Les structures en acier sont à la pointe de l’architecture moderne, offrant une résistance exceptionnelle, des vitesses d’installation rapides et des possibilités de conception variées qui apportent un soutien puissant au secteur de la construction. Des vastes entrepôts industriels aux gratte-ciel commerciaux imposants, les structures en acier offrent des solutions fiables et rentables pour répondre aux défis architecturaux et techniques actuels. Ce guide explore en détail les différents types de structures en acier et leurs principaux avantages.
Si vous êtes intéressé par la façon dont les structures en acier façonnent l’environnement bâti, ce guide vous fournira des faits intéressants sur les systèmes de structures en acier.
Types courants de structures en acier
Portique rigide.
Le portique rigide est un système structurel composé de poteaux et de poutres en acier reliés par des assemblages rigides. Il est typique des structures légères en acier. La rigidité, ou « assemblage rigide », désigne la formation d’une liaison fixe et inamovible entre les composants par soudage ou boulonnage, permettant aux composants en acier de répartir la pression externe. Sa principale caractéristique est la fluidité du parcours des forces structurelles, la transmission directe des forces internes et le maintien de la stabilité globale face à diverses forces externes. Cette caractéristique permet aux techniciens d’améliorer l’efficacité de la conception grâce à la standardisation des plans de construction dès la phase de conception, réduisant ainsi considérablement les erreurs de construction.
Cette forme structurelle est actuellement largement utilisée dans les usines industrielles de moyenne portée, les centres de stockage, les ateliers logistiques et autres projets de construction. De plus, elle est particulièrement adaptée à une méthode de construction modulaire combinant préfabrication en usine et assemblage sur site. Dans la recherche d’une efficacité élevée et d’une faible consommation dans les tendances de construction modernes, sa praticité et son économie deviennent la solution structurelle privilégiée pour de plus en plus de projets industriels.
La structure à portique est généralement composée de plusieurs éléments clés, notamment des poteaux verticaux, des poutres supérieures en acier, des pannes pour le support du toit, des diagonales et des tirants pour la stabilisation, un système de support traversant l’ensemble de la structure et une ossature pignon formant le pignon. Entre les différents composants, les techniciens utilisent généralement une conception d’assemblage standardisée, ce qui non seulement réduit la complexité, mais facilite également la production modulaire. Ce système structurel est souvent utilisé dans l’industrie légère. Il présente des caractéristiques d’intégration évidentes et est particulièrement adapté aux bâtiments à faible charge de toit et aux exigences élevées en matière de flexibilité de l’espace intérieur. Prenant comme exemple une portée de 15 à 40 mètres, le portique de cette gamme offre non seulement une résistance et une stabilité élevées, mais aussi une meilleure utilisation des matériaux et des coûts de construction réduits. De plus, lorsqu’un espace plus important est nécessaire à l’intérieur du bâtiment, la surface utile peut être agrandie par l’ajout d’une mezzanine, ce qui permet de réaliser une configuration tridimensionnelle des différentes zones et d’optimiser l’utilisation de l’espace.
Structure à portique spatial
La structure à ossature spatiale est une structure tridimensionnelle constituée d’un grand nombre de barres d’acier disposées selon un motif géométrique spécifique et reliées par des nœuds. Dotée d’une forte capacité portante et d’une structure stable, elle est particulièrement adaptée aux bâtiments nécessitant de grandes portées et dépourvus de supports intermédiaires. Au quotidien, l’application la plus courante de la structure à ossature spatiale est la construction d’auvents de stations-service, généralement à nœuds sphériques, offrant une grande flexibilité et une forte plasticité.
Comparée au système traditionnel de structure poutre-poteau, la structure à ossature spatiale présente des avantages évidents en termes de stabilité structurelle, de résistance au vent et de couverture de grandes surfaces. Elle est fréquemment utilisée dans les bâtiments publics tels que les stades, les parcs d’exposition et les parcs industriels , qui sont pour la plupart des espaces ouverts et soumis à des normes strictes en matière de visibilité. Grâce à des composants standardisés et à un assemblage modulaire, le temps de construction sur site de la structure à ossature spatiale est considérablement réduit, soit près de 60 % de moins que celui des méthodes de construction traditionnelles. De plus, grâce à l’utilisation généralisée des logiciels de conception BIM, des simulations précises et la détection des collisions peuvent être réalisées dès la conception, garantissant ainsi une construction parfaitement conforme aux plans.
Structure en treillis spatial :
le système de treillis spatial est composé d’unités de structure triangulaire en acier, modules de base, assemblées par des tiges d’acier décalées. Sa principale caractéristique est de répartir uniformément la force axiale sur les tiges d’acier, réduisant ainsi considérablement le poids mort de la structure et améliorant sa rigidité globale. Ce type de structure est particulièrement adapté aux bâtiments nécessitant une toiture longue portée, courante dans les halls d’exposition, les grandes installations industrielles et les terminaux d’avions. On
appelle aussi « ferme de toit » une structure en treillis, car elle est souvent utilisée pour supporter les charges de toiture. Dans les parcs d’exposition modernes, les toitures conçues avec des structures en treillis spatial permettent non seulement de créer un espace intérieur plus large, mais aussi d’offrir une plus grande flexibilité pour l’aménagement des expositions, l’éclairage et la ventilation. La structure en treillis est également largement utilisée dans la construction de ponts. Sa conception légère et très résistante permet de réduire la charge sur la structure inférieure, diminuant ainsi le coût des fondations. Associée à une structure à câbles ou à un système de tension, elle permet également de créer une architecture plus dynamique et esthétique
Les couloirs en structure métallique servent généralement de passages aériens entre plusieurs bâtiments. Ils sont largement utilisés dans les complexes urbains tels que les hôpitaux, les campus et les parcs de bureaux. Comparés aux structures traditionnelles, les couloirs en structure métallique offrent une flexibilité et une adaptabilité technique supérieures et peuvent être personnalisés en fonction de l’espacement des bâtiments, des dénivelés et des exigences fonctionnelles. Leur structure utilise généralement des poutres en acier ou des systèmes de fermes spatiales, qui sont non seulement légers, très rigides et résistants, mais permettent également de réduire efficacement l’impact des charges sur les bâtiments d’origine. De plus, la méthode d’assemblage préfabriqué réduit considérablement les délais de construction et les dommages environnementaux causés par une construction humide, ce qui est particulièrement adapté aux environnements de bâtiments complexes. En
termes d’alliance entre fonctionnalité et esthétique, les couloirs en structure métallique offrent également d’excellentes performances. Dans les hôpitaux, par exemple, les couloirs permettent non seulement une connexion rapide entre les services, les services de consultation externe et les centres d’urgence, mais assurent également l’isolement et le passage sans obstacle des processus de transfert médical. Dans les parcs industriels d’aujourd’hui, les couloirs favorisent la collaboration entre les services. Ils sont également souvent associés à des aménagements paysagers, à des systèmes d’éclairage et de guidage pour former des symboles esthétiques spatiaux hautement reconnaissables. Pour les immeubles de grande hauteur, diverses méthodes de construction, telles que le cantilever, le câble et la suspension, permettent d’obtenir des performances structurelles stables et un langage architectural minimaliste, tout en garantissant la sécurité routière, ce qui crée également davantage de possibilités de connectivité entre les différents bâtiments.
Ponts à structure métallique :
les ponts utilisent l’acier comme principal élément porteur. Grâce à leurs avantages de haute résistance et de légèreté, les ponts à structure métallique sont devenus la forme de construction dominante dans l’ingénierie des ponts modernes. La ductilité et la précision de traitement de l’acier confèrent aux ponts une grande flexibilité dès la conception et leur permettent d’être construits de manière adaptée à divers terrains complexes, tels que les canyons de montagne, les larges rivières ou les réseaux de transport urbains denses. Parmi les types courants, on trouve les ponts à poutres-caissons, les ponts en arc, les ponts à haubans et les ponts suspendus. Le système structurel peut être sélectionné en fonction de la portée, du niveau de charge et des conditions de construction. Particulièrement dans les situations géologiques complexes et les espaces restreints, ils présentent une grande praticité et une grande adaptabilité.
Dans la pratique, les ponts à structure métallique sont largement utilisés dans divers domaines, tels que les réseaux d’autoroutes urbaines, les nœuds autoroutiers, les sauts-de-mouton, les traversées de rivières et de canaux, ainsi que les passerelles piétonnes urbaines. Par exemple, les ponts à poutres-caissons en acier des routes surélevées urbaines peuvent être rapidement assemblés sans interrompre la circulation, réduisant ainsi les interférences avec l’environnement. Dans les projets transfrontaliers de grande envergure, les ponts en arc et les ponts à treillis en acier offrent une meilleure efficacité structurelle et une meilleure sécurité de construction. Dans le domaine de l’aménagement paysager, les passerelles piétonnes en acier offrent non seulement des fonctions de passage pratiques, mais intègrent également souvent un éclairage qui crée des points de mire visuels reliant les espaces urbains. Associés à l’application de systèmes de revêtement modernes et de matériaux en acier résistant aux intempéries, les ponts en acier peuvent prolonger leur durabilité tout en réduisant considérablement les temps de maintenance, contribuant ainsi à la construction d’infrastructures de transport écologiques et durables.
Résistance et durabilité des structures en acier
Force
- Construction rapide : les composants de la structure en acier sont hautement préfabriqués et peuvent être rapidement installés sur site, ce qui réduit considérablement la période de construction.
- Flexibilité de conception : l’acier a une résistance élevée et une grande portée, adapté à diverses formes de bâtiments et aménagements d’espace.
- Durabilité : L’acier peut être recyclé, réduisant ainsi les déchets de construction et répondant aux exigences d’un développement vert et à faible émission de carbone.
- Robustesse : Les structures en acier ont d’excellentes propriétés de traction et de compression et peuvent résister à des charges extrêmes telles que le vent et les tremblements de terre.
Durabilité
- Conductivité thermique : L’acier a une forte conductivité thermique et doit être associé à une couche isolante pour contrôler les pertes d’énergie et les effets de pont thermique.
- Performances acoustiques : La structure en acier elle-même présente une faible isolation acoustique et doit être associée à des matériaux absorbant le son pour améliorer ses performances acoustiques.
Caractéristiques de performance des structures en acier
Composition chimique : le « code génétique » de l’acier.
Les performances de l’acier sont comparables à une recette soigneusement élaborée à partir de divers éléments chimiques. Le carbone est comme le squelette de l’acier. Une teneur trop faible entraînera une résistance insuffisante, tandis qu’une teneur trop élevée affectera les performances de soudage. Habituellement, la teneur en carbone de l’acier de construction est contrôlée à environ 0,2 % pour une optimisation optimale. Le manganèse et le silicium sont des « renforçateurs » importants qui peuvent améliorer significativement la ténacité et la résistance de l’acier, tandis que les impuretés telles que le soufre et le phosphore sont des molécules destructrices latentes et doivent être maintenues en dessous de 0,05 % pour éviter tout risque de fragilisation. Plus étonnant encore : l’ajout de traces d’éléments d’alliage tels que le vanadium et le titane permet de densifier la structure granulaire de l’acier, comme une couche de blindage invisible, ce qui améliore considérablement sa résistance et sa résistance aux intempéries. La métallurgie moderne a également découvert que l’ajout de cuivre peut former une couche de rouille stable à la surface de l’acier. Cette technologie « antirouille » a donné naissance au célèbre acier patinable.
Propriétés
mécaniques : le « test d’aptitude physique » de l’acier. L’indice de résistance de l’acier, comparable aux données d’aptitude physique des athlètes, illustre parfaitement sa capacité à résister à des conditions extrêmes. La limite d’élasticité correspond au point critique auquel l’acier commence à « céder », tandis que la résistance à la traction constitue sa dernière ligne de défense contre la rupture. Cependant, c’est souvent l’indice d’allongement qui détermine la sécurité de l’acier, reflétant le degré de déformation que l’acier peut supporter avant de se rompre, à l’instar de la capacité d’étirement d’un élastique. Plus cette valeur est élevée, moins l’acier risque de se rompre brutalement sous l’effet de charges soudaines telles que des tremblements de terre. Dans les régions froides, l’acier doit également réussir des tests rigoureux de résistance aux chocs à basse température (-40 °C) pour garantir qu’il ne se brisera pas comme le verre. Il est intéressant de noter que certains aciers spéciaux offrent de meilleures performances dans des environnements à très basses températures. Par exemple, l’acier utilisé dans les réservoirs de stockage de gaz naturel liquéfié peut conserver une excellente ténacité à très basses températures.
Technologie de transformation : la transformation des matières premières en produits finis.
Le processus de transformation de l’acier moderne s’apparente à une métamorphose précise. Le laminage, tel un rouleau à pâtisserie géant, presse la billette d’acier chaude pour obtenir divers profils standards, de l’acier en H classique aux tubes d’acier de précision, permettant une production efficace. Le soudage est la technique de couture des structures en acier, mais la température doit être strictement contrôlée, faute de quoi la zone de soudure risque de devenir un maillon faible. Le pliage à froid est particulièrement adapté à l’usinage de composants à parois minces. Il permet de plier des plaques d’acier en formes complexes, comme l’origami, mais une attention particulière doit être portée à la prévention de la concentration de contraintes. Avec les progrès technologiques, la combinaison de l’usinage CNC et du BIM a propulsé la fabrication de structures en acier vers l’ère de l’intelligence artificielle. Non seulement la précision d’usinage atteint le millimètre près, mais les problèmes d’installation peuvent également être anticipés grâce à la simulation tridimensionnelle. Le plus étonnant est la construction d’un gratte-ciel comme la tour de Shanghai. Sa forme torsadée exige un angle d’usinage précis de chaque plaque d’acier. Une erreur légèrement supérieure peut entraîner la défaillance de l’ensemble du système d’installation.
Questions fréquemment posées
- Quelle est la durée de vie des structures en acier ?
La durée de vie des structures en acier peut généralement dépasser 50 ans. Avec un entretien régulier et un traitement anticorrosion adéquat, cette durée de vie peut dépasser 100 ans, répondant ainsi aux besoins d’une utilisation à long terme.
- Les bâtiments en acier sont-ils sûrs en cas de tremblement de terre ?
La structure en acier présente une bonne ductilité et une bonne résistance aux tremblements de terre. Son intégrité structurelle est solide et elle peut absorber efficacement l’énergie sismique. Même en cas de tremblement de terre de forte intensité, la structure globale est protégée des dommages. Elle est très sûre et fiable.
- Les bâtiments en acier sont-ils bons pour l’environnement ?
Bien sûr, l’acier est l’un des rares matériaux de construction recyclables. Parallèlement, la construction de structures métalliques est silencieuse et produit moins de poussière, ce qui réduit non seulement le gaspillage de ressources, mais aussi les émissions de carbone, ce qui est conforme au concept de construction écologique.
- Un bâtiment en acier peut-il être agrandi ou complété ultérieurement ?
C’est l’un des principaux avantages des structures en acier. Leur assemblage est flexible et leur structure modulaire facilite les extensions ultérieures. De plus, la période de construction secondaire est courte et l’impact sur la structure d’origine est minimal.
- La charpente en acier est-elle un bon choix pour construire une maison ?
Oui. Les bâtiments à structure métallique présentent trois avantages : une grande résistance, un délai de construction court et une structure légère. Ils s’adaptent à divers terrains et climats et constituent une solution idéale pour la construction de maisons modernes.
- Comment empêcher l’acier de rouiller et de se corroder ?
Vous pouvez prévenir la rouille en pulvérisant de la peinture anticorrosion, une galvanisation à chaud ou un revêtement de revêtement, tout en combinant un entretien régulier et une conception de drainage pour prolonger efficacement la durée de vie.
