Qu’est-ce qu’un système de structure spatiale en treillis ?
Les structures spatiales en treillis, également appelées structures sphériques en treillis, sont des structures légères et rigides qui forment un motif géométrique. Les structures sphériques en treillis utilisent généralement un système d’espacement multidirectionnel composé de tiges de tension et de tiges de compression.
Ces structures fonctionnent sous des conditions de charge tridimensionnelles, ce qui leur permet de résister à des charges provenant de toutes les directions. Elles sont particulièrement efficaces dans les bâtiments parasismiques de grande portée. Il en existe trois types : les fermes planes, les fermes sphériques courbes et les fermes sphériques à toit plat. Leurs avantages incluent une construction légère et la possibilité de prendre diverses formes. Les fermes planes ont tous leurs éléments et nœuds dans un plan, tandis que les fermes sphériques peuvent s’étendre dans des plans tridimensionnels.
Lorsque les axes des éléments de la poutre et les forces externes auxquelles ils sont soumis ne sont pas dans le même plan, la structure formée par la connexion de tiges droites à leurs extrémités pour former une structure principalement résistante à la flexion est appelée poutre à treillis spatial, ou structure à treillis tridimensionnel. Elle est généralement composée de deux poutres planes reliées à une certaine distance.
Les poutres planes présentent une bonne capacité portante dans le plan, mais leur rigidité est relativement faible hors plan. Pour garantir l’intégrité de la structure, divers supports doivent être installés. La disposition de la structure porteuse consomme souvent beaucoup de matériaux et doit être contrôlée par l’élancement, ce qui empêche d’exploiter pleinement la résistance du matériau. Les poutres à treillis spatial permettent d’éviter efficacement ces inconvénients et peuvent être divisées en triangles réguliers, triangles inversés et rectangles selon leur forme transversale.
Composants et matériaux utilisés dans les fermes spatiales
Comparées aux sections rectangulaires, les poutres à treillis à section triangulaire permettent de réduire le nombre de bielles. Pour une grande portée, la membrure supérieure présente une pression et une section importantes ; elle peut donc être divisée en deux pour former une poutre à treillis triangulaire inversée ; pour une petite portée, la membrure supérieure présente une section réduite ; il est donc préférable de diviser la membrure inférieure en deux pour former une poutre à treillis triangulaire régulière. Lorsque les deux membrures inférieures se croisent au niveau du nœud de support, une forme de navette aux extrémités pointues se forme, également appelée poutre à treillis navette. Les
poutres à treillis présentent les avantages d’une grande rigidité hors plan, d’une facilité de levage et d’utilisation, et d’une économie d’acier de support. Cependant, les calculs sont souvent fastidieux, les angles spatiaux des tiges sont généralement non entiers, la structure du nœud est complexe, les exigences de soudage sont élevées et la production est complexe. Quel que soit le type de ferme, elle peut supporter des charges provenant de toutes les directions et est plus adaptée aux bâtiments présentant de grandes distances d’effondrement parasismique. Les unités de base couramment utilisées comprennent les unités pyramidales quadrangulaires et triangulaires, qui forment un système complet de charpente à rotule.
Types de structures en treillis spatial
Classification par composition structurelle
Fermes planes : Tous les éléments et nœuds se trouvent dans le même plan, souvent utilisées pour des structures simplifiées ou un support localisé (comme les fermes de toit de bâtiment). Tous les éléments et nœuds sont coplanaires et ne peuvent supporter que des charges dans ce plan, ce qui les rend adaptés aux applications avec des charges concentrées dans le plan et de petites portées. Elles offrent une structure simple, une fabrication facile et un faible coût ; les forces agissant sur les éléments sont clairement définies (uniquement des forces axiales), ce qui se traduit par une grande efficacité matérielle.
Fermes spatiales : Les éléments et les nœuds sont combinés en trois dimensions pour former une structure spatiale stable, adaptée aux applications avec de grandes portées et des charges complexes (comme les supports de stades et d’engins spatiaux). La disposition des éléments et des nœuds en trois dimensions leur permet de résister à des charges multidirectionnelles, telles que les effets du vent et des séismes, ce qui les rend adaptées aux applications avec de grandes portées et des charges complexes. Elles offrent une forte stabilité globale et peuvent résister efficacement aux déformations hors plan. La combinaison spatiale des éléments réduit le nombre de composants de support et augmente l’espace utilisable.
Classification par forme géométrique
Systèmes pyramidaux triangulaires : Composés d’unités pyramidales triangulaires, ils offrent une grande stabilité (la stabilité inhérente des triangles) et sont couramment utilisés dans les structures à forte charge (telles que les installations industrielles).
- Structures à charges lourdes : installations industrielles , supports d’équipements lourds (tels que les ateliers de hauts fourneaux dans les aciéries, qui doivent supporter des charges supérieures à 50 kN/m²)
- Besoins en grandes portées : fermes principales de stades (portée ≥ 60 m), toitures de terminaux d’aéroport
- Haute stabilité : la géométrie triangulaire permet de solliciter uniformément les nœuds et la rigidité antilatérale atteint 1/150~1/200 du rapport de portée
- Répartition de la charge : Les éléments coniques sont utilisés pour convertir les charges verticales en forces axiales, réduisant ainsi les moments de flexion dans les éléments (par exemple, la salle d’exposition centrale du Centre national des expositions et des congrès utilise un système de cône triangulaire inversé, réduisant la consommation d’acier de 25 %)
Système pyramidal quadrangulaire : Il est composé d’unités pyramidales quadrangulaires et peut être combiné par placement vertical, placement oblique, évacuation, etc., adapté à différentes exigences de portée (telles que les halls d’exposition, les aéroports).
- Optimisation de la rigidité bidirectionnelle : en ajustant l’angle d’inclinaison du cône (30° à 60°), la rigidité dans le plan et hors plan est équilibrée. Par exemple, le toit de l’aéroport international de Chengdu Tianfu utilise une pyramide carrée inclinée à 45°, ce qui réduit le coefficient de vibration du vent de 30 %.
- Économie améliorée : 15 à 20 % d’acier en moins utilisé que les structures en grille traditionnelles (par exemple, le Centre international de congrès de Guangzhou Baiyun)
- Système de surface à forme libre : forme géométrique irrégulière, avec des tiges courbées formant des supports de surface courbes, utilisé pour les bâtiments de forme spéciale (tels que les musées).
- Modélisation paramétrique : Sur la base de la technologie BIM, des formes complexes peuvent être obtenues (comme la précision de la surface de la colonne en forme de C de l’aéroport de Pékin Daxing atteignant ± 2 mm).
- Adaptabilité à la charge : Le coefficient de forme de la charge du vent (μs ≤ 0,8) est optimisé grâce à l’ajustement de la courbure. Par exemple, la valeur de conception de la pression du vent de la poutre courbe du hall d’observation de la tour de Shanghai atteint 1,2 kPa.
Classification par dimension d’expansion
Expansion unidimensionnelle : Utilisée pour les supports linéaires (tels que les ponts et les tours). Cela crée une structure semblable à une poutre qui s’étend dans une seule direction et convient aux supports linéaires et aux petites portées. Elle offre une structure simple et une construction facile, permettant l’érection rapide de structures de support temporaires. Les exemples incluent les fermes de support des passerelles piétonnes (telles que les poutres en treillis d’acier des ponts piétonniers urbains) et les supports de toiture des bâtiments temporaires.
Expansion bidimensionnelle : Utilisée pour les supports plats ou courbes (tels que les planchers et les dômes). Cela crée une structure semblable à une plaque qui se dilate dans un plan et convient aux supports plats ou courbes qui nécessitent de grandes zones de couverture. Elle peut créer une surface de support continue, réduisant le nombre de nœuds, et convient aux structures plates telles que les planchers et les dômes. Par exemple, les halls d’exposition sur les toits sans colonnes des grands centres commerciaux utilisent des fermes bidimensionnelles pour un support continu, tout comme les auvents des quais des gares.
Expansion tridimensionnelle : Utilisée pour les connexions dans des configurations complexes (telles que les fermes de stations spatiales et les grands réseaux d’antennes). Cela crée une structure de remplissage d’espace qui peut se connecter en trois dimensions et convient aux configurations complexes et aux grandes portées. Elle offre une rigidité spatiale élevée et peut supporter des charges multidirectionnelles. Elle peut être assemblée de manière modulaire pour une extension facile. Exemples : fermes de stations spatiales et grands réseaux d’antennes : fermes de support d’antennes paraboliques pour stations de réception terrestres de satellites (utilisant une ferme tridimensionnelle pour former une forme parabolique stable). Fermes extensibles
classées par fonctions spéciales :
les nœuds modulaires (tels que les nœuds à boule) et les conceptions à connexion rapide prennent en charge l’assemblage en orbite ou l’extension sur site (comme les fermes de vaisseaux spatiaux et les bâtiments d’urgence). Les nœuds modulaires et les conceptions à connexion rapide prennent en charge l’assemblage en orbite ou l’extension sur site, ce qui les rend adaptés aux bâtiments temporaires, aux projets d’urgence ou aux scénarios nécessitant une construction rapide. La conception modulaire raccourcit les cycles de construction, permet la réutilisation, réduit les coûts et s’adapte aux terrains complexes.
Fermes tendues : Combinée à des câbles tendus, la précontrainte améliore la stabilité, ce qui les rend adaptées aux structures légères de grande portée (telles que les auvents de stade et les toitures de grande portée). La précontrainte compense les déformations dues aux charges, réduisant ainsi l’utilisation de matériaux ; la structure est légère et esthétique.
Répartition des charges et performances structurelles :
Structures spatiales performantes, les fermes en acier de grande portée présentent des caractéristiques de portance uniques. Sous charge, leurs éléments supportent principalement une traction ou une compression axiale, ce qui se traduit par une répartition relativement uniforme des contraintes sur toute la section. Prenons l’exemple d’une ferme triangulaire en acier : soumise à une charge verticale uniformément répartie, la membrure supérieure est en compression, la membrure inférieure en traction, et les âmes, selon leur disposition, supportent soit la traction, soit la compression. Cette répartition de la charge permet au matériau d’exploiter pleinement sa résistance. Comparée à une poutre pleine soumise à la flexion, une ferme en acier peut couvrir un espace plus vaste en utilisant moins de matériau, sous les mêmes conditions de charge. Par exemple, dans certains grands stades, les fermes en acier peuvent atteindre des portées dépassant plusieurs centaines de mètres tout en conservant un poids relativement faible.
En termes de propriétés matérielles, l’acier offre des avantages de résistance, de plasticité et de ténacité élevées. Cette résistance élevée permet aux fermes en acier de supporter des charges importantes, répondant ainsi aux exigences de portance des bâtiments de grande portée. Cette plasticité et cette ténacité garantissent que, soumise à des charges dynamiques (telles que les tremblements de terre et les vibrations du vent), la structure peut absorber l’énergie par déformation plastique, évitant ainsi une rupture fragile soudaine et améliorant sa résistance aux tremblements de terre et au vent. Par exemple, dans les bâtiments de grande portée situés dans des zones à risque sismique, les ossatures en acier, grâce à leur excellente plasticité et ténacité, peuvent maintenir l’intégrité structurelle et minimiser les dommages en cas de tremblement de terre. De plus, l’excellente maniabilité de l’acier facilite la préfabrication en usine, améliorant ainsi l’efficacité et la précision de la construction. Les treillis spatiaux, qui sont des treillis à un seul plan, offrent des portées plus importantes et une plus grande flexibilité d’agencement spatial, ce qui les rend largement utilisés dans les grands bâtiments tels que les stades, les halls d’exposition et les terminaux d’aéroport.
Processus de conception, de fabrication et d’installation
À partir des dimensions extérieures, des coordonnées des nœuds et des tables d’éléments fournies par l’institut de conception, des logiciels de conception détaillée de structures métalliques et des programmes de dessin ont été utilisés pour diviser raisonnablement la ferme et concevoir les nœuds. L’ensemble de la structure principale a été décomposé en éléments et composants individuels, puis dessinés séparément. La conception détaillée de la construction comprend principalement les éléments suivants : schéma d’agencement général de l’assemblage des nœuds, schéma de séquence d’assemblage des nœuds, schéma des éléments, schéma des nœuds et liste des matériaux.
La structure principale a été découpée
dans un tube en acier, et les éléments aux nœuds des composants étaient tous des joints d’intersection. Les tubes en acier ont été découpés en petits morceaux standard le long des lignes d’intersection, facilitant ainsi un soudage plus fluide de l’assemblage de la ferme et minimisant les problèmes dimensionnels.
Une machine de découpe à fil est un appareil industriel permettant de découper automatiquement les extrémités, les trous et les coudes des lignes d’intersection sur des tubes métalliques ronds, carrés ou profilés. Elle est principalement utilisée dans des secteurs tels que la construction, la construction navale et la construction mécanique. Les modèles plasma conviennent à une variété de matériaux métalliques, tandis que les modèles laser permettent une découpe en biseau précise.
Assemblage de composantsLes composants sont assemblés et fixés à l’aide de plaques de connexion. Les éléments d’inspection comprennent l’écart d’axe, l’espacement et le désalignement aux interfaces, la longueur des éléments, la déflexion latérale et le gauchissement, la longueur et l’angle.
La fabrication doit respecter scrupuleusement les exigences en matière d’inspection des matériaux, de précision d’usinage et de protection contre la corrosion. La découpe est réalisée par découpe plasma CNC, tandis que le pliage et le formage doivent épouser les courbes du moule, comme le cintrage à froid pour les coudes de tubes ronds. Les assemblages soudés nécessitent un pré-assemblage sur un gabarit, par soudage à l’arc submergé ou sous protection gazeuse CO₂, suivi d’un contrôle non destructif après soudage.
Séquence de soudage : Pour les membrures supérieures et inférieures, souder dans l’ordre suivant : soudage vertical -> soudage horizontal -> soudage en hauteur ; pour les interfaces entre les membrures supérieures et inférieures et les âmes, organiser la séquence de soudage en fonction des résultats de mesure. En règle générale, souder d’abord l’âme à la membrure inférieure, puis à la membrure supérieure, tout en mesurant en continu pour ajuster la séquence de soudage et contrôler la déformation.
Assemblage de la ferme sur site :
tout d’abord, utilisez une grue pour placer les composants sur le coffrage et fixer la position des éléments conformément aux spécifications de construction de la ferme. Si l’écart de traitement des éléments dépasse la plage autorisée, une correction thermique est autorisée, mais la température de chauffage ne doit pas dépasser la température de normalisation. Après la correction thermique, les éléments doivent être refroidis lentement. Ensuite, soudez les joints des membrures supérieure et inférieure, puis assemblez les éléments d’âme et les supports entre les membrures supérieure et inférieure. Lors de l’assemblage, les dimensions doivent être rigoureusement contrôlées afin de garantir la précision de l’installation ultérieure.
Applications typiques dans diverses industries
Aujourd’hui, elles sont largement utilisées dans les structures de grande taille et aux formes uniques telles que les ponts, les stades, les aéroports et les gares. Les fermes spatiales sont une technique de construction de plus en plus courante, notamment pour les toitures de grandes dimensions, comme les avant-toits d’entrées commerciales et industrielles. Les scènes et les luminaires portables de plus grande taille utilisent souvent des fermes sphériques et à huit branches. Les fermes sphériques tubulaires sont également largement utilisées dans la production de motos et d’automobiles modernes, bien que les carrosseries monocoques soient plus courantes.
Voici quelques exemples notables de fermes sphériques dans les bâtiments :
- Pont : Pont ferroviaire du Forth
L’une des premières applications à grande échelle des structures à treillis spatiaux au monde fut un pont ferroviaire à double voie. La travée principale était constituée de trois massives poutres à treillis spatiaux en porte-à-faux, s’étendant de chaque côté des tours et reliées par une poutre plus courte au milieu. La structure comportait des doubles membrures (membrures tubulaires supérieure et inférieure) reliées par des âmes tubulaires, formant une ossature tridimensionnelle remarquablement rigide plutôt qu’une poutre plate. Cette conception résistait efficacement aux énormes charges de vent agissant sur la structure, répondant ainsi à des exigences de sécurité strictes.
- Stade : Houston Dome
Premier stade couvert climatisé de grande envergure au monde et premier stade polyvalent sous dôme, il était révolutionnaire. Sa toiture est un dôme géodésique circulaire à double couche d’un diamètre d’environ 218 mètres (plus grand encore après des extensions ultérieures). Composée d’une série d’éléments en grille reliés par des assemblages à rotule boulonnés ou soudés, cette structure en forme de coque quadrillée spatiale s’étend sur l’ensemble du stade, exempte de toute colonne interne, offrant un vaste espace sans colonnes pour les activités sur site.
- Airport: Paris Charles de Gaulle Airport Terminal 1
Au cœur du bâtiment se trouve un bâtiment principal composé de plusieurs pyramides inversées en béton armé. La toiture et les parois latérales de ces pyramides font largement appel à un système de treillis tridimensionnel (grille). Ce système permet non seulement d’obtenir une grande portée, répondant aux exigences importantes de dégagement côté piste, mais crée également une architecture distinctive. La conception « treillis intérieur + peau extérieure » offre également une mezzanine pour les équipements et la tuyauterie.
Conclusion
Fort de plus de deux décennies d’expertise, XTD Steel Structure est profondément engagé dans le domaine des structures préfabriquées en acier. Des gratte-ciel aux ponts transfrontaliers, des stades sportifs dynamiques aux centres d’exposition modernes, en passant par des usines standardisées et divers projets d’envergure, nous avons réalisé avec succès des milliers de projets de référence. Forts de notre savoir-faire et de notre professionnalisme, nous aspirons à faire rayonner la beauté des structures préfabriquées en acier aux quatre coins du monde.
