هيكل فضائي

الهيكل الفضائي ( أو الجمالون ثلاثي الأبعاد ) هو هيكل صلب وخفيف الوزن يشبه الجمالون ، ويتكون من دعامات متشابكة بنمط هندسي . تُستخدم الهياكل الفضائية في الهندسة المعمارية والإنشائية لتغطية مساحات واسعة مع عدد قليل من الدعامات الداخلية. ومثل الجمالون، يتميز الهيكل الفضائي بقوته بفضل الصلابة المتأصلة في المثلث؛ حيث تنتقل أحمال الانحناء ( عزوم الانحناء) كأحمال شد وضغط على طول كل دعامة.

تشمل التطبيقات الرئيسية المباني والمركبات.

بين عامي 1898 و1908، طوّر ألكسندر غراهام بيل هياكل فضائية قائمة على الهندسة رباعية الأوجه، وذلك بشكل أساسي للهندسة البحرية والجوية. وقد اخترع الجمالون رباعي الأوجه . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

قام ماكس مينغيرينغهاوزن بتطوير نظام الشبكة الفضائية المسمى MERO (اختصار لـ ME ngeringhausen RO hrbauweise ) في عام 1943 في ألمانيا، وهو أول استخدام للهياكل الشبكية الفضائية في الهندسة المعمارية. ^{[ 3 ]} تعتمد الطريقة الشائعة الاستخدام، والتي لا تزال مستخدمة ، على عناصر أنبوبية فردية متصلة عند وصلات عقدية (على شكل كرة)، بالإضافة إلى تنويعات مثل نظام سطح الفضاء، ونظام الجمالون الثماني، والنظام المكعب.

ابتكر ستيفان دو شاتو في فرنسا نظام SDC ثلاثي الاتجاهات (1957)، ونظام Unibat (1959)، ونظام Pyramitec (1960). ^{[ 4 ] [ 5 ]} كما طُوِّرت طريقة للدعامات الشجرية لاستبدال الأعمدة الفردية. ^{[ 6 ]}

حصل باكمينستر فولر على براءة اختراع للهيكل الثماني ( براءة الاختراع الأمريكية 2,986,241 ) في عام 1961 ^{[ 7 ]} أثناء تركيزه على الهياكل المعمارية .

طُوِّرَ هيكل جيلمان رباعي الأوجه عام 1980 على يد جون ج. جيلمان ، عالم المواد المعروف بأبحاثه في المصفوفات الجزيئية للمواد الصلبة البلورية. كان جيلمان معجبًا بهياكل باكمينستر فولر المعمارية، وطوّر مصفوفة أقوى، جزئيًا عن طريق تدوير محاذاة العقد رباعية الأوجه بالنسبة لبعضها البعض.

تُصمَّم الهياكل الفراغية عادةً باستخدام مصفوفة الصلابة. وتتمثل السمة المميزة لمصفوفة الصلابة في الهيكل الفراغي المعماري في استقلالها عن العوامل الزاوية. فإذا كانت الوصلات صلبة بدرجة كافية، يُمكن إهمال الانحرافات الزاوية، مما يُبسِّط الحسابات.

أبسط أشكال الهياكل الفراغية عبارة عن لوح أفقي من أهرامات مربعة متشابكة وأهرامات رباعية الأوجه ، مصنوع من دعامات من الألومنيوم أو الفولاذ الأنبوبي . أما الشكل الأكثر قوة فيتكون من أهرامات رباعية الأوجه متشابكة، حيث تكون جميع الدعامات متساوية الطول، ويُشار إليه باسم مصفوفة متجهة متساوية الخواص، أو في حالة عرض وحدة واحدة، باسم جملون ثماني الأوجه. وتختلف الأشكال الأكثر تعقيدًا في أطوال الدعامات لتقويس الهيكل الكلي، أو قد تتضمن أشكالًا هندسية أخرى.

يمكن تصنيف الهياكل الفضائية بطرق مختلفة. ^{[ 8 ]}

تصنيف الانحناء

• أغطية الفضاء المستوية: تتكون هذه الهياكل الفضائية من هياكل فرعية مستوية. ويشبه سلوكها سلوك الصفيحة التي يتم فيها توجيه الانحرافات في المستوى عبر القضبان الأفقية، بينما تتحمل الأقطار قوى القص. ^{[ 9 ]}

• الأقبية الأسطوانية : يتميز هذا النوع من الأقبية بمقطع عرضي على شكل قوس بسيط. عادةً لا يحتاج هذا النوع من الهياكل الفراغية إلى استخدام وحدات رباعية الأوجه أو أهرامات كجزء من دعامته.
• تتطلب القباب الكروية والمنحنيات المركبة الأخرى عادةً استخدام وحدات رباعية الأوجه أو أهرامات ودعم إضافي من غلاف خارجي.

التصنيف حسب ترتيب عناصره

• شبكة أحادية الطبقة: تقع جميع العناصر على السطح المراد تقريبه.
• شبكة ثنائية الطبقات: تُنظَّم العناصر في طبقتين متوازيتين بمسافة محددة بينهما. تُشكِّل كل طبقة شبكة من المثلثات أو المربعات أو السداسيات، حيث قد تتداخل إسقاطات العُقد في الطبقة أو تنزاح بالنسبة لبعضها البعض. تربط أشرطة قطرية عُقد الطبقتين في اتجاهات مختلفة في الفضاء. في هذا النوع من الشبكات، تُصنَّف العناصر إلى ثلاث مجموعات: الحبل العلوي، والحبل السفلي، والحبل السفلي القطري.
• شبكة ثلاثية الطبقات: يتم وضع العناصر في ثلاث طبقات متوازية، متصلة بالأقطار. وهي مسطحة في أغلب الأحيان.

ومن الأمثلة الأخرى التي يمكن تصنيفها كإطارات فضائية ما يلي:

• الهياكل المعدنية المطوية: ظهرت في محاولة لحل المشاكل التي واجهتها القوالب وصب الخرسانة. عادةً ما تُصنع بوصلات ملحومة، ولكن يمكن استخدام وصلات مسبقة الصنع، مما يجعلها شبكات فراغية.
• الأغطية المعلقة: تُظهر التصاميم القائمة على الكابل المشدود، والعمود الفقري، والقوس السلسلي ( القوس المقلوب ) قدرتها على توجيه القوى نظريًا بشكل أفضل من أي بديل آخر، كما أنها توفر نطاقًا واسعًا من إمكانيات التركيب والتكيف مع أي نوع من أنواع الغطاء النباتي. مع ذلك، فإن عدم دقة الشكل قد يؤدي إلى انحناء السلك المحمل تحت ضغط غير متوقع؛ ويتطلب التخفيف من هذه المشكلة استخدام عناصر الضغط المسبق والشد المسبق. في معظم الحالات، تُعد هذه الأغطية الحل الأرخص والأكثر ملاءمةً لخصائص الصوت والتهوية في الحيز المغطى. إلا أنها عرضة للاهتزاز.
• الهياكل الهوائية: يمكن اعتبار أغشية الإغلاق المعرضة لحالة الضغط ضمن هذه المجموعة.

المباني

• الهياكل الصناعية:
  • المصانع
  • المستودعات ،
• المرافق التجارية والترفيهية والخدمية:
  • الصالات الرياضية
  • قاعات المؤتمرات والأجنحة ومراكز المعارض
  • الملاعب
  • المتاحف وبيوت المعارض
  • مراكز التسوق
  • المطارات

المركبات :

• الطائرات
• السيارات
• الدراجات النارية
• الدراجات
• مركبة فضائية

عناصر التصميم المعماري

• الأتريوم
• الخطوط الجيوديسية

المركبات

الطائرات

تم بناء طائرتي CAC CA-6 Wackett و Yeoman YA-1 Cropmaster 250R باستخدام نفس إطار جسم الطائرة المصنوع من الأنابيب الفولاذية الملحومة تقريبًا.

كانت العديد من طائرات الهليكوبتر المبكرة ذات الذراع المكشوفة على طراز "الطائرة الدوارة" تحتوي على أذرع ذات إطار فضائي أنبوبي، مثل سلسلة Bell 47 .

سيارات

تُستخدم الهياكل الفراغية أحيانًا في تصميمات هياكل السيارات والدراجات النارية . في كلٍ من الهيكل الفراغي والهيكل الأنبوبي، يتم تثبيت نظام التعليق والمحرك وألواح الهيكل على إطار هيكلي من الأنابيب، وتكون وظيفة ألواح الهيكل محدودة أو معدومة. في المقابل، في تصميم الهيكل الأحادي أو الهيكل المتكامل ، يُعدّ الهيكل جزءًا من البنية.

تسبق هياكل الإطارات الأنبوبية هياكل الإطارات الفضائية، وهي تطوير لهياكل السلم السابقة . وتكمن ميزة استخدام الأنابيب بدلاً من المقاطع ذات القنوات المفتوحة في مقاومتها الأفضل لقوى الالتواء . بعض هياكل الأنابيب لم تكن سوى هياكل سلم مصنوعة من أنبوبين كبيري القطر، أو حتى أنبوب واحد كهيكل أساسي . على الرغم من أن العديد من هياكل الأنابيب طُوّرت بأنابيب إضافية ووُصفت بأنها "إطارات فضائية"، إلا أن تصميمها نادرًا ما خضع للإجهاد الصحيح كإطار فضائي، وكانت تتصرف ميكانيكيًا كهيكل سلم أنبوبي، مع دعامات إضافية لدعم المكونات الملحقة. يتميز الإطار الفضائي الحقيقي بأن جميع القوى في كل دعامة إما قوى شد أو ضغط، ولا تؤدي أبدًا إلى الانحناء. ^{[ 10 ]} على الرغم من أن هذه الأنابيب الإضافية تحمل بعض الأحمال الإضافية، إلا أنها نادرًا ما كانت تُحوّل قطريًا إلى إطار فضائي صلب. ^{[ 10 ]}

من أوائل المنافسين على لقب أول هيكل فضائي حقيقي سيارة تشامبرلين 8 المخصصة للسباقات، والتي بناها الأخوان بوب وبيل تشامبرلين في ملبورن ، أستراليا، عام 1929. ^{[ 11 ]} وينسب آخرون إنتاج سيارات مماثلة في ثلاثينيات القرن العشرين إلى مصممين مثل باكمنستر فولر وويليام بوشنيل ستاوت ( دايماكسيون وستاوت سكاراب )، الذين فهموا نظرية الهيكل الفضائي الحقيقي من خلال الهندسة المعمارية أو تصميم الطائرات. ^{[ 12 ]}

كانت سيارة سيسيتاليا D46، التي طُرحت عام 1946، محاولةً لبناء هيكل فضائي لسيارة سباق بعد الحرب العالمية الثانية. ^{[ 12 ]} استخدمت هذه السيارة أنبوبين صغيري القطر على كل جانب، لكنهما كانا مفصولين بأنابيب رأسية أصغر، ولذلك لم يكونا مائلين في أي مستوى. بعد عام، صممت بورش سيارتها من طراز 360 لصالح سيسيتاليا . وبما أن هذه السيارة تضمنت أنابيب مائلة، فيمكن اعتبارها هيكلًا فضائيًا حقيقيًا، وربما أول تصميم بمحرك وسطي خلفي. ^{[ 12 ]}

في عام 1949، صمم روبرت إيبران فون إيبرهورست سيارة جويت جوبيتر التي عُرضت في معرض لندن للسيارات في ذلك العام ؛ وحققت جويت فوزًا في فئتها في سباق لومان 24 ساعة عام 1950. وفي وقت لاحق، طورت شركة TVR ، وهي شركة بريطانية صغيرة لتصنيع السيارات، المفهوم وأنتجت سيارة بمقعدين بهيكل من سبائك معدنية على هيكل متعدد الأنابيب، والتي ظهرت في عام 1949.

تم تقديم سيارة السباق جاكوار سي-تايب ذات الهيكل الفضائي في عام 1951 واستمر إنتاجها حتى عام 1953. وفي عام 1954، قدمت مرسيدس بنز سيارة 300 إس إل "جولوينج" الرياضية ذات الهيكل الفضائي ، وهي أسرع سيارة إنتاج في ذلك الوقت.

يستخدم عدد كبير من السيارات المصنعة من قطع غيار السيارات هيكلًا فضائيًا، لأن تصنيعها بكميات صغيرة لا يتطلب سوى قوالب بسيطة وغير مكلفة ، ومن السهل نسبيًا على المصمم الهاوي تحقيق صلابة جيدة باستخدام الهيكل الفضائي.

من عيوب هيكل السيارة ذي الإطار الفضائي أنه يُغطي جزءًا كبيرًا من حيز العمل الداخلي، مما قد يُصعّب الوصول إلى كلٍ من السائق والمحرك. وقد حصلت سيارة مرسيدس-بنز 300 SL "جناح النورس" على أبوابها المميزة التي تُفتح للأعلى عندما جعل هيكلها الأنبوبي الفضائي استخدام الأبواب التقليدية أمرًا مستحيلاً.

صُممت بعض الهياكل الفضائية بأجزاء قابلة للإزالة، متصلة بوصلات دبابيس مثبتة بمسامير. وقد استُخدم هذا النوع من الهياكل سابقًا حول محرك سيارة لوتس مارك 3. [ ^{13 ] على} الرغم من بعض الإزعاج، إلا أن من مزايا الهيكل الفضائي أن انعدام قوى الانحناء في الأنابيب، الذي يسمح بتصميمه كهيكل ذي وصلات دبابيس، يعني أيضًا أن إنشاء مثل هذا الجزء القابل للإزالة لا يُقلل من قوة الهيكل المُجمّع.

الدراجات النارية والدراجات الهوائية

تُعد الإطارات الأنبوبية - التي غالباً ما تستخدم المحرك كعنصر داعم للهيكل - شائعة في الدراجات النارية، حيث تم تقديمها في السبعينيات في دراجات مثل هوندا CBX ، التي ظهرت لأول مرة في عام 1978. وتستخدمها شركة دوكاتي الإيطالية لتصنيع الدراجات النارية على نطاق واسع.

كما تم استخدام الهياكل الفضائية في الدراجات الهوائية ، والتي تفضل بسهولة التقسيم المثلثي المجهد.