スペースフレーム
この工業ビルの屋根はスペースフレーム構造によって支えられています。
青いノードに力が加えられ、赤いバーが存在しない場合は、構造に対する結果的な効果は、青いノードの曲げ剛性、つまり曲げに対する抵抗（またはその欠如）に完全に依存します。ただし、赤いバーが配置されている場合は、赤いバーの寄与剛性と比較して青いノードの曲げ剛性が無視できると仮定すると、この 3 次元の荷重支持トラス構造は、剛性マトリックス（角度係数を無視）を使用して解決できます。

スペースフレームまたはスペース構造（3Dトラス）は、幾何学的なパターンで連結された支柱から構成される、剛性が高く軽量なトラス構造です。スペースフレームは、建築や構造工学において、内部の支持材を少なくして広い面積を架設するために用いられます。トラスと同様に、スペースフレームは三角形の剛性によって高い強度を有しており、曲げ荷重（曲げモーメント）は各支柱の長さに沿って張力と圧縮荷重として伝達されます。

主な用途としては、建物や車両などが挙げられます。

歴史

1898年から1908年にかけて、アレクサンダー・グラハム・ベルは、主に航海工学および航空工学のために、四面体幾何学に基づくスペースフレームを開発しました。彼は四面体トラスを発明しました。[ 1 ] [ 2 ]

マックス・メンゲリングハウゼンは1943年にドイツでMERO（ ME ngeringhausen RO hrbauweiseの頭文字）と呼ばれる空間グリッドシステムを開発しました。これは建築における最初の空間トラスの使用でした。 [ 3 ]現在でも一般的に使用されているこの方法は、個々の管状部材をノードジョイント（ボール形状）で接続したもので、そのバリエーションには空間デッキシステム、オクテットトラスシステム、キュービックシステムなどがあります。

フランスのステファン・ド・シャトーは、三方向SDCシステム（1957年）、ユニバットシステム（1959年）、ピラミテック（1960年）を発明しました。[ 4 ] [ 5 ]個々の柱の代わりに樹木支柱を使用する方法が開発されました。[ 6 ]

バックミンスター・フラーは、建築構造物に焦点を当てながら、 1961年にオクテットトラス（米国特許2,986,241）の特許を取得しました[ 7 ]。

1980年に発表されたギルマンのテトラヘドラルトラスは、結晶固体の分子マトリックスに関する研究で知られる材料科学者、ジョン・J・ギルマンによって開発されました。ギルマンはバックミンスター・フラーの建築用トラスに感銘を受けており、テトラヘドラルノードの配置を互いに回転させることによって、より強固なマトリックスを開発しました。

設計手法

スペースフレームは通常、剛性マトリックスを用いて設計されます。建築用スペースフレームにおける剛性マトリックスの特徴は、角度係数に依存しないことです。接合部が十分に剛性であれば、角度たわみは無視でき、計算が簡素化されます。

概要

半八面体が青く強調表示された簡略化されたスペースフレーム屋根

最も単純な形態のスペースフレームは、アルミニウムまたは鋼管製の支柱で構成された、四角錐と四面体を連結した水平スラブです。より強固な形態は、四面体を連結し、すべての支柱の長さが単位長さとなる構造で、等方性ベクトルマトリックスと呼ばれます。また、単位幅が1つの八面体トラスと呼ばれる構造もあります。より複雑な形態では、支柱の長さを変えることで構造全体を曲線状にしたり、他の幾何学的形状を取り入れたりします。

種類

スペースフレームは様々な方法で分類することができます。[ 8 ]

曲率分類

  • スペースプレーンカバー：これらの空間構造は平面状の下部構造から構成されています。その挙動は、平面内のたわみが水平バーを介して伝達され、せん断力が対角線によって支持される板に似ています。[ 9 ]
インドのこの鉄道駅は、樽型ヴォールト構造で支えられている。
  • バレル・ヴォールト：このタイプのヴォールトは、単純なアーチの断面を持ちます。通常、このタイプのスペースフレームでは、四面体モジュールやピラミッドを裏打ち材として使用する必要がありません。
  • 球状ドームやその他の複合曲線では通常、四面体モジュールまたはピラミッドの使用と、スキンによる追加のサポートが必要になります。

要素の配置による分類

  • 単層グリッド: すべての要素は近似する表面上に配置されます。
  • 二層グリッド：要素は一定の距離を置いて互いに平行な2つの層に配置されます。各層は三角形、正方形、または六角形の格子を形成し、層内のノードの投影は重なり合ったり、互いにずれたりすることがあります。対角線は、空間内で異なる方向にある両層のノードを接続します。このタイプのメッシュでは、要素は上部コルドン、コルドン、下部対角線コルドンの3つのグループに関連付けられます。
  • 3層グリッド：要素は対角線で結ばれた3つの平行な層に配置されます。ほとんどの場合、平面です。

スペースフレームとして分類できる他の例としては、次のものがあります。

  • プリーツ金属構造：型枠やコンクリート打設が抱えていた問題を解決するために登場しました。通常は溶接接合で施工されますが、プレファブリケーション接合部を盛り上げることで空間メッシュを形成します。
  • 吊り下げカバー：ケーブル張線、スパイン、カテナリーアーチ（逆ケーブル）の設計は、理論上、他のどの方法よりも優れた力の伝達能力を示し、構成とあらゆる種類の植物カバーへの適応性において無限の可能性を秘めています。しかし、形状の精度が低いと、荷重を受けたストランドが予期せぬ応力で曲がってしまう危険性があります。この問題を軽減するには、事前圧縮と事前応力付与の要素が必要です。多くの場合、吊り下げカバーは、カバーされたエンクロージャの音響と換気に最も適した、最も安価な解決策となる傾向があります。ただし、振動には弱いという欠点があります。
  • 空気圧構造: 加圧状態にさらされる閉鎖膜は、このグループに含まれると考えられます。

アプリケーション

建物

車両：

  • 航空機
  • 自動車
  • オートバイ
  • 自転車
  • 宇宙船

建築デザイン要素

工事

スペースフレームは現代の建築において一般的な特徴であり、モダニズム建築の商業ビルや工業ビルの大きな屋根スパンによく見られます。

スペースフレームをベースにした建物の例には次のようなものがあります。

大型のポータブルステージや照明ガントリーも、スペースフレームやオクテットトラスで構築されることが多いです。

車両

航空機

ヨーマン YA-1 vs CAC CA-6 ワケットフレーム
ベル 47G

CAC CA-6 ワケットとヨーマン YA-1 クロップマスター 250R航空機は、ほぼ同じ溶接鋼管胴体フレームを使用して製造されました。

初期の「ワーリーバード」スタイルの露出ブームヘリコプターの多くには、ベル 47シリーズなどの管状のスペースフレームブームがありました。

車

ジャガー C タイプ自動車レーサーチューブラースペース フレーム (1951-1953)
メルセデス・ベンツ 300 SLスポーツカーのチューブラーフレーム (1954-1957)
スペースフレーム構造を披露するチリのキットカー（2013年）

スペースフレームは、自動車やオートバイのシャーシ設計に用いられることがあります。スペースフレームとチューブフレームのどちらのシャーシでも、サスペンション、エンジン、ボディパネルはチューブ状の骨格フレームに取り付けられており、ボディパネルは構造的な機能をほとんど、あるいは全く持ちません。一方、ユニボディまたはモノコック設計では、ボディ自体が構造の一部として機能します。

チューブフレームシャーシはスペースフレームシャーシよりも古く、初期のラダーシャーシの発展形です。以前のオープンチャンネルセクションではなくチューブを使用する利点は、ねじり力に対する耐性が優れていることです。チューブシャーシの中には、2本の大径チューブで作られたラダーシャーシとほとんど変わらないものや、バックボーンシャーシとして1本のチューブを使用したものもありました。多くのチューブラーシャーシは追加のチューブを備え、「スペースフレーム」と呼ばれることさえありましたが、その設計がスペースフレームとして正しく応力計算されることは稀で、機械的にはチューブラダーシャーシとして動作し、接続されたコンポーネントを支持するための追加のブラケットを備えていました。真のスペースフレームの特徴は、各ストラットにかかる力はすべて引張力または圧縮力であり、曲げ力は発生しないことです。[ 10 ]これらの追加のチューブは確かに追加の荷重を支えましたが、剛体スペースフレームに斜めにされることはほとんどありませんでした。[ 10 ]

最初の真のスペースフレームシャーシの候補としては、1929年にオーストラリアのメルボルンでボブとビルのチェンバレン兄弟が製作した一台限りのチェンバレン8レース「スペシャル」が挙げられる。 [ 11 ]他の車両は、建築学や航空機設計から真のスペースフレーム理論を理解していたバックミンスター・フラーやウィリアム・ブッシュネル・スタウト（ダイマクションやスタウト・スカラベ）などの設計者によって1930年代に製作された。 [ 12 ]

第二次世界大戦後、レーシングカーのスペースフレーム設計の試みとして、1946年にチシタリアD46が開発されました。 [ 12 ]この車は、両側に小径のチューブを2本ずつ配置していましたが、チューブは垂直方向にさらに小さなチューブで間隔を空けており、どの平面においても斜めになっていませんでした。1年後、ポルシェはチシタリア向けにタイプ360を設計しました。このタイプ360は斜めのチューブを採用していたため、真のスペースフレームと言えるでしょう。また、ミッドリアエンジン搭載車としてはおそらく世界初の設計と言えるでしょう。[ 12 ]

1949年、ロバート・エーベラン・フォン・エーベルホルストは、その年のロンドンモーターショーに出展されたジョウェット・ジュピターを設計しました。ジョウェットは1950年のル・マン24時間レースでクラス優勝を果たしました。その後、イギリスの小規模自動車メーカーであるTVRがこのコンセプトを発展させ、マルチチューブラーシャーシを採用したアルミボディの2シーターを製造し、1949年に登場しました。

スペースフレームのジャガー C タイプレーシングカーは 1951 年に発表され、1953 年まで生産されました。1954 年にメルセデス ベンツは、当時最速の量産車であったスペースフレームの300 SL「ガルウィング」スポーツカーを発表しました。

多くのキットカーはスペースフレーム構造を採用しています。これは、少量生産にはシンプルで安価な治具のみが必要であり、アマチュア設計者でも比較的簡単にスペースフレームで良好な剛性を実現できるためです。

スペースフレームシャーシの欠点は、車両の作業空間の大部分を覆い尽くし、ドライバーとエンジンへのアクセスが困難になることです。メルセデス・ベンツ300SL「ガルウィング」は、チューブラースペースフレームの採用により通常のドアの使用が不可能になったため、象徴的な上開きドアを採用しました。

いくつかのスペースフレームは、ボルト締めされたピンジョイントで接合された取り外し可能なセクションを持つように設計されている。このような構造は、ロータス・マークIIIのエンジン周辺で既に採用されていた。[ 13 ]スペースフレームの利点は、多少不便ではあるものの、チューブに曲げ力がほとんどないためピンジョイント構造 としてモデル化できるため、取り外し可能なセクションを設けても組み立てられたフレームの強度が低下することがないことである。

オートバイと自転車

近代美術館のモールトン自転車
2006年式ドゥカティ モンスターS2R 1000

チューブラーフレーム（多くの場合、エンジンをシャーシの応力部材として使用する）は、 1978年にデビューしたホンダCBXなどのバイクで1970年代に導入されて以来、オートバイでは一般的です。イタリアのオートバイメーカーであるドゥカティは、これを広く採用しています。

スペースフレームは、応力を受けた三角形の断面を容易に形成できる自転車にも使用されています。

参照

参考文献

  1. ^ “Alexander Graham Bell” . 2003年3月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  2. ^アレクサンダー・グラハム・ベル（1903年6月）「凧の構造における四面体原理」ナショナルジオグラフィック誌XIV （ 6）。
  3. ^ 「モジュラー空間グリッド」 。2016年9月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  4. ^ 「Unibatシステム」 2010年8月4日。
  5. ^ Porto, Cláudia Estrela (2014). 「ステファン・デュ・シャトーの作品における革新的な構造構想：金属トラスから空間フレームの発展まで」（PDF） . Architectus . 4 (40). ポーランド: 51–64 . 2016年9月16日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
  6. ^スペースフレームの進化アーカイブ2015年11月19日、 Wayback Machine Cities Now
  7. ^ドロシー・ハーレー・エバー、電話（1978年6月29日）。「フラー・オン・ベル」。
  8. ^オテロ C. (1990)。 「バラの経度を確認するために、三角形の三角形の幾何学的形状を確認する必要はありません。」テシス博士。カンタブリア大学。
  9. ^ Cavia Sorret (1993).
  10. ^ a bルドヴィグセン＆コリン・チャップマン、p. 153–154
  11. ^ https://primotipo.com/2015/07/24/chamberlain-8-by-john-medley-and-mark-bisset/ . 『チェンバレン オーストラリア物語』ジョン・ヘイゼルデン
  12. ^ a b cルドヴィグセン、カール(2010).コリン・チャップマン: イノベーターの内側. ヘインズ出版. pp.  150– 164. ISBN 978-1-84425-413-2。
  13. ^ルートヴィグセン & コリン・チャップマン、p. 151
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