Les structures spatiales en treillis sont généralement composées de grilles ou d’unités plus petites à peu près identiques et sont couramment utilisées dans les systèmes de toiture. Ces structures sont généralement à double couche (pour assurer la rigidité nécessaire), mais dans certains cas, elles peuvent également être à triple couche. Les structures en treillis plates sont relativement simples en termes de conception, de calcul, de construction et de fabrication, ce qui en fait un bon choix pour les systèmes de toiture de différentes portées.
La ferme spatiale est une structure légère et rigide de style géométrique. L’ossature à rotule utilise généralement un espacement multidirectionnel et est composée de barres de tension et de barres de pression. La structure est soumise à un état de contrainte tridimensionnel. Quel que soit le type de ferme, elle peut supporter des charges provenant de toutes les directions et contribue efficacement à la résistance sismique des bâtiments de grande portée.
Aperçu de la charpente spatiale et du système de fermes traditionnel
La structure à ossature spatiale est une structure à structure spatiale hautement indéterminée, dotée d’une grande rigidité spatiale, d’une bonne intégrité, d’une forte résistance aux tremblements de terre et capable de supporter les effets néfastes des tassements irréguliers des fondations. Légère, elle utilise moins d’acier et offre un large éventail d’applications. Elle convient aux maisons de petite, moyenne et grande portée, ainsi qu’à diverses formes de bâtiments plans, tels que les rectangles, les cercles, les secteurs et les polygones. Elle convient également aux bâtiments à grands réseaux de poteaux, offrant ainsi un espace utilisable suffisant pour une répartition optimale de l’espace selon les besoins fonctionnels.
Grâce à ces caractéristiques, la structure à ossature spatiale est largement utilisée dans divers types de bâtiments. Dans les bâtiments publics, on la retrouve notamment dans les gymnases, les clubs, les salles d’exposition, les théâtres, les salles d’attente des gares, etc. Les bâtiments industriels, les entrepôts, les hangars et les usines utilisent souvent des structures à ossature spatiale comme supports.
La méthode de connexion des tiges de la grille est articulée, tandis que les tiges de la ferme spatiale ne sont articulées qu’à l’âme et à ses extrémités. Dans le modèle, bien que les membrures soient déconnectées aux nœuds, elles sont rigidement connectées, ce qui signifie qu’elles sont continues, une caractéristique très proche de la réalité en construction.
Une ferme est une structure géométriquement invariante constituée d’une ossature triangulaire composée de tiges droites. La jonction entre les tiges est appelée nœud. Selon l’axe des tiges qui la composent et la répartition des forces externes, la ferme peut être divisée en ferme plane et ferme spatiale. Les structures spatiales, telles que les fermes de toit ou les ponts, sont composées d’une série de fermes planes parallèles. Si elles sont principalement soumises à des charges planes, elles peuvent être simplifiées en fermes planes pour le calcul.
Les fermes conventionnelles sont des structures rigides composées d’unités triangulaires géométriquement invariantes. Les tiges sont principalement soumises à des tensions et pressions axiales, et leur efficacité structurelle est très élevée. Les structures en treillis s’adaptent parfaitement aux porte-à-faux et aux portées des structures spatiales. Les treillis spatiaux sont un type de structure différent des treillis plans. Leurs sections transversales sont composées d’âmes formant des formes géométriques spécifiques, telles que des triangles et des rectangles. La principale différence entre un treillis spatial et une grille réside dans le fait que ce dernier présente des directions primaires et secondaires claires, tandis qu’une grille n’a pas de directions primaires et secondaires évidentes, ou que ses directions primaires et secondaires ne sont pas évidentes.
Par conséquent, il existe des différences significatives dans la conception et la construction d’une structure en treillis spatial .Qu’il s’agisse d’une structure à treillis ou d’une structure à grille, elles présentent toutes deux des formes géométriques et des méthodes d’assemblage spécifiques, ce qui les rend similaires. De plus, elles mettent l’accent sur la stabilité et la capacité portante de la structure, tout en garantissant sa sécurité et sa fiabilité grâce à des formes géométriques et des méthodes d’assemblage judicieuses.
Il convient de noter que, qu’il s’agisse d’une ferme spatiale ou d’une grille, le choix des matériaux et des techniques de construction doit être pris en compte dans les applications pratiques pour garantir la stabilité et la durabilité de la structure. Parallèlement, ces formes structurelles jouent un rôle de plus en plus important dans la conception architecturale moderne. Elles peuvent non seulement offrir une capacité portante efficace, mais aussi répondre aux exigences de l’architecture moderne en matière d’esthétique et de flexibilité spatiale.
Disposition structurelle : charpentes 3D et 2D
Les grilles et les coques de grille sont collectivement appelées structures à ossature spatiale. Cette structure est composée de plusieurs tiges reliées par des nœuds selon une figure géométrique régulière. Elle permet de tirer pleinement parti des avantages de l’espace tridimensionnel et simplifie la transmission des efforts, ce qui la rend particulièrement adaptée aux bâtiments de grande portée. Une structure composée de grilles plates à double ou multicouches est appelée structure à ossature spatiale (appelée grille), et une structure composée de grilles courbes à simple ou double couche est appelée coque de grille.
Du point de vue des caractéristiques géométriques, toutes les tiges et les nœuds d’une ferme bidimensionnelle (ferme plane) sont dans le même plan, formant une structure à grille plane, telle qu’une ferme de pannes de toit ou une ferme porteuse transversale d’un pont. Tandis que les tiges et les nœuds de la ferme tridimensionnelle (ferme spatiale) s’affranchissent des contraintes d’un plan unique et sont décalés et reliés dans l’espace tridimensionnel pour former une structure en grille tridimensionnelle avec hauteur, largeur et profondeur, comme le toit grillagé d’un gymnase ou la charpente d’une tour de transmission.
Les structures spatiales de grande portée sont généralement composées de plusieurs composants, et différents composants peuvent s’influencer mutuellement. L’analyse de sensibilité permet donc d’évaluer l’importance relative de différents facteurs et d’optimiser ainsi la conception. Grâce à la recherche paramétrique, les concepteurs peuvent non seulement identifier les facteurs essentiels à la performance structurelle, mais aussi améliorer la performance globale de la structure en ajustant ces paramètres. Par exemple, la modification des conditions d’appui à certains points d’appui clés ou l’ajustement des dimensions de la section transversale de certains composants peuvent améliorer significativement la stabilité et la capacité portante de la structure. De plus, les concepteurs peuvent explorer plus en détail les avantages et les inconvénients de différents schémas de conception grâce à des recherches paramétriques à grande échelle et déterminer le schéma le plus économique et le plus sûr afin d’éviter toute complexité inutile et tout gaspillage de matériaux lors de la conception. L’analyse de sensibilité aide les concepteurs à améliorer l’efficacité de la conception tout en réduisant les risques du projet et en garantissant un équilibre optimal de la structure.
En termes de caractéristiques de force, les fermes bidimensionnelles ne doivent supporter que les charges agissant sur leurs propres plans, telles que le poids mort vertical, les forces horizontales dans le plan, etc. Les forces internes des tiges sont uniquement des tensions ou pressions axiales dans le plan, sans force hors plan ; les fermes tridimensionnelles doivent supporter des charges dans les trois directions de l’espace (axes x, y et z), notamment les charges verticales, les charges horizontales dues au vent, les poussées latérales, etc. Les forces internes des tiges doivent équilibrer les forces externes multidirectionnelles, qui se manifestent par des forces axiales spatiales.
La charpente spatiale et la poutre à treillis tridimensionnelle (space truss) sont toutes deux des structures spatiales, mais leur composition géométrique, leurs caractéristiques de nœuds, leurs performances en force et leurs scénarios d’application diffèrent considérablement. Il convient de les distinguer de la nature même de la structure : du point de vue de la composition géométrique, la charpente spatiale est une structure en grille à deux ou plusieurs couches, formée de nombreuses tiges entrelacées dans l’espace selon une certaine règle (comme un tétraèdre droit, un tétraèdre oblique, une pyramide triangulaire, etc.). Les tiges sont généralement courtes et uniformes, et leur forme générale est une « coque tridimensionnelle en forme de grille », tandis que la poutre à treillis spatial est généralement composée de quelques groupes de tiges principales reliées par des nœuds pour former une ou plusieurs charpentes tridimensionnelles. Les tiges sont relativement longues et leur forme géométrique privilégie la « combinaison spatiale de composants linéaires », comme une charpente tridimensionnelle composée de poutres planes croisées.
Composants détaillés des structures à ossature spatiale et des structures à treillis spatiaux
Le premier type de structure à ossature spatiale
est composé d’un système de fermes planes.
- Grille orthogonale bidirectionnelle : Il s’agit d’une grille composée de deux ensembles de treillis plans. Les axes de projection des treillis sur le plan forment un angle de 90° et sont parallèles ou perpendiculaires à la limite. La grille ainsi formée peut être rectangulaire ou carrée.
- Grille oblique orthogonale bidirectionnelle : elle peut être obtenue en faisant pivoter la grille orthogonale bidirectionnelle de 45° sur le plan horizontal. L’angle d’intersection est également de 90°, mais chaque ferme n’est pas parallèle à l’axe du bâtiment, mais forme un angle d’intersection de 45°, ce qui donne une grille oblique orthogonale bidirectionnelle.
- Grille à trois voies : Plus rigide qu’une grille à deux voies, elle convient aux structures de grande portée. Son plan est adapté aux triangles, trapèzes et hexagones réguliers, et peut également être utilisé dans les plans circulaires.
Le deuxième type est une structure à ossature spatiale composée de pyramides à quatre coins.
Les quatre cordes supérieures forment une base conique carrée, dont le sommet est situé sous le centre de gravité du carré. Quatre toiles sont reliées entre les quatre nœuds d’angle du carré et le sommet du cône pour former une pyramide à quatre coins. La connexion des pyramides à quatre coins selon une certaine règle formera une grille pyramidale à quatre coins.
- Grille tétraédrique droite : Les bases de la grille tétraédrique sont parallèles à l’axe du bâtiment. Les bases des grilles tétraédriques sont reliées pour former la corde supérieure de la grille, et leurs sommets sont reliés pour former la corde inférieure, parallèle à l’axe du bâtiment. Les cordes supérieure et inférieure de cette grille sont de longueur égale et décalées d’une demi-travée.
Le troisième type est une structure à ossature spatiale composée de pyramides triangulaires.
Son unité de base est une pyramide triangulaire régulière composée de trois barres de corde et de trois barres diagonales, soit un tétraèdre. La pyramide triangulaire peut être placée à l’endroit ou inversée.
- Grille pyramidale triangulaire : Reliez les coins de la pyramide triangulaire de sorte que les diagrammes plans composés des cordes supérieures et inférieures soient tous des triangles équilatéraux, ce qu’on appelle une grille pyramidale triangulaire.
- Grille pyramidale triangulaire en nid d’abeille : Cette grille est également composée d’unités pyramidales triangulaires, mais son mode de connexion est le suivant : la membrure supérieure et l’âme sont situées dans le même plan vertical, et les nœuds des membrures supérieure et inférieure sont reliés par six tiges, ce qui constitue le type de grille comportant le moins de tiges aux nœuds. La longueur de la membrure supérieure comprimée étant plus courte que celle de la membrure inférieure comprimée, la force est plus raisonnable et la quantité d’acier utilisée est moindre. Cependant, la forme hexagonale de la membrure supérieure complique la conception du panneau de toiture.
Classification des composants principaux des fermes spatiales
- Système de barres : Il est composé de membrures (membrure supérieure, membrure inférieure) et d’âmes (barres diagonales, barres verticales), généralement constituées de tubes d’acier ronds ou carrés, reliées par des nœuds pour former des unités triangulaires ou polygonales. Par exemple, la membrure d’une ferme plane reprend l’effort axial converti à partir du moment de flexion, et l’âme transmet l’effort tranchant ; la ferme spatiale répartit la charge grâce à un système de barres tridimensionnel, tel qu’une ferme orthogonale, une ferme pyramidale triangulaire, etc.
- Structure nodale : elle comprend les nœuds soudés (comme les nœuds d’intersection), les nœuds boulonnés (comme les nœuds à boule boulonnée) et les nœuds à broches. Par exemple, le couloir octogonal du bâtiment national d’information financière de Pékin utilise des assemblages à broches et des supports coulissants pour une installation haute précision à haute altitude.
- Système de support : Il se compose de supports fixes, de supports coulissants unidirectionnels et de supports coulissants bidirectionnels, qui doivent répondre aux exigences de transfert de charge et de coordination des déformations. La ferme précontrainte du Centre de congrès et d’exposition de l’hôtel Oriental de Guangzhou adopte un support d’ancrage à manchon, capable de résister à une force axiale de 4 500 kN.
Performances structurelles et répartition des charges.
Les treillis et les structures en acier présentent des performances structurelles et une répartition des charges très différentes. Les treillis sont des systèmes de forces tridimensionnels. Ils forment une structure maillée à partir de pyramides triangulaires, de pyramides quadrangulaires et d’autres unités. Les tiges supportent principalement les efforts axiaux, tandis que les charges sont diffusées par des tiges multidirectionnelles. Ils présentent une rigidité spatiale et une stabilité globale élevées. Par exemple, les caractéristiques de force bidirectionnelle des treillis leur permettent de répartir efficacement les charges dans les bâtiments de grande portée (tels que les gymnases et les terminaux). Les nœuds sont reliés par des rotules boulonnées ou soudées, ce qui permet de réaliser l’intersection de l’axe de la tige au centre de la rotule, d’éviter les moments de flexion et d’améliorer la rigidité globale. Leur répartition des charges est uniforme, adaptée aux formes planes complexes (comme les cercles et les hexagones) et offre d’excellentes performances sismiques. Ils peuvent s’adapter aux conséquences d’un affaissement des fondations lors de catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre.
Les treillis sont principalement des systèmes de treillis plans ou spatiaux, composés de membrures et d’âmes, supportant principalement la traction ou la pression axiale, et appartenant à des systèmes de force unidirectionnels. La membrure du treillis plan supporte la force axiale convertie par le moment de flexion, l’âme transmet l’effort tranchant et la charge est transmise le long du plan du treillis. Leur rigidité latérale est faible et nécessite l’appui du système de support pour améliorer la stabilité. Par exemple, l’effort interne de la membrure d’un treillis à membrures parallèles augmente des deux extrémités jusqu’à mi-portée, tandis que l’effort interne de l’âme est à l’inverse ; l’effort interne de la membrure d’un treillis triangulaire est inégalement réparti, ce qui convient à des applications spécifiques comme les toitures en tuiles. Le taux d’utilisation des matériaux du treillis est élevé, notamment pour les ponts de grande portée et les installations industrielles. L’effort peut être optimisé par une disposition judicieuse des âmes, mais sa rigidité hors plan est faible et des supports sont nécessaires pour résister aux efforts latéraux.
Flexibilité de conception et potentiel esthétique :
Premièrement, la structure en acier permet de réduire l’utilisation de poteaux et de murs. Comparée aux structures traditionnelles, la grille en acier offre une résistance et une stabilité supérieures, ce qui permet de réduire le besoin en poteaux et murs. Ces derniers occupent beaucoup d’espace, ce qui limite l’agencement et l’utilisation des bâtiments. La grille en acier permet de soutenir le bâtiment avec moins de poteaux et de murs, améliorant ainsi l’utilisation de l’espace. Grâce à la réduction du nombre de poteaux et de murs, les différentes zones d’utilisation peuvent être divisées de manière flexible, offrant ainsi un espace utilisable plus important.
Deuxièmement, sa grande portée permet de créer un espace intérieur spacieux. La résistance et la rigidité élevées des structures en acier lui permettent de supporter des toitures de plus grande portée. Les structures traditionnelles nécessitent souvent davantage de points d’appui, ce qui divise l’espace intérieur en modules plus petits grâce à différents éléments porteurs. L’utilisation de grilles en acier permet de réduire considérablement le nombre de points d’appui, rendant l’espace intérieur plus continu et non limité par des points d’appui locaux. Cet espace continu améliore la ventilation et l’éclairage intérieurs, ainsi que le confort des occupants.
De plus, les composants de la grille en acier offrent une certaine flexibilité et adaptabilité. Comparés aux structures traditionnelles, ils sont plus standardisés et sérialisés, leur conception et leur fabrication sont standardisées, et leur démontage et remontage sont flexibles. Cette flexibilité permet d’ajuster et de modifier la grille en fonction des besoins pour s’adapter aux différentes fonctions et exigences d’utilisation. Lors de l’utilisation du bâtiment, si l’espace intérieur doit être réaménagé et ajusté, la grille de la structure métallique peut être démontée et remontée. Cette adaptabilité améliore considérablement la flexibilité du bâtiment, lui permettant de s’adapter aux différentes exigences d’utilisation.
Rapidité de construction et d’installation :
la structure à ossature métallique spatiale permet une modularisation et une construction rapide. La grille de la structure métallique bénéficie de bonnes conditions de production en usine et peut être préfabriquée, réduisant ainsi les délais de traitement et de construction sur site. L’ensemble de la grille peut être fabriqué et assemblé en usine, puis transporté sur site pour installation. Comparées aux structures traditionnelles en brique et béton, les grilles de la structure métallique permettent de gagner beaucoup de temps de construction, permettant ainsi de construire rapidement des bâtiments. De plus, les grilles de la structure métallique conçues et fabriquées selon une conception modulaire peuvent être facilement reconstruites et agrandies, partiellement ou totalement. Cette conception modulaire facilite la réutilisation et la transformation des bâtiments, améliorant ainsi leur flexibilité.
Avantages de la préfabrication et de l’assemblage par boulonnage des structures de la grille spatiale
Les nœuds de grille sont des éléments clés de la transmission des forces structurelles. Les nœuds à billes soudées et boulonnées sont des formes courantes. Les nœuds à billes soudées utilisent une technologie de pressage à chaud pour fabriquer des billes d’acier creuses, et les tiges et les billes d’acier sont solidement assemblées par soudage. La résistance de la soudure peut atteindre plus de 95 % du matériau de base. Ils conviennent aux grilles lourdes à grandes portées et aux forces complexes ; les nœuds à billes boulonnées utilisent des boulons haute résistance pour relier les tiges aux billes de boulon forgées. La précision d’installation peut être contrôlée à ± 0,5 mm, ce qui facilite la préfabrication en usine et l’assemblage rapide sur site, et convient aux projets de grilles de portées générales.
Complexité du site et exigences d’installation :
la grille est souvent assemblée à haute altitude. Le processus est simple et ne nécessite pas d’équipement de levage lourd. La clé de l’installation de la grille réside dans l’installation du cadre de départ. Une fois l’installation du cadre de départ terminée, l’installation en porte-à-faux de petite pyramide quadrangulaire à haute altitude est réalisée sur la base du cadre de départ pour compléter la construction de la grille.
Coût, efficacité matérielle et valeur à long terme
Dans l’ingénierie moderne des structures métalliques, les structures à ossature et à treillis spatiaux excellent non seulement en termes de performances structurelles, mais présentent également de solides avantages en termes de maîtrise des coûts, d’efficacité des matériaux et de valeur à long terme. Chacune possède ses propres caractéristiques, mais reflète la recherche fondamentale de « haute performance, faible consommation d’énergie et durabilité » de l’architecture moderne.
Du point de vue de l’utilisation des matériaux, les structures à ossature et à treillis spatiaux utilisent des composants en acier standardisés pour une portance efficace de la structure grâce à une disposition géométrique rationnelle. La structure en treillis forme un réseau tridimensionnel aux points réguliers, les tiges sont courtes et denses, le chemin mécanique est dispersé, la rigidité est importante et la quantité d’acier est bien maîtrisée. La structure à treillis spatiaux, quant à elle, forme un système tridimensionnel composé de plusieurs groupes de tiges primaires et secondaires. Les tiges sont disposées de manière à ce que la force soit clairement répartie. À portée égale, elle permet d’atteindre une capacité portante supérieure avec moins de composants. Toutes deux permettent d’obtenir une performance structurelle maximale avec un minimum d’acier, économisant ainsi des ressources et réduisant le coût initial des matériaux.
Deuxièmement, en termes de construction et de maintenance, les avantages de ces deux structures spatiales sont évidents. Grâce à un haut degré de préfabrication et de standardisation en usine, les ossatures et les fermes spatiales peuvent être fabriquées avec précision dans les usines de transformation. Seul un assemblage efficace est requis sur site, ce qui réduit considérablement les travaux en conditions humides et les délais de construction, améliore l’efficacité de la construction et limite les surcoûts liés aux intempéries ou aux retards manuels. De plus, les composants des structures en acier sont faciles à remplacer et à entretenir. Même partiellement endommagés, aucune démolition ni reconstruction à grande échelle n’est nécessaire, ce qui réduit considérablement les investissements de maintenance et les temps d’arrêt en cours d’utilisation.
En termes de durée de vie structurelle et d’adaptabilité environnementale, les ossatures et les fermes spatiales affichent une excellente durabilité. La plupart des aciers modernes ont subi un traitement anticorrosion professionnel et présentent une excellente résistance à l’oxydation, à l’humidité et à la chaleur. Ils résistent durablement à l’érosion naturelle, comme le vent, la pluie, le soleil et les températures élevées, et préservent la stabilité et la sécurité structurelles. En particulier dans les grandes portées et les espaces ouverts, les deux formes structurelles peuvent s’adapter de manière flexible aux exigences fonctionnelles complexes du bâtiment et atteindre un degré élevé d’unité entre la structure et l’espace.
De plus, ces deux types de structures présentent une valeur résiduelle élevée en fin de vie. Qu’il s’agisse d’une ossature à nœuds denses ou d’une ferme à treillis à tiges primaires et secondaires transparentes, leurs composants peuvent être recyclés ou fondus et refaits en acier de haute qualité après démontage, ce qui permet non seulement d’économiser des ressources, mais aussi de réduire l’impact des déchets de construction sur l’environnement, concrétisant ainsi le concept de « bâtiment vert ».
Conclusion
Les structures en treillis et en treillis métalliques ont révolutionné les contraintes d’espace des bâtiments traditionnels grâce à leurs excellentes performances structurelles et à leur flexibilité de conception. La réduction des éléments porteurs internes offre une plus grande liberté spatiale ; la construction modulaire améliore considérablement l’efficacité de la construction, tout en offrant une excellente durabilité et en s’inscrivant dans la tendance de développement des bâtiments écologiques.
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