Conception de structures spatiales pour fermes de tuyaux en acier

Au cours des dernières années, avec la croissance continue de la production d’acier en Chine, les structures en acier sont de plus en plus utilisées dans les bâtiments en raison de leurs avantages uniques. Les structures en tubes d'acier ont également réalisé des percées significatives. Le plus grand avantage des structures en tubes d'acier est leur capacité à répondre aux exigences fonctionnelles., esthétique, et exigences économiques des bâtiments. Les structures en treillis de tuyaux en acier sont particulièrement appréciées pour leurs avantages uniques.

Conception de fermes de tuyaux en acier

1. Caractéristiques mécaniques des structures en treillis de tuyaux

Les structures en treillis de tuyaux se sont développées à partir de structures en grille. Comparé aux structures en treillis spatial, les structures en treillis tubulaires présentent des avantages et une praticité uniques, avec une utilisation de l'acier relativement économique. Ils éliminent le besoin de membrures inférieures et de rotules que l'on trouve dans les structures en treillis spatial., ce qui les rend adaptés à diverses formes architecturales, en particulier les arcs circulaires et les formes courbes arbitraires, qui sont plus avantageux que les structures en treillis spatial. Ils sont stables de tous côtés et économisent de la consommation de matériaux.

Par rapport à la section ouverte traditionnelle fermes en acier (Acier en forme de H et en forme de I), le matériau de la section transversale des fermes de tuyaux est uniformément réparti autour de l'axe neutre, offrant une excellente capacité portante en compression et en torsion et une plus grande rigidité, sans avoir besoin de plaques nodales, rendre la structure simple.

Surtout, les structures en treillis de tuyaux sont esthétiques, facile à façonner, et avoir un effet décoratif. Ils ont de bonnes performances globales, grande rigidité en torsion, et sont relativement faciles à fabriquer, installer, tourner, et lever. À paroi mince formée à froid fermes de toit en acier sont légers, rigide, économiser l'acier, et exploiter pleinement la résistance des matériaux. Ils sont particulièrement économiques dans les éléments de compression et les systèmes de support longs à rapport d'élancement contrôlé.. Actuellement, les bâtiments utilisant cette structure sont principalement des bâtiments publics. Cette structure est esthétique (peut être rendu plat, arqué, ou dans n'importe quelle forme incurvée), facile à fabriquer et à installer, structurellement stable, a une grande rigidité du toit, et de bons avantages économiques.

2. Calcul structurel des structures en treillis de tuyaux

2.1 Règles de conception de base

La hauteur d'une ferme tridimensionnelle peut être 1/12 À 1/16 de la durée. L'épaisseur d'un arc tridimensionnel peut être 1/20 À 1/30 de la durée, et la hauteur de l'arc peut être 1/3 À 1/6 de la durée. L'angle entre la corde (tuyau principal) et le web (tuyau de support), et entre les deux toiles (tuyaux de support), ne devrait pas être inférieur à 30 degrés. Pour fermes tridimensionnelles de grande portée (généralement pas moins de 30 m dans les structures en acier), le cambrage peut être envisagé, avec une valeur de cambrure ne dépassant pas 1/300 de la travée de la ferme (en général 1/500). En ce moment, la force interne des membres change peu, et la conception ne peut pas être calculée à l'aide de l'arc. Sous charges mortes et charges vives standards, la déflexion maximale des structures en treillis tubulaires ne doit pas dépasser 1/250 de la courte durée, et les porte-à-faux ne doivent pas dépasser 1/125 de la durée. La flèche maximale des structures de toit équipées d'équipements de levage suspendus ne doit pas dépasser 1/400 de la travée structurelle. Lorsqu'on améliore seulement l'apparence, la flèche maximale sous charges mortes et charges vives standard peut être considérée comme la flèche moins la valeur de renflement.

2.2 Principes généraux de calcul

Calculer les forces internes et les déplacements des structures en treillis tubulaires sous des charges de gravité et de vent, et calculer les déplacements et les efforts internes sous séisme, changements de température, règlement de soutien, et charges d'installation de construction selon des conditions spécifiques. Utilisation de la théorie élastique des systèmes de tiges spatiales et de la méthode des éléments finis, les forces et déplacements internes des systèmes de tiges spatiales peuvent être calculés. La conception non sismique doit calculer les effets des actions et les combinaisons d'actions conformément à la norme nationale en vigueur. “Code de charge de la structure du bâtiment” et déterminer les valeurs de conception des forces internes en fonction des effets de combinaison de base des sections de barre et des conceptions de nœuds. Pour la conception sismique, les effets de combinaison sismique doivent être calculés conformément à la norme nationale en vigueur “Code de conception sismique des bâtiments”. Dans les calculs de déplacement, la déflexion doit être déterminée sur la base de l'impact standard de la fonction combinée (sans multiplier le coefficient partiel de charge). Lors de l'analyse des fermes de tuyaux, si le rapport entre la longueur du segment de barre et la hauteur de la section (ou diamètre) est inférieur à 12 (tuyau principal) et 24 (tuyau de support), les nœuds peuvent être supposés articulés. Selon le principe d'équivalence statique, les charges externes peuvent être concentrées sur les nœuds dans la zone de contrôle des nœuds. Lorsqu'un membre supporte des charges locales, la contrainte de flexion locale doit être considérée séparément. En analyse structurelle, l'interaction entre la structure de grille spatiale supérieure et la structure de support inférieure doit être prise en compte.

2.3 Calcul statique

Les structures en treillis de tuyaux doivent être conçues avec des éléments de section grâce à des calculs de déplacement et de force interne.. Si les sections membres ont besoin d’ajustements, ils devraient être repensés pour répondre aux exigences de conception. Après l'achèvement de la conception, le renfort ne doit pas être remplacé. Si le remplacement est nécessaire en raison de difficultés matérielles, il doit être recalculé et répondre aux exigences de conception. Les modifications apportées aux sections de barre après l'achèvement de la conception doivent être évitées, sauf si cela est absolument nécessaire en raison de problèmes de disponibilité des matériaux.. Si des changements surviennent, la structure doit être recalculée pour garantir le respect des exigences de conception.

3. Considérations de conception pour les structures en treillis de tuyaux

3.1 Sélection du matériau et des sections

• Sélection des matériaux: L'acier utilisé dans les structures en treillis tubulaires doit répondre aux exigences des normes pertinentes. Typiquement, Acier Carbone, acier faiblement allié, et de l'acier à haute résistance sont utilisés. La sélection doit prendre en compte des facteurs tels que les exigences structurelles, Conditions environnementales, et faisabilité économique.
• Sélection de section: Les sections creuses circulaires et rectangulaires sont couramment utilisées pour les fermes de tuyaux en raison de leur capacité de charge efficace et de leur attrait esthétique.. Le choix entre sections circulaires et rectangulaires dépend des exigences spécifiques du projet, y compris les conditions de charge et les considérations architecturales.

3.2 Connexions et joints

• Soudage: Le soudage est la méthode la plus courante pour relier les éléments dans les structures en treillis tubulaires.. Le processus de soudage doit garantir des joints de haute qualité pour éviter les points faibles potentiels.
• Connexions boulonnées: Bien que moins courant dans les fermes de tuyaux, les connexions boulonnées peuvent être utilisées dans certaines circonstances, notamment pour la facilité de montage et d'entretien.
• Conception de nœud: La conception des nœuds (assemblages à l'intersection des éléments) est crucial dans les structures en treillis tubulaires. Les nœuds doivent être conçus pour transférer efficacement les forces sans provoquer de concentrations de contraintes excessives..

3.3 Prise en compte des charges dynamiques

• Charges de vent: Les charges de vent doivent être prises en compte lors de la conception des structures en treillis tubulaires., en particulier pour les structures de grande portée et celles exposées à des vitesses de vent élevées.
• Charges sismiques: Dans les régions sismiquement actives, la conception doit tenir compte des charges sismiques, s'assurer que la structure peut résister aux forces induites par les tremblements de terre.
• Vibration: Pour les structures soumises à des charges dynamiques telles que des machines ou une activité humaine, une analyse des vibrations peut être nécessaire pour garantir le confort et l’intégrité structurelle.

4. Construction et montage

4.1 Fabrication

• Fabrication de précision: La fabrication des composants des fermes de tuyaux nécessite une grande précision pour garantir que tous les éléments s'emboîtent correctement lors de l'assemblage..
• Contrôle de qualité: Des mesures rigoureuses de contrôle de qualité doivent être mises en place pendant la fabrication pour garantir que tous les composants répondent aux spécifications et aux normes de conception..

4.2 Transport et manutention

• Transport: Le transport des gros composants de fermes de tuyauterie doit être planifié avec soin pour éviter les dommages et garantir une livraison en toute sécurité sur le chantier de construction..
• Manutention: Des procédures de manipulation appropriées doivent être suivies pendant le déchargement et le positionnement pour éviter les dommages structurels et garantir la sécurité des travailleurs..

4.3 Assemblage et montage

• Plan de montage: Un plan de montage détaillé doit être élaboré, décrivant la séquence d'assemblage et les méthodes de levage et de positionnement des composants.
• Mesures de sécurité: Des mesures de sécurité doivent être mises en œuvre pour protéger les travailleurs pendant le processus de montage, y compris l'utilisation d'échafaudages, harnais de sécurité, et autres équipements de protection.
• Alignement et mise à niveau: S'assurer que tous les composants sont correctement alignés et de niveau pendant l'assemblage est crucial pour l'intégrité structurelle de la ferme..

5. Entretien et inspection

5.1 Inspections régulières

• Inspections visuelles: Des inspections visuelles régulières doivent être effectuées pour vérifier les signes d'usure, corrosion, ou des dommages.
• Essais non destructifs: Des méthodes telles que les tests par ultrasons ou la radiographie peuvent être utilisées pour détecter les défauts internes des éléments ou des joints..

5.2 Entretien

• Protection contre la corrosion: Un entretien régulier des revêtements de protection et d'autres mesures de prévention de la corrosion est essentiel, spécialement pour les structures exposées à des conditions environnementales difficiles.
• Réparation et renforcement: Tout dommage détecté doit être rapidement réparé, et des renforts doivent être ajoutés si nécessaire pour maintenir l'intégrité structurelle.

Conclusion

Les structures en treillis de tubes d'acier offrent des avantages significatifs en termes d'esthétique, performances structurelles, et efficacité matérielle. Conception appropriée, fabrication, érection, et la maintenance sont essentielles pour profiter pleinement de ces avantages. En adhérant aux principes de conception établis et aux meilleures pratiques, les ingénieurs peuvent créer des, économique, et des structures en treillis tubulaires visuellement attrayantes qui répondent aux exigences de l'architecture et de la construction modernes.