Qu’est-ce qu’un système de structure en treillis spatial ?
Les structures en treillis spatiales, également connues sous le nom de structures en treillis sphériques, sont des systèmes légers et rigides formant un motif géométrique tridimensionnel. Un système de structure en treillis spatial utilise des barres de traction et de compression orientées dans plusieurs directions pour assurer une grande stabilité.
Ces structures fonctionnent sous des conditions de charge tridimensionnelles, leur permettant de supporter des charges provenant de toutes les directions. Elles sont particulièrement efficaces pour les bâtiments antisismiques à grandes portées. Il existe trois types principaux : les treillis plans, les cadres de treillis sphériques courbes et les cadres de treillis sphériques à toit plat. Leurs avantages incluent une construction légère et la possibilité d’être façonnées sous diverses formes. Dans les treillis plans, tous les éléments et nœuds se trouvent dans un même plan, tandis que dans les structures sphériques, les éléments peuvent s’étendre dans des plans tridimensionnels.
Lorsque les axes des éléments et les forces extérieures ne sont pas situés dans le même plan, la structure formée en reliant des barres droites à leurs extrémités pour résister à la flexion est appelée système de structure en treillis spatial, également désignée comme structure tridimensionnelle. Elle est généralement composée de deux treillis plans reliés à une certaine distance. Les treillis plans offrent une bonne performance dans le plan, mais leur rigidité hors du plan reste faible.
Pour garantir l’intégrité du système de structure en treillis spatial, divers appuis doivent être installés. Toutefois, la disposition de ces appuis consomme souvent beaucoup de matériau et doit être contrôlée par le rapport de finesse, ce qui empêche une utilisation complète de la résistance du matériau. Les treillis spatiaux évitent efficacement ces inconvénients et se divisent, selon leur section, en triangles réguliers, triangles inversés et rectangles.
Composants et matériaux utilisés dans le système de structure en treillis spatial
Comparé aux sections rectangulaires, le système de structure en treillis spatial à section triangulaire réduit le nombre de barres de liaison. Lorsque la portée est grande, la corde supérieure supporte une forte compression et possède une grande section ; elle peut être divisée en deux pour former un treillis triangulaire inversé. Lorsque la portée est plus petite, la corde supérieure est plus fine et il est préférable de diviser la corde inférieure en deux, formant ainsi un treillis triangulaire régulier. Lorsque les deux cordes inférieures se croisent en un point du nœud d’appui, une forme fuselée se crée, appelée treillis en forme de navette.
Le système de structure en treillis spatial présente une grande rigidité hors du plan, une manipulation facile et une économie d’acier de support. Cependant, les calculs sont complexes : les angles spatiaux des barres sont souvent non entiers, la configuration des nœuds est compliquée et les exigences de soudure élevées. Qu’il s’agisse de treillis triangulaires ou quadrangulaires, chaque système de structure en treillis spatial peut supporter des charges dans toutes les directions, offrant ainsi une excellente résistance sismique pour les bâtiments à grandes portées. Les unités de base courantes comprennent les pyramides quadrangulaires et triangulaires, qui forment ensemble un cadre à rotules complet.
Types de système de structure en treillis spatial
Classification selon la composition structurelle
Treillis plans : tous les éléments et nœuds se trouvent dans le même plan, utilisés pour les structures simplifiées ou les supports localisés (comme les charpentes de toiture). Ces treillis ne peuvent supporter que des charges dans le plan et conviennent aux applications à petites portées. Ils offrent une structure simple, une fabrication aisée, un faible coût et une efficacité matérielle élevée.
Treillis spatiaux : les éléments et nœuds sont combinés en trois dimensions pour former une structure stable adaptée aux grandes portées et aux charges complexes (stades, dômes, structures spatiales). L’arrangement tridimensionnel leur permet de résister aux charges multidirectionnelles, y compris au vent et aux séismes. Ils offrent une stabilité globale remarquable et une grande résistance aux déformations hors plan tout en augmentant l’espace utilisable.
Classification selon la forme géométrique
Systèmes de pyramides triangulaires : constitués d’unités pyramidales triangulaires, ils offrent une stabilité intrinsèque élevée et sont couramment utilisés dans les structures à forte charge (comme les usines industrielles).
- Structures à forte charge : usines industrielles, supports d’équipements lourds (comme les ateliers de hauts-fourneaux nécessitant > 50 kN/m²)
- Grandes portées : treillis principaux des stades (portée ≥ 60 m), toitures de terminaux d’aéroport
- Haute stabilité : la géométrie triangulaire répartit uniformément les contraintes ; la rigidité latérale atteint 1/150–1/200 du rapport de portée
- Répartition des charges : les éléments coniques transforment les charges verticales en forces axiales, réduisant les moments fléchissants (par exemple, le pavillon central du Centre national d’exposition utilise un système de cônes inversés réduisant de 25 % la consommation d’acier)
Systèmes de pyramides quadrangulaires : composés d’unités pyramidales à base carrée, ils peuvent être assemblés verticalement, obliquement ou en quinconce, s’adaptant à diverses portées (salles d’exposition, aéroports).
- Optimisation bidirectionnelle de la rigidité : en ajustant l’angle du cône (30°–60°), on équilibre la rigidité dans et hors du plan. Exemple : la toiture de l’Aéroport international Chengdu Tianfu utilise une pyramide inclinée à 45°, réduisant de 30 % le coefficient de vibration éolienne.
- Économie améliorée : 15 %–20 % d’acier en moins que les structures en grille classiques (ex. : Centre des Congrès Baiyun de Guangzhou)
- Système de surface libre : forme géométrique irrégulière, barres courbes soutenant des structures aux formes spéciales (musées, pavillons).
- Modélisation paramétrique : basée sur la technologie BIM, elle permet de créer des formes complexes (ex. : précision de ± 2 mm pour les colonnes en C de l’Aéroport Beijing Daxing).
- Adaptabilité aux charges : le coefficient de forme au vent (μs ≤ 0,8) est optimisé par la courbure ; par exemple, la valeur de pression du treillis courbe de la Tour de Shanghaï atteint 1,2 kPa.
Classification selon la dimension d’expansion
Expansion unidimensionnelle : utilisée pour les appuis linéaires (comme les ponts et les tours). Ce type de système de structure en treillis spatial forme une structure en poutre s’étendant dans une seule direction, idéale pour les soutènements linéaires et les petites portées. Sa structure simple permet un montage rapide de structures temporaires ; on le retrouve dans les passerelles piétonnes urbaines et les toitures temporaires.
Expansion bidimensionnelle : appliquée aux surfaces planes ou courbes (planchers, dômes). Ce système de structure en treillis spatial crée une plaque porteuse continue couvrant de grandes surfaces. Il réduit le nombre de nœuds et convient aux toitures d’expositions, aux halls de gares et aux centres commerciaux sans colonnes intermédiaires.
Expansion tridimensionnelle : utilisée dans les configurations complexes (stations spatiales, antennes paraboliques). Ce système de structure en treillis spatial relie des modules dans trois directions, offrant une rigidité spatiale élevée et une résistance multidirectionnelle. Assemblé sous forme modulaire, il se transporte et s’agrandit facilement. Exemple : les structures paraboliques de réception satellite et les treillis modulaires des stations orbitales.
Classification selon les fonctions spéciales
Les nœuds modulaires (comme les rotules sphériques) et les connexions rapides facilitent le montage sur site ou en orbite. Ce type de système de structure en treillis spatial est idéal pour les constructions temporaires ou d’urgence, car il réduit les coûts, raccourcit les délais et permet la réutilisation sur terrains complexes.
Treillis tendus : combinés à des câbles de tension, la précontrainte améliore la stabilité. Ce système de structure en treillis spatial convient aux structures légères de grande portée (stades, grandes toitures). Le précontraint compense les déformations, allège le poids total et confère une esthétique élégante.
Répartition des charges et performance structurelle
En tant que forme architecturale efficace, le système de structure en treillis spatial présente des caractéristiques uniques de portance. Sous charge, ses éléments travaillent principalement en traction ou compression axiale, distribuant les efforts uniformément sur la section. Dans un treillis triangulaire, la corde supérieure est comprimée, l’inférieure tendue, et les diagonales subissent des efforts alternés.
Cette répartition exploite pleinement la résistance du matériau. Par rapport à une poutre pleine soumise à la flexion, le système de structure en treillis spatial couvre des portées plus grandes avec moins de matière. Dans certains stades, ces structures atteignent des portées de plusieurs centaines de mètres avec un poids réduit.
L’acier offre haute résistance, plasticité et ténacité. Sa résistance permet aux systèmes de structure en treillis spatial de supporter de lourdes charges, tandis que sa ductilité assure la dissipation d’énergie sous séisme ou vent, évitant les ruptures fragiles. Ces qualités renforcent la sécurité et la durabilité.
Par exemple, dans les zones sismiques, les charpentes en acier à haute ductilité conservent leur intégrité et limitent les dommages pendant les tremblements de terre. De plus, la préfabrication en usine d’un système de structure en treillis spatial accroît la précision et la rapidité du chantier. Ces systèmes offrent une liberté architecturale et des espaces ouverts largement utilisés dans les stades, les halls d’exposition et les terminaux aéroportuaires.
Conception, fabrication et installation
À partir des dimensions extérieures, des coordonnées nodales et des tableaux fournis par l’ingénierie, les logiciels de conception détaillée divisent le système de structure en treillis spatial en éléments rationnels. Le design de fabrication comprend plans d’assemblage, séquences de montage, dessins d’éléments et listes de matériaux.
Découpe
La structure principale est découpée à partir de tubes d’acier, les nœuds présentant des jonctions d’intersection précises. Les tubes sont coupés en petites sections standard suivant les lignes d’intersection pour faciliter la soudure et réduire les écarts dimensionnels.
Les machines de découpe par fil, plasma ou laser automatisent ce processus pour divers métaux. Les modèles plasma conviennent aux matériaux courants, tandis que les lasers offrent une coupe biseautée de haute précision.
Assemblage sur site
À l’aide d’une grue, les éléments du système de structure en treillis spatial sont placés sur le coffrage selon les plans de construction. Si une déviation dépasse la tolérance, un redressage thermique contrôlé est autorisé. Après soudure des cordes et diagonales, les dimensions sont contrôlées pour garantir la précision du montage final.
Applications typiques dans divers secteurs
Aujourd’hui, les systèmes de structure en treillis spatial sont utilisés dans les ponts, stades, aéroports et gares. On les retrouve aussi dans les auvents industriels, les structures scéniques et les véhicules tubulaires modernes.
Exemples notables :
Pont : Pont ferroviaire de Forth
L’un des premiers grands exemples de système de structure en treillis spatial : un pont à double voie avec trois treillis en porte-à-faux reliés par une travée centrale. Les cordes tubulaires supérieures et inférieures sont connectées par des diagonales, formant une charpente tridimensionnelle rigide résistante aux vents extrêmes et répondant à des normes de sécurité strictes.
Stade : Houston Dome
Premier stade couvert climatisé du monde, doté d’une coupole géodésique double de 218 mètres. Ce système de structure en treillis spatial couvre tout le stade sans colonnes, créant un immense espace libre et modulable.
Aéroport : Terminal 1 de l’Aéroport Charles de Gaulle
Le bâtiment principal, formé de pyramides inversées en béton armé, utilise un système de structure en treillis spatial tridimensionnel pour la toiture et les murs. Il offre de grandes portées, une esthétique emblématique et un espace technique intégré, illustrant la fusion entre fonctionnalité et design.
Conclusion
Avec plus de vingt ans d’expertise, XTD Steel Structure se consacre à la conception et à la réalisation de systèmes de structure en treillis spatial. Des gratte-ciel aux ponts en passant par les stades, l’entreprise a livré des milliers de projets emblématiques, alliant ingénierie avancée et savoir-faire pour diffuser l’excellence structurelle dans le monde entier.
