Dans le cadre de la transformation intelligente de l’industrie manufacturière, les structures des bâtiments deviennent un levier essentiel pour améliorer l’efficacité opérationnelle des usines, réduire les coûts de maintenance et promouvoir le développement durable.
La structure à treillis en acier est passée du statut de structure auxiliaire à celui de solution essentielle pour la construction industrielle moderne grâce à ses caractéristiques uniques : grande portée, légèreté, robustesse et rapidité de construction. Cet article analyse systématiquement les applications innovantes et les avancées technologiques de cette structure dans de multiples scénarios industriels, en s’appuyant sur les pratiques d’ingénierie.
Entrepôts et centres logistiques : la pierre angulaire d’opérations à grande échelle et efficaces
Avec le développement rapide du e-commerce et l’innovation des technologies de fabrication intelligente, la configuration spatiale des systèmes d’entreposage modernes subit des changements importants, passant d’une extension plane à une orientation verticale intensive. Les bâtiments traditionnels en béton armé sont limités par une portée utile inférieure à 20 mètres et nécessitent la mise en place de poteaux porteurs denses, ce qui non seulement comprime le canal de circulation des équipements logistiques, mais restreint également considérablement le stockage tridimensionnel des marchandises. En revanche, le système de fermes spatiales en acier, construit selon un modèle de mécanique de grille tridimensionnelle, peut supporter une portée opérationnelle continue maximale de 60 mètres grâce à une ossature stable formée d’une combinaison d’unités triangulaires. Cette structure innovante élimine les obstacles liés à la grille des poteaux à l’intérieur de l’entrepôt et s’adapte parfaitement aux exigences strictes du système de gestion d’entrepôt intelligent pour l’agencement des équipements.
Du point de vue de la technologie de construction, le système de structure en acier présente trois avantages majeurs : premièrement, en termes de performances des matériaux, l’acier Q355 permet de réduire la consommation de matériaux de 60 à 80 % par rapport au béton dans les mêmes conditions de charge grâce à sa limite d’élasticité de 355 MPa ; Deuxièmement, lors de la phase de construction, les éléments modulaires préfabriqués sont rapidement assemblés par boulonnage et soudage, et la proportion d’installation sur site dépasse 80 %, ce qui réduit de près de moitié la durée totale des travaux. Enfin, en termes de résistance aux tremblements de terre, d’après les données mesurées du « Code de conception parasismique des bâtiments », le mécanisme de dissipation d’énergie de la structure permet de contrôler le déplacement intercouches de manière à ce qu’il soit d’un tiers à la moitié de celui des bâtiments traditionnels.
Prenons l’exemple de l’entrepôt intelligent JD, mis en service dans la région nord-ouest. Ce complexe de stockage géant, d’une superficie de 200 000 m², utilise intelligemment des fermes à section triangulaire inversée et une conception spéciale avec un espacement de 8 mètres. Grâce à des bases de support réglables pré-encastrées, le système de construction peut absorber efficacement des déformations horizontales de ± 20 mm et maintenir un fonctionnement stable même par des écarts de température extrêmes de -20 à -40 degrés. Après l’achèvement du projet, les statistiques ont montré que le ratio de volume de l’entrepôt a été multiplié par trois, l’efficacité opérationnelle des véhicules logistiques intelligents a augmenté de plus de 50 % et les coûts d’exploitation annuels ont été effectivement réduits.
Aéroports et terminaux de transport : un double test de résistance au vent et de durabilité
Les bâtiments de transport modernes intégrés posent des défis particuliers aux systèmes structurels en raison de leurs caractéristiques spatiales uniques et de leurs exigences de résistance strictes. Les grands pôles de transport, que sont les terminaux et les gares ferroviaires à grande vitesse, présentent généralement des caractéristiques telles que de grandes portées et des structures de toiture complexes, et doivent notamment faire face à de multiples épreuves climatiques extrêmes. Dans certaines régions du pays, affectées par des facteurs environnementaux, les bâtiments locaux doivent répondre aux exigences de protection contre les typhons côtiers de niveau 12, les chutes de neige abondantes depuis un demi-siècle dans le nord-est et les zones sismiques de forte intensité.
Dans ce contexte, le système de fermes spatiales en acier présente des avantages techniques significatifs : sa légèreté et sa haute résistance uniques permettent de réduire la charge des fondations de plus de 30 % par rapport aux structures traditionnelles, tout en formant un réseau de soutien multidimensionnel naturel dans la disposition des tiges. En cas de charges soudaines, il permet une dispersion mécanique grâce à un mécanisme de transfert structurel intelligent, améliorant ainsi considérablement la stabilité globale du bâtiment. Dans le cadre de cette construction spécifique, l’équipe d’ingénierie a surmonté deux problèmes majeurs : la perturbation de l’environnement éolien et la fatigue due aux charges dynamiques. En combinant la simulation aérodynamique pour optimiser la forme linéaire des composants, l’effet maximal des vibrations du vent a été réduit en dessous du seuil de 0,15 g. L’utilisation innovante d’une technologie de soudage à pénétration totale combinée à une technologie de détection par ultrasons multiéléments a permis de construire des nœuds de haute qualité dont la résistance des soudures dépasse de 15 % la norme d’acceptation actuelle des structures en acier, résolvant ainsi efficacement le problème des dommages causés par les vibrations à haute fréquence lors du décollage et de l’atterrissage des avions.
Prenons l’exemple du terminal de l’aéroport international de Pékin-Daxing : le dôme géant de 780 000 mètres carrés s’appuie sur un système de treillis tridimensionnel précis pour réaliser la transformation mécanique d’un espace libre d’une portée de 180 mètres. Grâce à l’utilisation coordonnée d’acier à haute résistance et à basse température et de technologie de modélisation numérique, l’équipe d’ingénierie a non seulement augmenté la réserve de sécurité de contrainte dans des conditions de typhon à 1,67 fois le facteur de sécurité, mais a également implanté de manière créative un dispositif de modulation de fréquence adaptative dans le système de fermes, contrôlant avec succès la réponse sensible au vent du bâtiment en dessous de la ligne de norme de confort internationale et réalisant un modèle technique dans le domaine de l’architecture de transport moderne.
Sites sportifs et lieux événementiels : grands espaces et supports de multifonctionnalité
Les stades modernes doivent répondre aux exigences d’accueil des événements internationaux (tels que la Coupe du monde et les Jeux olympiques) (par exemple, un terrain de football avec une hauteur libre supérieure ou égale à 20 mètres et une salle de basket avec une hauteur libre supérieure ou égale à 15 mètres), tout en tenant compte des usages multifonctionnels tels que les concerts et les expositions. Les structures traditionnelles en béton rendent difficile l’installation d’équipements volumineux (tels que les supports d’éclairage scénique et les supports d’écrans LED) en raison de la densité de leurs poteaux (espacement inférieur ou égal à 15 mètres). Les fermes spatiales en acier offrent de vastes espaces sans poteaux (portées allant jusqu’à 80 mètres) et une flexibilité de transformation (ajustement des cloisons par ajout ou retrait de fermes secondaires), ce qui en fait la structure privilégiée pour ce type de sites. Les fermes en acier utilisées dans les stades doivent privilégier la performance dynamique et la durabilité :
- Performance dynamique : Pendant l’événement, le mouvement des personnes et le fonctionnement des équipements généreront des vibrations à basse fréquence (fréquence 0,5-5 Hz), et le taux d’atténuation des vibrations doit être augmenté à plus de 90 % grâce à des absorbeurs de vibrations dynamiques ou en augmentant la rigidité de la ferme (par exemple en utilisant une section en caisson) ;
- Durabilité : Les fermes en plein air doivent résister à la corrosion par les ions chlorure (zones côtières) et à l’érosion par les pluies acides (villes industrielles). Elles sont généralement traitées par galvanisation à chaud (épaisseur de la couche de zinc ≥ 85 µm) ou par projection de fluorocarbone (épaisseur du film ≥ 40 µm), avec une durée de vie nominale ≥ 50 ans (norme de conception des structures en acier GB50017-2017).
Le stade principal du Centre sportif olympique de Hangzhou (« Big Lotus ») occupe une superficie totale de 256 000 mètres carrés. Sa toiture est constituée d’une structure à treillis en acier et membrane. La structure principale a une portée de 288 mètres (la plus grande de Chine) et une hauteur de 42 mètres. Elle est composée de 24 treillis radiaux et de treillis annulaires, et est construite en acier Q345GJ (acier pour structures de bâtiment, offrant d’excellentes performances de soudage et une excellente résistance sismique). Sa conception innovante adopte une section de treillis creux (l’âme est un tube circulaire creux), ce qui réduit le poids mort de 15 % tout en garantissant une résistance accrue. La surface des treillis est galvanisée à chaud puis peinte au fluorocarbone pour garantir une résistance à la rouille visible pendant 20 ans dans l’environnement pluvieux du Jiangnan. Après sa mise en service, le site pourra accueillir des matchs de football internationaux et accueillir jusqu’à 80 000 personnes grâce à la construction temporaire de tribunes.
Bâtiments industriels et usines : un modèle de compatibilité des charges et des processus
Les installations industrielles lourdes, telles que les aciéries et les usines automobiles, doivent supporter des équipements lourds (tels que des laminoirs et des ponts roulants, pesant chacun jusqu’à 500 tonnes), des environnements à haute température (comme des ateliers de laminage à chaud ≥ 80 °C) et des vibrations fréquentes (comme les machines d’emboutissage). Les treillis en acier s’adaptent avec souplesse aux exigences d’installation des équipements à différentes altitudes grâce à un agencement en couches de treillis primaires et secondaires. Leur structure en grille ouverte facilite le passage des canalisations (tels que les chemins de câbles et les gaines de ventilation) et réduit l’interférence des colonnes sur le flux de production.
Les principaux paramètres de conception des treillis en acier pour installations industrielles sont les suivants :
- Portance : La ferme principale doit pouvoir supporter la charge de l’équipement (charge concentrée ≥ 100 kN), la charge du toit (charge de neige 1,5 kN/m²) et la charge de la grue (grue de travail intermédiaire, pression des roues ≥ 200 kN). La hauteur H de la ferme est généralement comprise entre 1/10 et 1/12 de la portée (par exemple, portée de 36 mètres, hauteur de la ferme entre 3 et 3,6 mètres).
- Rigidité des nœuds : les vibrations de l’équipement seront transmises à la ferme par le support, des nœuds rigides (tels qu’une connexion à plaque croisée soudée) sont donc nécessaires pour garantir que la déformation globale de la ferme est ≤L/250 (L est la portée) ;
- Traitement anticorrosion : La concentration de brouillard acide et de brouillard alcalin dans l’atelier est élevée, et les composants de la ferme doivent utiliser un apprêt époxy riche en zinc (épaisseur du film 80 μm) + une couche de finition en polyuréthane (épaisseur du film 50 μm), et la durée de vie anticorrosion conçue est ≥ 15 ans.
Prenons l’exemple de l’atelier de coulée continue de Baosteel Zhanjiang Steel Base. Son usine principale, d’une longueur de 480 mètres et d’une largeur de 120 mètres, est dotée d’une structure à treillis en acier et d’un plancher en béton. La poutre principale a une portée de 60 mètres et une hauteur de 5 mètres. Elle est soudée à partir de barres à section carrée (section 600 × 400 × 16 × 20 mm), et les nœuds sont reliés par une combinaison de boulons haute résistance M30 et de soudures. Des coussinets isolants en caoutchouc (taux d’amortissement de 0,15) sont installés sur le support de la poutre afin de réduire le taux de transmission des vibrations à moins de 30 % en réponse aux vibrations de la machine de coulée continue (fréquence 10-50 Hz). Parallèlement, une marge de réglage de 100 mm est réservée à la membrure inférieure de la poutre afin de répondre aux exigences de réglage en hauteur des futurs nouveaux équipements. Après la mise en service, la surface d’utilisation effective de l’atelier a augmenté de 25 %, le cycle d’installation de l’équipement a été raccourci de 40 % et le coût de maintenance annuel a été considérablement réduit.
Salles d’exposition et bâtiments commerciaux : l’intégration de l’espace flexible et de l’esthétique architecturale
Les bâtiments publics tels que les salles d’exposition et les centres commerciaux doivent répondre aux exigences de flexibilité d’affichage, de transparence et de choc visuel. Les structures traditionnelles en béton rendent difficile la présentation d’objets de grande taille (sculptures et dispositifs mécaniques, par exemple) en raison de la densité des colonnes et de la hauteur limitée du plancher (généralement inférieure ou égale à 6 mètres). Les treillis en acier permettent de créer des architectures emblématiques grâce à des surfaces courbes et pliées, tout en permettant une réorganisation spatiale rapide (passage d’un mode exposition à un mode concert, par exemple) grâce à des systèmes de treillis secondaires amovibles (grilles en alliage d’aluminium, par exemple). Pour les structures en treillis en acier destinées aux bâtiments commerciaux, il est essentiel de prendre en compte à la fois la rationalité mécanique et l’expression architecturale :
- Niveau mécanique : adopter des structures hybrides telles que « string truss » et « cable truss », et utiliser des câbles (tels que des câbles en acier parallèles, avec une résistance à la traction ≥1670MPa) pour pré-tendre afin de compenser une partie du moment de flexion, réduisant ainsi la quantité d’acier utilisée dans la ferme (économie de 20 à 30 % par rapport aux fermes de flexion pures) ;
- Niveau esthétique : des surfaces courbes complexes sont générées grâce à une conception paramétrique et des moules de nœuds sont fabriqués à l’aide de la technologie d’impression 3D (précision ± 0,5 mm) pour obtenir l’effet « la structure est une décoration ».
Le Centre national des expositions et des congrès de Shanghai (site principal de l’Exposition internationale d’importation de Chine) est le plus grand bâtiment d’exposition au monde (1,5 million de mètres carrés). Sa forme en « trèfle à quatre feuilles » est composée de huit poutres en acier géantes, chacune d’une portée de 110 mètres et d’une hauteur de 42 mètres. La poutre principale adopte une section combinée « triangle inversé + support horizontal », en acier Q345B, et les nœuds sont en acier moulé (ZG310-570) pour une meilleure rigidité. La toiture est recouverte d’une membrane PVDF (transmittance de 15 %) et l’éclairage nocturne est assuré par des bandes LED intégrées à la poutre. La conception optimise spécifiquement la courbure de la poutre (5 mètres de hauteur), ce qui non seulement répond aux exigences de résistance au vent (déplacement maximal ≤ 30 mm sous un typhon de niveau 12), mais lui confère également une allure fluide et caractéristique. Après la mise en service, le site peut accueillir 4 000 stands standard en même temps, et le système de fermes secondaires modulaires peut compléter l’ajustement de la disposition de l’exposition en peu de temps.
Conclusion
Les structures à treillis en acier sont devenues la solution privilégiée pour la construction d’infrastructures industrielles grâce à leurs atouts majeurs : grande portée, légèreté, facilité d’assemblage et personnalisation. Des terminaux aéroportuaires aux entrepôts logistiques, des stades aux usines, l’expansion de leurs applications résulte essentiellement de l’intégration approfondie de la demande industrielle, de la technologie des matériaux et de la mécanique des structures. Avec le développement continu de technologies émergentes telles que le BIM et les lignes de production entièrement automatisées, les structures à treillis en acier continueront d’évoluer vers l’intelligence (systèmes de surveillance adaptatifs, par exemple) et le respect de l’environnement (utilisation d’acier recyclé), offrant ainsi un soutien solide aux avancées technologiques dans le secteur industriel.
