여 작동하지만 조립식 조인트가 올라올 수 있으므로 공간 메시가 발생합니다.
  • 행잉 커버:케이블 팽팽함, 척추 및 케이블 아치 반원형의 설계는 다른 대안보다 이론적으로 힘을 더 잘 전달할 수 있는 능력을 보여주며, 구성과 모든 유형의 식물 덮개에 대한 적응성에 대한 무한한 가능성을 가지고 있거나 허망함을 보장합니다.그러나 로드된 스트랜드(충전 상태에 동적으로 적응하는 것이 이상적임)를 갖는 형상의 부정확성과 예상치 못한 응력에 아크가 휘어질 위험성은 사전 압축 및 사전 응력 요소를 필요로 하는 문제입니다.대부분의 경우 가장 저렴하고 커버가 씌워진 인클로저의 음향 및 환기에 가장 적합한 기술 솔루션이지만 진동에 취약합니다.
  • 공압 구조물:가압 상태에 따른 폐쇄막은 이 그룹 내에서 고려할 수 있습니다.

적용들

주요 공간 프레임 애플리케이션은 다음과 같습니다.

건물들

차량:

    • 항공기
    • 자동차
    • 오토바이
    • 자전거
    • 우주선

건축설계요소

시공

공간 프레임은 현대적인 건물 건설에서 흔히 볼 수 있는 특징입니다. 그것들은 종종 현대적인 상업 및 산업용 건물의 큰 지붕 범위에서 발견됩니다.

공간 프레임에 기반한 건물의 예는 다음과 같습니다.

대형 휴대용 무대와 조명 장치도 종종 우주 프레임과 옥텟 트러스로 만들어집니다.

차량

요먼 YA-1 vs CA-6 와켓 프레임.

항공기

CAC CA-6 와켓과 Yeoman YA-1 크롭마스터 250R 항공기는 대략 동일한 용접 강철관 동체 프레임을 사용하여 제작되었습니다.

벨 47 시리즈와 같은 많은 초기 "휘리버드" 스타일의 노출 붐 헬리콥터는 튜브형 우주 프레임 붐을 가지고 있었습니다.

자동차

스페이스 프레임은 때때로 자동차와 오토바이의 섀시 디자인에 사용됩니다.스페이스 프레임과 튜브 프레임 섀시 모두에서 서스펜션, 엔진 및 바디 패널은 튜브의 골격 프레임에 부착되며, 바디 패널은 구조적 기능이 거의 또는 전혀 없습니다.반면 유니바디 또는 모노코크 디자인에서는 차체가 구조의 일부 역할을 합니다.

튜브 프레임 섀시는 공간 프레임 섀시 이전의 것으로, 이전의 래더 섀시를 개발한 것입니다.이전의 개방형 채널 섹션보다 튜브를 사용하는 것의 장점은 비틀림 힘에 더 잘 저항한다는 것입니다.어떤 튜브 섀시는 두 개의 큰 직경의 튜브로 만들어진 사다리 섀시에 불과하거나 심지어 백본 섀시로서 하나의 튜브에 불과했습니다.많은 튜브형 섀시가 추가적인 튜브를 개발하고 심지어 "공간 프레임"이라고도 묘사되었지만, 그들의 설계는 공간 프레임으로서 정확하게 강조되지 않았고 그들은 부착된 구성 요소, 서스펜션, 엔진 등을 지지하기 위한 추가 브래킷과 함께 튜브 래더 섀시처럼 기계적으로 작동했습니다.실제 공간 프레임의 차이점은 각 스트럿의 모든 힘이 인장 또는 압축이며 [11]절대 구부러지지 않는다는 것입니다.이러한 추가적인 튜브는 약간의 추가적인 하중을 전달하지만, 견고한 공간 [11]프레임으로 대각선화되는 경우는 거의 없었습니다.

최초의 진정한 우주 프레임 섀시의 초기 경쟁자는 1929년 [12]호주 멜버른에서 밥 체임벌린과 빌 체임벌린 형제가 만든 체임벌린 8 경주 "특별한" 경주입니다.다른 사람들은 버크민스터 풀러와 윌리엄 부시넬 스타우트(다이맥시온과 스타우트 스카랍)와 같은 디자이너들이 1930년대에 제작한 차량을 건축물이나 항공기 [13]설계에서 실제 우주 프레임의 이론을 이해했다고 생각합니다.

2차 세계대전 이후 경주용 자동차 우주 프레임을 만들기 위한 시도는 [13]1946년의 시시탈리아 D46이었습니다.이것은 양쪽을 따라 두 개의 작은 직경의 튜브를 사용했지만, 수직의 작은 튜브에 의해 간격이 벌어져 있었기 때문에 어떤 평면에서도 대각선화되지 않았습니다.1년 후, 포르쉐는 시시탈리아를 위해 그들의 타입 360을 디자인했습니다.여기에 대각선 튜브가 포함되었기 때문에 실제 공간 프레임으로 간주할 수 있으며 최초의 미드 리어 [13]엔진 설계에 대해 논쟁의 여지가 있습니다.

재규어 C타입 프레임

1959년의 Maserati Tipo 61 (Birdcage)은 종종 최초로 생각되지만 1949년에 Robert Eberan von Eberhorst가 그해 런던 모터쇼에서 전시된 Jowett Jupiter를 디자인했습니다; Jowett은 1950 Le Mans 24hr에서 클래스 우승을 차지했습니다.나중에, TVR, 영국의 작은 자동차 제조업체들은 이 개념을 개발했고 1949년에 등장한 다관형 섀시에 합금 몸체의 2인승 좌석을 생산했습니다.

Lotus의 Colin Chapman은 1952년에 그의 첫 번째 '생산' 자동차인 Mark VI를 소개했습니다.이것은 좁은 튜브로 분리된 두 개의 서로 다른 직경의 네 개의 튜브를 가진 Jaguar C-Type 섀시의 영향을 받았습니다.채프먼은 라이터 로터스를 위해 주 튜브 직경을 줄였지만,[11] 구매자들에게 이것이 희미하게 보일 것이라고 생각했기 때문에 더 이상 부 튜브를 줄이지 않았습니다.우주 프레임으로 널리 설명되지만, Lotus는 항공기 [11]업계의 경험을 바탕으로 다른 디자이너의 영향을 받아 Mark VIII까지 진정한 우주 프레임 섀시를 제작하지 못했습니다.

우주 프레임 구조를 자랑하는 칠레 키트카(2013).

많은 수의 키트 카들은 공간 프레임 구조를 사용하는데, 소량의 제조는 단순하고 저렴한 지그만을 필요로 하고 아마추어 디자이너는 공간 프레임으로 좋은 강성을 얻기가 비교적 쉽기 때문입니다.

스페이스 프레임 섀시의 단점은 차량의 작업량의 대부분을 차지하고 운전자와 엔진 모두에게 접근하기 어렵다는 것입니다.Mercedes-Benz 300 SL "Gullwing"은 일반 도어를 사용하는 것이 불가능해진 관 모양의 공간 프레임에서 위쪽으로 열리는 상징적인 문을 받았습니다.

일부 공간 프레임은 볼트 핀 조인트로 연결된 분리 가능한 섹션으로 설계되었습니다.이러한 구조는 이미 로터스 마크 [14]III의 엔진 주변에 사용되었습니다.다소 불편하기는 하지만, 공간 프레임의 장점은 핀 접합 구조로 모델링할 수 있는 튜브의 굽힘력이 부족하기 때문에 이러한 분리 가능한 섹션을 만들 때 조립된 프레임의 강도를 줄일 필요가 없다는 것을 의미합니다.

현대 미술관의 몰튼 자전거
2006 두카티 몬스터 S2R 1000

오토바이 및 자전거

이탈리아의 오토바이 제조업체인 Ducati는 자사 모델에 튜브 프레임 섀시를 광범위하게 사용하고 있습니다.

공간 프레임은 또한 자전거에도 사용되어 왔으며, 이는 쉽게 강조된 삼각형 단면을 선호합니다.

참고 항목

레퍼런스

  1. ^ "Alexander Graham Bell". Archived from the original on 2003-03-26.
  2. ^ Alexander Graham Bell (June 1903). "Tetrahedral Principle In Kite Structure". National Geographic Magazine. XIV (6).
  3. ^ "Modular space grids". Archived from the original on 2016-09-15.
  4. ^ "Unibat system".
  5. ^ Porto, Cláudia Estrela (2014). "The innovative structural conception in Stéphane du Château's work: from metallic trusses to the development of spatial frames" (PDF). Architectus. Poland. 4 (40): 51–64. Archived from the original (PDF) on September 16, 2016.
  6. ^ 2015년 11월 19일 웨이백 머신 시티즈에서 보관된 우주 프레임의 진화.
  7. ^ Dorothy Harley Eber, via telephone (June 29, 1978). "Fuller on Bell".
  8. ^ Otero C. (1990).디세뇨게메트리코데쿠풀라스노에스페리카스아프록시마다스포몰라스 삼각형자리 코누메로미니모데경도데바라테시스 박사.칸타브리아 대학교.
  9. ^ 카비아 소렛 (1993).
  10. ^ "Design and Analysis of Barrel Vault Space Frame Structure". www.ijraset.com. Retrieved 2022-11-08.
  11. ^ a b c d 루드비젠 & 콜린 채프먼, 153–154페이지
  12. ^ https://primotipo.com/2015/07/24/chamberlain-8-by-john-medley-and-mark-bisset/ .'The Chamberlain An Australian Story' 존 헤이즐든
  13. ^ a b c Ludvigsen, Karl (2010). Colin Chapman: Inside the Innovator. Haynes Publishing. pp. 150–164. ISBN 1-84425-413-5.
  14. ^ 루드비젠 & 콜린 채프먼, 151페이지
위키미디어 공용에는 스페이스 프레임과 관련된 미디어가 있습니다.