Frame do espaço - Space frame

A cobertura deste edifício industrial é suportada por uma estrutura espacial.
Se uma força é aplicada ao nó azul e a barra vermelha não está presente, o comportamento da estrutura depende completamente da rigidez de flexão do nó azul. Se a barra vermelha estiver presente e a rigidez de flexão do nó azul for insignificante em comparação com a rigidez contribuinte da barra vermelha, o sistema pode ser calculado usando uma matriz de rigidez, desprezando os fatores angulares.

Em arquitetura e engenharia estrutural , uma moldura espacial ou estrutura espacial (treliça 3D) é uma estrutura rígida, leve e semelhante a uma treliça construída a partir de suportes interligados em um padrão geométrico . As armações espaciais podem ser usadas para abranger grandes áreas com poucos suportes internos. Como a treliça , uma estrutura de espaço é forte por causa da rigidez inerente do triângulo; cargas de flexão ( momentos de flexão ) são transmitidas como cargas de tensão e compressão ao longo do comprimento de cada biela.

História

Alexander Graham Bell de 1898 a 1908 desenvolveu estruturas espaciais baseadas na geometria tetraédrica. O interesse de Bell estava principalmente em usá-los para fazer estruturas rígidas para a engenharia náutica e aeronáutica, com a treliça tetraédrica sendo uma de suas invenções. Dr. Ing. Max Mengeringhausen desenvolveu o sistema de grade espacial denominado MERO (acrônimo de ME ngeringhausen RO hrbauweise ) em 1943 na Alemanha, iniciando assim o uso de treliças espaciais na arquitetura. O método comumente usado, ainda em uso, tem membros tubulares individuais conectados em juntas de nós (em forma de bola) e variações como o sistema de deck espacial, sistema de treliça octeto e sistema cúbico. Stéphane de Chateau na França inventou o sistema SDC tridirecional (1957), sistema Unibat (1959), Pyramitec (1960). Um método de suportes de árvore foi desenvolvido para substituir as colunas individuais. Buckminster Fuller patenteou a treliça octeto em 1961 enquanto se concentrava em estruturas arquitetônicas .

Métodos de design

As estruturas espaciais são normalmente projetadas usando uma matriz de rigidez . A característica especial da matriz de rigidez em uma estrutura de espaço arquitetônico é a independência dos fatores angulares. Se as juntas forem suficientemente rígidas, as deflexões angulares podem ser desprezadas, simplificando os cálculos.

Visão geral

Teto de estrutura de espaço simplificado com o meio-octaedro destacado em azul

A forma mais simples de estrutura espacial é uma placa horizontal de pirâmides quadradas e tetraedros interligados construídos em alumínio ou estruturas tubulares de aço . Em muitos aspectos, isso se parece com a lança horizontal de um guindaste de torre repetida muitas vezes para torná-la mais larga. Uma forma mais forte é composta de tetraedros entrelaçados nos quais todas as escoras têm comprimento unitário. Mais tecnicamente, isso é referido como uma matriz vetorial isotrópica ou, em uma única unidade de largura, uma treliça de octeto. Variações mais complexas alteram os comprimentos das escoras para curvar a estrutura geral ou podem incorporar outras formas geométricas.

Tipos

Dentro do significado de estrutura espacial, podemos encontrar três sistemas claramente diferentes entre eles:

Classificação de curvatura

  • Coberturas do plano espacial: Essas estruturas espaciais são compostas por subestruturas planas. Seu comportamento é semelhante ao de uma placa em que as deflexões no plano são canalizadas através das barras horizontais e as forças de cisalhamento são suportadas pelas diagonais.
Esta estação ferroviária é suportada por uma estrutura em abóbada de berço.
  • Abóbadas de canhão: este tipo de abóbada tem uma secção transversal de um arco simples. Normalmente, este tipo de estrutura espacial não precisa usar módulos tetraédricos ou pirâmides como parte de seu apoio.
  • Cúpulas esféricas e outras curvas compostas geralmente requerem o uso de módulos tetraédricos ou pirâmides e suporte adicional de uma pele.

Classificação pela disposição de seus elementos

  • Grade de camada única: Todos os elementos estão localizados na superfície a ser aproximada.
  • Grade de camada dupla: os elementos são organizados em duas camadas paralelas entre si a uma certa distância. Cada uma das camadas forma uma rede de triângulos, quadrados ou hexágonos em que a projeção dos nós em uma camada pode se sobrepor ou ser deslocada em relação uns aos outros. Barras diagonais conectam os nós de ambas as camadas em diferentes direções no espaço. Neste tipo de malhas, os elementos estão associados em três grupos: cordão superior, cordão e diagonal inferior do cordão.
  • Grade de camada tripla: os elementos são colocados em três camadas paralelas, vinculadas pelas diagonais. Quase sempre são planos.

Outros exemplos classificáveis ​​como frames espaciais são estes:

  • Estruturas metálicas plissadas: surgiram para tentar resolver os problemas que as formas e concretagem tinham como contrapartes. Normalmente correm com junta soldada, mas podem levantar juntas pré-fabricadas, fato que as torna malhas espaciais.
  • Coberturas suspensas: Desenhos no cabo tenso, na coluna vertebral e no arco catenário antifunicular mostram sua capacidade de canalizar forças teoricamente melhor do que qualquer outra alternativa, possuem uma gama infinita de possibilidades de composição e adaptabilidade a qualquer tipo de cobertura vegetal ou garantem vãos. No entanto, as imprecisões na forma do cabo carregado (idealmente se adapta dinamicamente ao estado de carga) e o risco de dobrar o arco a tensões inesperadas são problemas que requerem elementos de pré-compressão e protensão. Embora na maioria dos casos tendam a ser os mais baratos e a solução técnica que melhor se adapta à acústica e ventilação do gabinete coberto, eles são vulneráveis ​​à vibração.
  • Estruturas pneumáticas: As membranas de fechamento submetidas a um estado pressurizado podem ser consideradas neste grupo.

Formulários

  • Edifícios industriais, fábricas
  • Salas de esportes
  • Armazéns
  • Piscinas
  • Salas de conferências e centros de exposições
  • Estádios com longa distância
  • Museu e feiras
  • Shopping centers e shoppings
  • Aeroportos e cobertura
  • Átrio

Construção

As estruturas espaciais são uma característica comum na construção de edifícios modernos; eles são freqüentemente encontrados em grandes vãos de telhados em edifícios comerciais e industriais modernistas .

Exemplos de edifícios baseados em estruturas espaciais incluem:

Grandes palcos portáteis e pórticos de iluminação também são freqüentemente construídos a partir de estruturas espaciais e treliças de octeto.

Veículos

Quadros Yeoman YA-1 vs CA-6 Wackett.

Aeronave

As aeronaves CAC CA-6 Wackett e Yeoman YA-1 Cropmaster 250R foram construídas usando praticamente a mesma estrutura de fuselagem de tubo de aço soldado.

Carros

As estruturas espaciais às vezes são usadas em projetos de chassis de automóveis e motocicletas . Tanto em uma estrutura espacial quanto em um chassi de estrutura tubular, a suspensão, o motor e os painéis da carroceria são fixados a uma estrutura esquelética de tubos e os painéis da carroceria têm pouca ou nenhuma função estrutural. Em contraste, em um design unibody ou monocoque , o corpo serve como parte da estrutura.

O chassi de estrutura tubular é anterior ao chassi de estrutura espacial e é um desenvolvimento do chassi de escada anterior . A vantagem de usar tubos em vez das seções anteriores de canal aberto é que eles resistem melhor às forças de torção . Alguns chassis de tubo eram pouco mais do que um chassis de escada feito com dois tubos de grande diâmetro, ou mesmo um único tubo como chassis de backbone . Embora muitos chassis tubulares tenham desenvolvido tubos adicionais e até mesmo tenham sido descritos como "estruturas espaciais", seu design raramente era corretamente enfatizado como uma estrutura espacial e eles se comportavam mecanicamente como um chassi de escada de tubo, com suportes adicionais para apoiar os componentes anexados, suspensão, motor, etc. A distinção da verdadeira estrutura do espaço é que todas as forças em cada biela são de tração ou compressão, nunca dobrando. Embora esses tubos adicionais carregassem alguma carga extra, eles raramente eram diagonalizados em uma estrutura espacial rígida.

Um candidato anterior ao primeiro verdadeiro chassi espacial é aquele da corrida "especial" de Chamberlain 8 construído pelos irmãos Bob e Bill Chamberlain em Melbourne, Austrália, em 1929. Outros atribuem veículos produzidos na década de 1930 por designers como Buckminster Fuller e William Bushnell Robusto (o Dymaxion e o Escaravelho Robusto ) que entendeu a teoria da verdadeira estrutura espacial tanto da arquitetura quanto do design de aeronaves.

Uma tentativa após a 2ª Guerra Mundial de construir um carro de corrida com estrutura espacial foi o Cisitalia D46 de 1946. Ele usava dois tubos de pequeno diâmetro ao longo de cada lado, mas eles eram espaçados por tubos verticais menores e, portanto, não eram diagonalizados em nenhum plano. Um ano depois, a Porsche projetou seu Type 360 para a Cisitalia . Como isso incluía tubos diagonais, pode ser considerado um verdadeiro quadro espacial e discutível o primeiro design de motor central traseiro.

Quadro Jaguar C-Type

O Maserati Tipo 61 de 1959 (Birdcage) é frequentemente considerado o primeiro, mas em 1949 o Dr. Robert Eberan-Eberhorst projetou o Jowett Jupiter exibido naquele ano no London Motor Show ; o Jowett venceu a classe nas 24 horas de Le Mans de 1950. Mais tarde, a TVR , os pequenos fabricantes de automóveis britânicos desenvolveram o conceito e produziram um carro de liga leve de dois lugares em um chassi multi-tubular, que apareceu em 1949.

Colin Chapman, da Lotus, apresentou seu primeiro carro de 'produção', o Mark VI , em 1952. Isso foi influenciado pelo chassi Jaguar C-Type , outro com quatro tubos de dois diâmetros diferentes, separados por tubos mais estreitos. Chapman reduziu o diâmetro do tubo principal para o Lotus mais leve, mas não reduziu mais os tubos menores, possivelmente porque ele considerou que isso pareceria frágil para os compradores. Embora amplamente descrito como uma estrutura espacial, a Lotus não construiu um verdadeiro chassi com estrutura espacial até o Mark VIII , com a influência de outros designers, com experiência na indústria aeronáutica.

Kitcar chileno exibindo sua estrutura espacial (2013).

Um grande número de kits de carros , possivelmente a maioria fabricados no Reino Unido, usa construção de estrutura espacial, porque a fabricação em pequena quantidade requer apenas gabaritos simples e baratos , e é relativamente fácil para um projetista amador obter boa rigidez com estrutura espacial. Geralmente, as estruturas espaciais são soldadas por MIG , embora os kits mais caros geralmente usem a soldagem TIG , um processo mais lento e altamente qualificado. Muitos deles se assemelham ao Lotus Mark VII no contorno geral e no layout mecânico, no entanto, outros são réplicas próximas do AC Cobra ou supercarros italianos , mas alguns são designs originais que não se assemelham a nenhum outro veículo. Freqüentemente, esforços consideráveis ​​têm sido feitos pelos projetistas para produzir verdadeiras estruturas espaciais, com todos os pontos de carga significativa apoiados em 3 dimensões, resultando em resistência e rigidez comparáveis ​​ou melhores do que os carros de produção típicos. Outras são estruturas tubulares, mas não estruturas espaciais verdadeiras, porque usam tubos de diâmetro relativamente grande, geralmente curvos, que suportam cargas de flexão, mas, devido ao grande diâmetro, permanecem adequadamente rígidos. No entanto, alguns designs inferiores não são verdadeiras estruturas espaciais, porque os tubos suportam consideráveis ​​cargas de flexão. Isso resultará em flexão considerável devido a cargas dinâmicas e, em última instância , em fratura por fadiga , um mecanismo de falha que é raro em uma estrutura de espaço real corretamente projetada. A redução da rigidez também prejudica o manuseio.

Uma desvantagem do chassi com estrutura espacial é que ele envolve grande parte do volume de trabalho do carro e pode dificultar o acesso do motorista e do motor. Algumas estruturas espaciais foram projetadas com seções removíveis, unidas por juntas de pino aparafusadas. Essa estrutura já havia sido usada em torno do motor do Lotus Mark III . Embora um tanto inconveniente, uma vantagem da estrutura espacial é que a mesma falta de forças de flexão nos tubos que permitem que sejam modelados como uma estrutura articulada por pino também significa que essa seção removível não precisa reduzir a resistência da estrutura montada.

Bicicleta Moulton no Museu de Arte Moderna .
2006 Ducati Monster S2R 1000.

Motocicletas e bicicletas

O fabricante italiano de motocicletas Ducati usa extensivamente chassis de estrutura tubular em seus modelos.

As estruturas espaciais também foram usadas em bicicletas , como as projetadas por Alex Moulton .

Veja também

Referências