Structure spatiale

Les structures spatiales sont communes dans la construction du bâtiment moderne; elles sont souvent trouvées dans des bâtiments modernistes commerciaux et industriels ayant un grand toit.

Exemples de bâtiments basés sur des structures spatiales:

• L'aéroport de Stansted, par Foster and Partners
• Tour de la Bank of China et la Pyramide du Louvre, par I. M. Pei
• Rogers Centre par Rob Robbie et Michael Allan
• McCormick Place à l'Est de Chicago
• Eden Project, Cornouailles, Angleterre
• Globen, Suède - Dôme d'un diamètre de 110 m, (1989)
• Biosphère 2 par John P. Allen, Phil Hawes, Peter Jon Pearce à Oracle, Arizona
• Jacob K. Javits Convention Center, New York City, New York
• L'Aéroport International de Sotchi à Sotchi, Russie

Les grandes scènes portables et les portiques d'éclairage sont aussi souvent construits à partir de structures spatiales et poutres en octet.

Les avions CAC CA-6 Wackett et Yeoman YA-1 Cropmaster 250R furent construits en utilisant à peu près le même fuselage en tubes d'acier soudé.

Les structures spatiales sont parfois utilisées dans les châssis d'automobiles et de motocycles. Dans les châssis à structure spatiale et les châssis-câdre à tubes, la suspension, le moteur et les panneaux de carrosserie sont attachés au squelette de tubes, et les panneaux de carrosserie n'ont pas de fonction structurelle, où très peu. En revanche, dans une conception monocoque, la carrosserie fait partie intégrante de la structure.

Les châssis-câdres à tubes précèdent les châssis à structure spatiale châssis et sont un développement des premiers châssis en échelle. L'avantage d'utiliser des tubes plutôt que des sections carrées ou rectangulaires, c'est qu'ils résistent mieux aux forces de torsion. Certains châssis tube n'étaient guère plus qu'un châssis échelle fabriqué avec deux tubes de grand diamètre, ou même un seul tube comme châssis central. Bien que de nombreux châssis tubulaires furent renforcés par d'autres tubes et furent même décrits comme "spaceframes", leur conception a rarement été faite comme un châssis à structure spatiale et ils se comportent mécaniquement comme un châssis en échelle, avec des supports additionnels pour raccorder la suspension, le moteur, etc. Ce qui distingue le vrai châssis à structure spatiale est que toutes les forces dans chaque jambe sont soit en traction soit en compression, mais jamais en flexion. Bien que certains de ces tubes portent des charges supplémentaires, ils ont rarement été diagonalisés en un châssis à structure spatiale rigide[10].

Le premier vrai châssis à structure spatiale fut produit dans les années 1930 par des designers tels que Buckminster Fuller et William Bushnell Stout (la Dymaxion et la Stout Scarab) qui comprirent la théorie du véritable châssis à structure spatiale, à partir de l'architecture ou du dessin d'avion[11].

La première voiture de course tentant un châssis à structure spatiale était la Cisitalia D46 de 1946. Elle utilisait deux tubes de petit diamètre le long de chaque côté, espacés verticalement par de petits tubes, et n'étaient donc pas diagonalisés dans n'importe quel plan. Un an plus tard, Porsche créa la Type 360 pour Cisitalia. Parce qu'il comprenait des tubes en diagonale, il peut être considéré comme le premier vrai châssis à structure spatiale en automobile.

Châssis de Jaguar C-Type

La Maserati Tipo 61 de 1959 (BirdCage) est souvent considérée comme la première voiture à châssis en structure spatiale, mais en 1949, le D^r Robert Eberan-Eberhorst conçut la Jowett Jupiter, présentée au salon de Londres en 1949 et décrochant une victoire de classe aux 24 heures du Mans en 1950. Plus tard, les petits constructeurs automobiles Britanniques ont développé le concept TVR produisant une carrosserie en alliage à deux places sur un châssis multi tubulaire, qui apparut en 1949.

Colin Chapman de Lotus a présenté sa première voiture de "production", la Mark VI, en 1952. Elle était influencée par châssis de la Jaguar C-Type, avec quatre tubes de deux diamètres différents, séparés par des tubes plus étroits. Chapman a réduit le diamètre du tube pour les Lotus plus légères, mais n'a pas réduit les petits tubes, peut-être parce qu'il considéra que cela semblerait fragile pour les acheteurs. Bien que largement décrit comme un châssis à structure spatiale, Lotus n'a pas construit un vrai châssis à structure spatiale avant la Mark VIII, avec l'influence d'autres designers ayant l'expérience dans le secteur de l'industrie aéronautique.

D'autres exemples notables de voitures ayant un châssis à structure spatiale incluent les Audi R8, Ferrari 360, Lamborghini Gallardo, la Mercedes-Benz SLS AMG, Pontiac Fiero et Saturne S-Serie.

Une kitcar chilienne montrant son châssis à structure spatiale (2013).

Un grand nombre de kit voitures, utilisent la construction en structure spatiale car la fabrication en petite quantité ne nécessite que des simple et peu coûteux gabarits, et il est relativement facile pour un concepteur amateur d'obtenir une bonne rigidité avec une structure spatiale. Ces châssis sont généralement soudés MIG, bien que les plus chers utilisent souvent des soudures TIG, un processus plus lent et plus hautement qualifié. Beaucoup ressemblent aux Lotus Mark VII, d'autres sont proches des répliques d'AC Cobra ou des supercars italiennes, et certaines sont des créations originales ne ressemblant à aucun autre véhicule. Souvent, un effort considérable fut fait par les concepteurs pour produire des vrais châssis à structure spatiale avec tous les points de charge importante calés en 3 dimensions, résultant en forces et rigidités comparables ou supérieures à celles des voitures de production. Les autres sont des cadres de tubes et non pas de véritables structures spatiales, car ils utilisent des tubes de relativement grand diamètre, souvent courbés, qui sont porteurs de charges variables, mais restent suffisamment rigides en raison de leur grand diamètre. Cependant, certaines conceptions de qualité inférieure ne sont pas de véritables structures spatiales car les tubes sont porteurs de charges de flexion considérables. Cela va entraîner une grande flexion due à des forces dynamiques, et, finalement, la fracture par fatigue, un mécanisme de défaillance qui est rare dans une véritable structure spatiale correctement conçue. La réduction de la rigidité va également nuire à la conduite.

Un inconvénient du châssis à structure spatiale est qu'il renferme beaucoup le volume de la voiture et en rend l'accès pour le conducteur et au moteur difficile. Certains spaceframes ont été conçus avec des sections amovibles, attachées par des articulations boulonnées. Une telle structure avait déjà été utilisée autour du moteur de la Lotus Mark III[12]. Bien qu'un peu gênant, un avantage du châssis à structure spatiale est que la même absence de forces de flexion dans les tubes qui lui permettent d'être modélisé comme un treillis signifie aussi que cette partie amovible ne réduira pas la force du châssis assemblé.

Bicyclette Moulton au Museum of Modern Art.

2006 Ducati Monster S2R 1000.

La moto Italienne Ducati utilise de manière intensive le châssis à tubes sur ses modèles.

Les structures spatiales ont également été utilisées pour les vélos, tels que ceux conçus par Alex Moulton.