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Les
informations suivantes sont destinées à donner
aux
architectes et concepteurs quelques bases à la conception de
structures tridimensionnelles simples.
Cependant, du fait de la multitude des paramètres influant
sur
le comportement des structure,
leur aspect architectural, leur
coût, et des spécificités des
différents
systèmes, il ne peut s'agir que de recommendations et
suggestions. |
Le
choix de la modulation:
La plupart des
systèmes de Structures
Tridimensionnelles permettent de réaliser tous types de
géométries, régulières ou
non, à
modulation carrée, rectangulaire, triangulaire, ou autres.
S'agissant de charpentes classiques où la recherche
d'efficacité est le principal critère, on
préfèrera une modulation carrée ou
rectangulaire.
A l'évidence, lorsque le projet le permet, le choix de
modulations simples est une source d'économies,
d'homogénéité, et de standardisation
des
détails de coordination avec les autres corps
d'état.
Cependant, de très nombreuses
géométries sont
envisageables; quelques exemples sont donnés au chapitre des typologies.
Dimensions
des modules
Il n'existe aucun standard en la matière, mais il y a des
règles qui abaissent les coûts, les
délais, et
améliorent la qualité architecturale des
réalisations.
Le nombre, et donc les dimensions des modules, est d'abord
lié
à la portée entre appui de l'ouvrage, et
également
des charges appliquées.
En général, pour des charpentes de 20
à 50m de
portée, le nombre de modules pourra varier de 8 à
12,
voire 15. Le tableau ci après propose une modulation pour
quelques portées courantes:
| L |
N |
M |
H |
| 15m |
6 |
2.50m |
1.00m |
| 20m |
7 |
2.86m |
1.25m |
| 30m |
10 |
3.00m |
2.00m |
|
| L |
N |
M |
H |
| 40m |
10 |
4.00m |
2.50m |
| 50m |
12 |
4.16m |
3.20m |
| 60m |
12 |
5.00m |
3.75m |
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Les principaux systèmes de structures tridimensionnelles
utilisent des tubes d'acier. Ceux ci sont
généralement
produits en longueur standard de 6 ou 12m; on essaiera donc de moduler
les structures à 3m pour les portées courantes
d'une
trentaine de mètres.
La dimension des modules a une influence
prépondérente
sur le coût des structures. En effet, la partie la plus
onéreuse à fabriquer étant le noeud
d'assemblage,
on recherchera à en limiter le nombre, et de même
pour le
nombre de tubes afin de limiter les temps d"assemblages.
Le
tableau ci-après montre la variation du
nombre de composants selon la modulation, pour un ouvrage de 30m x 30m:
| Module |
Nbre |
Noeuds |
Membrures |
Assemblage |
| 2.00m |
15 |
481 |
1350 |
450
H |
| 2.50m |
12 |
313 |
864 |
360
H |
| 3.00m |
10 |
221 |
600 |
300
H |
D'autres critères doivent guider le choix de la modulation,
notamment le type de couverture. En général,
à la
structure principale est adjoint un réseau de pannes
correspondant à la modulation, et supportant la couverture.
On
essaiera donc de faire concorder les portées admissibles du
bardage avec la modulation.
Epaisseur
de nappe
La distance entre nappes hautes et basses est là aussi
libre. On
préfèrera souvent une hauteur égale
à un
demi module pour des raisons architecturales. Cependant,
l'épaisseur optimale est en général
plus
importante, notamment pour les portées moyennes, et est de
l'ordre de 1/16ème
de la portée. Lorsque les
charges sont anormalement élevées, par exemple
charge de
neige en altitude, l'épaisseur de nappe devra être
augmentée.
Idéalement, l'épaisseur de nappe devrait
être module x 20.5 / 2
qui permet d'obtenir la
même longueur pour tous les éléments.
Pour des raisons esthétiques, mais aussi constructives, on
pourra concevoir des structures à épaisseur
variable,
comme le montre les exemples ci-contre.
La question ne se pose plus pour les structures à simple
nappe,
mais seules certaines formes permettent l'utilisation de
systèmes réticulés.
Structures
à simple nappe
Les simples nappes présentent une rigidité propre
quasi
nulle; c'est donc la forme et les conditions d'appuis de l'ouvrage qui
vont assurer sa stabilité.
Les formes planes, ou proches du plan, ne peuvent se concevoir en
simple nappe, du fait que l'équilibre des forces
extérieures et intérieures ne peut être
assuré, ces dernières devant être
considérablement plus importantes pour obtenit une force
résultante d'équilibre si la surface est proche
du plan,
comme le montre les exemples ci-après. En outre de telles
situation peuvent engendrer le flambement local de la structure.
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Les
structures à simple nappe seront donc, en
général des formes
sphériques ou cylindriques; la conception de la
géométrie devra éviter que les angles
entre membrures n'approchent les 180°. |
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Modulations types
Le module idéal
Structures d'épaisseurs variables
Dome à simple nappe
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La stabilité
des ouvrages et
la conception des
supports:
Les
structures
tridimensionnelles à double nappe,
donc ayant une
rigidité propre, s'accomodent de nombreuses conception
d'appuis,
sur pratiquement tous types de supports, en
général
poutres et poteaux béton ou acier.
La stabilité d'ensemble doit être tout d'abord
soigneusement étudiée. L'avantage
considérable
offert par les structures tridimensionnelle est leur aptitude
à
transmettre tous types d'efforts, en particulier dans son plan, rendant
inutiles les contreventements horizontaux.
- Dans le cas d'appuis sur poteaux métalliques
articulés
(exemple 1 ci-contre), la stabilité d'ensemble est
assurée par contreventements classiques en long-pans et
pignons.
- Dans le cas d'appuis sur poteaux métalliques
encastrés,
ou poteaux béton, on choisiera de bloquer horizontalement la
structure en un minimum de points, si possible un point au centre des
longs-pans et des pignons, et de préférence
parallèlement aux voiles ou portiques de
stabilité selon
exemple 2. Les appuis ne devant pas transmettre d'efforts horizontaux
seront glissants au moyent de plaques de Téflon ou autre, ou
encore montés sur plaques d'élastomère
éventuellement fretté.
Ce dernier dispositif procure l'avantage d'une excellente
répartition des efforts horizontaux aux appuis, d'une
parfaite
maîtrise des contraintes et déformations
d'appuis,
et
absorbe une partie de
l'énergie engendrée par des efforts sismiques par
exemple.
Les
structures
à
simple nappes
nécessitent une conception d'appuis
très différente. Du fait de la quasi-absence de
rigidité propre, il sera souvent nécessaire de
brider les
appuis en périphérie de la nappe, ce qui n'est
envisageable que si la structure s'appuie sur un bloc (sans joint de
dilatation), ou d'étudier une conception avec treillis de
rive
tridimensionnel, comme le dôme ci -dessus, qui se contente
alors
de 3 supports.
Enfin,
les enveloppes
architecturales - structures
enveloppant un volume dans les plans horizontaux et verticaux - assurent
à elles seules la stabilité d'ensemble
de
l'ouvrage.
Dans tous les cas, les Structures Tridimensionnelles ne reportent sur
leurs appuis que des
efforts axiaux, donc pas de moments d'encastrement (sauf moments locaux
dûs aux excentrements des efforts), et sont un gage
d'économies pour les ouvrages qui les supportent. |
1
- Appuis sur poteaux métalliques
articulés
2 - Blocage sur voile ou palée de contreventement
Fonctionnement des appuis elastomère
Enveloppe
architecturale |
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