Les structures spatiales en acier sont généralement constituées de grilles ou d’unités similaires et sont couramment utilisées dans les systèmes de toiture. Ces structures en treillis sont souvent à double couche (pour assurer la rigidité requise), mais peuvent aussi être à triple couche. Les structures planes en treillis sont relativement simples en conception, calcul et fabrication, ce qui en fait un bon choix pour des toitures de différentes portées.
La structure spatiale en acier est une structure légère et rigide à géométrie tridimensionnelle. Le cadre à rotules sphériques emploie des barres de traction et de compression disposées en plusieurs directions, soumises à un état de contrainte tridimensionnel. Quel que soit le type de structure en treillis, elle peut supporter des charges provenant de toutes les directions et offrir d’excellentes performances antisismiques pour les bâtiments à grande portée.
Aperçu de la structure spatiale et du système de treillis traditionnel
La structure spatiale en acier est une structure spatiale hautement indéterminée présentant une grande rigidité, une excellente intégrité, une forte résistance aux séismes et une capacité à supporter les effets des tassements différentiels. La structure spatiale en acier est légère, consomme peu d’acier et s’applique à une grande variété d’édifices : petites, moyennes et grandes portées, plans rectangulaires, circulaires ou polygonaux. Elle convient aux bâtiments à trames de colonnes larges, offrant un espace libre suffisant pour répartir les zones selon les besoins fonctionnels.
Grâce à ces caractéristiques, la structure spatiale en acier est largement utilisée dans de nombreux types de bâtiments : gymnases, clubs, halls d’exposition, théâtres et gares ; tandis que les bâtiments industriels, entrepôts, hangars et usines adoptent aussi cette solution.
La méthode d’assemblage des barres de la grille est articulée, alors que dans la structure en treillis les barres sont articulées uniquement à l’âme et aux extrémités. Dans le modèle, bien que les cordons soient interrompus aux nœuds, ils sont reliés de façon rigide, reflétant fidèlement la réalité de la construction.
Un treillis est une structure géométriquement invariante composée de triangles formés de barres droites. Les jonctions entre barres sont appelées nœuds. Selon l’axe des barres et la répartition des forces extérieures, le treillis peut être plan ou spatial. Les structures spatiales, telles que les toitures ou les ponts, sont constituées de séries de treillis plans parallèles. S’ils sont soumis à des charges planes, on peut les simplifier en treillis plans pour le calcul.
Les treillis conventionnels sont des structures rigides constituées d’unités triangulaires invariantes. Les barres subissent principalement des efforts de traction et de compression axiale, assurant une efficacité structurelle élevée. Les structures en treillis s’adaptent bien aux porte-à-faux et grandes portées.
La structure spatiale en acier, en revanche, forme des sections tridimensionnelles composées de cordons et d’âmes créant des formes géométriques (triangles, rectangles…). La principale différence est que le treillis spatial possède des directions principales et secondaires définies, tandis que la grille n’a pas de directions marquées.
Ainsi, bien qu’il existe des différences dans la conception et la construction d’une structure en treillis spatial et d’une grille, elles partagent des principes géométriques et des méthodes d’assemblage similaires. Toutes deux privilégient la stabilité et la capacité portante, garantissant la sécurité et la fiabilité par une géométrie et des connexions rationnelles.
Il convient de noter que, qu’il s’agisse d’une structure spatiale en acier ou d’une structure en treillis, le choix des matériaux et des techniques de construction doit être soigneusement étudié pour assurer la stabilité et la durabilité. Ces formes structurelles jouent un rôle croissant dans la conception architecturale moderne, répondant aux besoins d’esthétique et de flexibilité spatiale.
Disposition structurelle : cadres 3D et 2D
Les grilles et les voûtes grillagées sont regroupées sous le terme structure spatiale en acier. Ce type relie plusieurs barres par des nœuds suivant une figure géométrique régulière, exploitant pleinement les avantages tridimensionnels et simplifiant la transmission des efforts ; il est particulièrement adapté aux bâtiments de grande portée.
Les structures formées de grilles planes à double ou multiple couche sont appelées structures spatiales (grilles), tandis que celles constituées de grilles courbes simples ou doubles sont appelées voûtes grillagées.
D’un point de vue géométrique, dans le treillis bidimensionnel, toutes les barres et lignes de nœuds se situent dans un même plan, formant une grille plane (comme la ferme de toiture d’une maison ou la poutre transversale d’un pont).
Dans la structure spatiale en acier tridimensionnelle, les barres et nœuds sont disposés dans l’espace et forment un réseau tridimensionnel avec hauteur, largeur et profondeur – comme la toiture d’un gymnase ou la charpente d’une tour de transmission.
Les structures spatiales à grande portée sont généralement composées de plusieurs sous-ensembles interconnectés ; une analyse de sensibilité aide à évaluer l’importance relative des facteurs et à optimiser la conception.
Grâce à la modélisation paramétrique, les concepteurs peuvent identifier les paramètres les plus influents et améliorer les performances globales en les ajustant.
Par exemple, modifier les conditions d’appui sur certains points clés ou les dimensions des barres peut améliorer considérablement la stabilité et la capacité portante de la structure spatiale en acier.
Les études paramétriques permettent de choisir la solution la plus sûre et économique, évitant complexité et gaspillage de matériau.
L’analyse de sensibilité accroît l’efficacité du design et réduit les risques, assurant un équilibre optimal.
Concernant les efforts, les structures en treillis bidimensionnelles ne supportent que les charges dans leur plan (poids propre, efforts horizontaux), tandis que les structures spatiales en acier tridimensionnelles résistent aux charges selon les trois axes (x, y, z) : poids vertical, vent, poussées latérales. Les barres internes équilibrent ces efforts multiaxiaux sous forme de forces axiales spatiales.
La structure spatiale en acier et la structure en treillis sont toutes deux des systèmes spatiaux, mais diffèrent dans leur géométrie, leurs nœuds, leurs performances mécaniques et leurs domaines d’application.
La première est un réseau tridimensionnel de double ou multiple couche formé d’unités courtes et uniformes constituant une « coquille tridimensionnelle », tandis que la seconde est généralement composée de groupes de barres principales reliées en cadres linéaires tridimensionnels, comme des treillis croisés.
Composants détaillés des structures spatiales et en treillis
Premier type de structure spatiale en acier
Elle est composée d’un système de treillis plans.
- Grille orthogonale bidirectionnelle : formée de deux ensembles de treillis plans dont les axes projetés forment un angle de 90°, créant des grilles carrées ou rectangulaires.
- Grille orthogonale inclinée : obtenue en faisant pivoter la grille de 45° ; l’angle reste de 90° mais chaque treillis n’est pas parallèle à l’axe du bâtiment, générant un réseau diagonal.
- Grille tridirectionnelle : plus rigide que la bidirectionnelle, adaptée aux grandes portées ; convenant aux plans triangulaires, trapézoïdaux, hexagonaux ou circulaires.
Deuxième type : structure spatiale en acier composée de pyramides à quatre sommets
Les quatre cordons supérieurs forment une base carrée et le sommet est placé sous son centre de gravité. Quatre âmes relient les coins de la base au sommet, formant une pyramide à quatre côtés. L’assemblage de ces pyramides crée une grille pyramidale.
- Grille tétraédrique droite : les bases sont parallèles à l’axe du bâtiment ; les bases forment le cordon supérieur et les sommets le cordon inférieur, décalés d’une demi-trame.
Troisième type : structure spatiale en acier composée de pyramides triangulaires
L’unité de base est un tétraèdre régulier formé de trois cordons et trois barres diagonales. Il peut être placé à l’endroit ou inversé.
- Grille de pyramides triangulaires : les sommets se connectent de sorte que les plans supérieur et inférieur soient constitués de triangles équilatéraux.
- Grille en nid d’abeilles triangulaire : composée d’unités triangulaires où les nœuds supérieurs et inférieurs se trouvent dans un même plan vertical, reliés par six barres. Cette structure en treillis réduit la quantité d’acier et distribue mieux les charges, bien que son motif hexagonal complique la conception des panneaux de toiture.
Classification des composants principaux des structures en treillis
- Système de barres : constitué de cordons (supérieur, inférieur) et d’âmes (diagonales, verticales), généralement en tubes d’acier ronds ou carrés, reliés par des nœuds formant des unités triangulaires ou polygonales.
- Structure des nœuds : comprend des nœuds soudés, boulonnés ou articulés. Par exemple, la galerie octogonale du Bâtiment National d’Information Financière de Pékin utilise des connexions articulées à supports coulissants.
- Système d’appui : fixe, coulissant unidirectionnel ou bidirectionnel, assurant la transmission des charges et la compatibilité des déformations. Le treillis précontraint du Centre des Congrès Oriental de Canton supporte une force axiale de 4 500 kN.
Comportement structurel et répartition des charges
Les structures spatiales en acier et les structures en treillis diffèrent dans leur comportement et la façon de transmettre les efforts.
Les grilles tridimensionnelles constituent des systèmes de forces spatiales : les barres travaillent axialement et les charges se diffusent dans plusieurs directions, assurant grande rigidité et stabilité.
Par exemple, la résistance bidirectionnelle des grilles permet de répartir efficacement les charges dans les bâtiments à grande portée tels que stades et terminaux. Les nœuds sphériques boulonnés ou soudés alignent les axes des barres au centre, évitant les moments fléchissants et améliorant la rigidité globale.
En revanche, les structures en treillis sont des systèmes unidirectionnels, plans ou spatiaux, constitués de cordons et d’âmes travaillant en traction ou compression axiale.
Le cordon principal absorbe les efforts issus du moment fléchissant, l’âme transmet le cisaillement. Leur rigidité latérale étant faible, elles requièrent des appuis supplémentaires pour la stabilité.
Souplesse de conception et potentiel esthétique
La structure spatiale en acier permet de réduire colonnes et murs porteurs.
Par rapport aux structures classiques, elle offre une résistance et une stabilité supérieures, augmentant la surface utile et la liberté d’aménagement intérieur.
En diminuant les points d’appui, la structure spatiale en acier crée des espaces continus, mieux ventilés et éclairés, améliorant le confort des occupants.
De plus, la haute résistance des matériaux en acier autorise de très grandes portées sans appuis intermédiaires.
Tandis que les structures traditionnelles divisent l’espace, la structure en treillis métallique réduit les supports, donnant un espace fluide et lumineux.
Les composants de la structure spatiale en acier sont modulaires et démontables : leur standardisation facilite la fabrication, le montage et la reconfiguration selon les besoins futurs.
Pendant la durée de vie du bâtiment, la structure peut être démontée et remontée, augmentant sa flexibilité et son adaptabilité.
Vitesse de construction et installation
La structure spatiale en acier permet une construction modulaire et rapide.
Grâce à la préfabrication en usine, elle réduit les travaux humides et les délais sur chantier.
Les grilles sont fabriquées et assemblées en atelier puis montées sur site, économisant du temps par rapport au béton traditionnel.
Le design modulaire facilite également extensions et transformations, favorisant la réutilisation du bâtiment.
Avantages de la préfabrication et de l’assemblage boulonné
Les nœuds sont essentiels pour la transmission des efforts.
On distingue les nœuds sphériques soudés (obtenus par pressage à chaud) et les nœuds sphériques boulonnés.
Les premiers atteignent 95 % de la résistance du métal de base, idéals pour grandes portées ; les seconds offrent une précision ± 0,5 mm et un montage rapide sur site, convenant aux structures en treillis de moyenne envergure.
Complexité du site et exigences de montage
La structure spatiale en acier est souvent assemblée en hauteur par un procédé simple ne nécessitant pas de grues lourdes.
La clé réside dans le « cadre de départ » : une fois posé, le montage en porte-à-faux de petites pyramides quadrangulaires complète la grille.
Coût, efficacité du matériau et valeur à long terme
En ingénierie métallique moderne, la structure spatiale en acier et la structure en treillis se distinguent non seulement par leurs performances, mais aussi par leur efficacité économique, matérielle et durable.
Elles incarnent la recherche d’un « haut rendement et faible consommation » en architecture contemporaine.
Du point de vue de l’utilisation du matériau, toutes deux emploient des composants normalisés pour atteindre la portance maximale avec le moins d’acier possible.
La grille tridimensionnelle emploie des barres courtes et denses, tandis que la structure en treillis ordonne des barres principales et secondaires plus longues pour obtenir grande résistance avec moins d’éléments.
Dans les deux cas, on obtient des performances optimales avec un usage minimal de métal, réduisant les coûts initiaux.
La préfabrication et la standardisation permettent une production précise en usine et un montage rapide, réduisant délais et coûts.
Les composants en acier sont faciles à remplacer et à entretenir ; même partiellement endommagés, ils ne nécessitent pas de démolition complète, diminuant les coûts de maintenance.
Quant à la durabilité et à l’adaptation environnementale, la structure spatiale en acier et la structure en treillis offrent une excellente résistance à la corrosion et à la chaleur.
Grâce aux traitements anticorrosion modernes, elles résistent longtemps aux intempéries tout en maintenant la stabilité.
Leur forte valeur résiduelle permet de recycler ou refondre les composants, réduisant les déchets et soutenant la construction verte.
Conclusion
Les structures spatiales en acier et les structures en treillis ont transformé les limites des bâtiments traditionnels grâce à leurs performances et leur flexibilité.
En réduisant les supports intérieurs, elles libèrent de vastes espaces ; leur modularité accélère la construction et améliore la durabilité, s’inscrivant dans la tendance des bâtiments écologiques.
Chez XTD Steel Structure, nous offrons des solutions en acier innovantes alliant esthétique, fonctionnalité et efficacité.
Choisir XTD, c’est choisir un partenaire fiable tourné vers l’avenir.
Construisons ensemble un futur spatial plus créatif et durable.
