EP0419749B1

EP0419749B1 - Structure métallique notamment pour la couverture

Info

Publication number: EP0419749B1
Application number: EP89440099A
Authority: EP
Inventors: Bernard Viry
Original assignee: Viry Ste SA
Current assignee: Viry Ste SA
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1993-03-31
Anticipated expiration: 2009-09-25
Also published as: DE68905812D1; ATE87689T1; EP0419749A1

Description

La présente invention concerne une nouvelle structure métallique destinée à la réalisation de couvertures pour des édifices et ensembles architecturaux de toute nature, ces couvertures bénéficiant à la fois d'avantages relatifs à leur commodité d'utilisation, à leurs qualités mécaniques élevées, à une esthétique architecturale et à la facilité de leur entretien.
Une telle structure peut être désignée en termes scientifiques plus rigoureux par l'expression "résille spatiale à inertie variable", cette structure étant assez comparable à celle d'une aile d'avion moderne, suffisamment flexible pour se conformer aux contraintes constamment variables, résultant des perturbations traversées à grande vitesse par un tel avion.
Les structures métalliques actuellement utilisées possèdent déjà un ensemble de qualités, notamment d'originalité esthétique et de propriétés mécaniques qui les font rechercher dans toutes les réalisations architecturales de haut niveau. On doit toutefois considérer qu'une limite majeure à leur utilisation est leur caractère unique, conséquence de la complexité de leurs éléments constructifs, résultant elles-mêmes de l'optimisation de l'exploitation des propriétés mécaniques de ces éléments. Il en résulte un prix de revient élevé de ces structures, dont la diffusion ne dépasse guère à ce jour le domaine des édifices publics ou parapublics.
L'invention vise à supprimer cette limitation, en abaissant le prix de revient de telles structures, dans leur application à la couverture des bâtiments de toute nature et de toutes dimensions, grâce à une conception à base d'un petit nombre d'élément standards, assemblés suivant des modules également standards, répondant à des critères de comportement mécanique optimum et pouvant être composés à l'infini par des utilisateurs, même non spécialisés.
Le brevet US 3,643,391 décrit une structure visant à atteindre ce résultat, et comportant un certain nombre de poûtres fuseaux en éléments standardisés, entrecroisées suivant un motif quadrangulaire répétitif, l'ensemble des portions supérieures et des portions inférieures de ces poûtres définissant respectivement une nappe supérieure et une nappe inférieure, lesdites nappes étant reliées par des éléments standardisés verticaux et se rejoignant le long des poûtres rives en des points, où l'ensemble des efforts subis par la structure s'annulent.
Toutefois, il est clair pour un technicien qu'un tel ensemble ne peut pas se concevoir dans la pratique, car il ne serait pas stable, puisque les câbles sont par définition souples et qu'ils ne sont soumis à aucun effort de traction à leurs extrémités qui pourrait les maintenir, et que lesdits éléments verticaux ne sont soutenus que par la tension qu'ils reçoivent de la part de ces câbles.
En d'autres termes, si un effort quelconque a pour effet de faire fléchir l'un ou l'autre des câbles, il fera fléchir en même temps les éléments verticaux et toute la structure s'effondrera.
Au surplus, aucun organe de connexion n'est prévue aux emplacements de croisement des câbles, qui sont en fait continus d'une extrémité à l'autre, ce qui enlève toute possibilité de stabilité dimensionnelle aux cellules constituées par les câbles et les éléments verticaux.
Les contraintes exercées sur une telle structure, par exemple une surcharge en un point quelconque de la nappe supérieure, provoqueraient inévitablement sa distorsion et son effondrement puisque aucun point fixe n'est prévu entre leurs divers constituants.
Cet inconvénient est éliminé par la présente structure selon l'invention grâce au fait que lesdites poûtres fuseaux sont en nombre multiple de quatre et forment deux groupes se croisant suivant un angle d'environ 60° (respectivement 30°) en créant un motif répétitif d'allure rhombique dans lequel des entretoises verticales de hauteur décroissante depuis la zone centrale jusqu'aux rives, réunissant les couples de noeuds de croisement supérieurs et inférieurs respectivement superposés, définissent, avec les segments correspondants des éléments formant les portions supérieures et inférieures respectivement, desdites poûtres, des trapèzes curvilignes dans chacun desquels sont montés des tirants en diagonale.
Basiquement, la structure selon l'invention peut donc se concevoir comme au moins une cellule parallélépipédique formée de deux nappes curvilignes réunies et délimitées par des parois latérales verticales, la structure d'ensemble étant, dans la pratique formée d'une sorte de "nid d'abeille" de telles cellules basiques juxtaposées s'aplatissant graduellement vers les bords extérieurs de la structure où sont finalement repris et annulés tous les efforts (points d'épure).
Selon un mode de réalisation préférentiel mais non limitatif de l'invention, les éléments constitutifs desdites nappes sont précontraints. Toutefois l'invention couvre également le cas où, en fonction des dimensions de la structure et de son application, ces éléments sont post-contraints.
Des caractéristiques subsidiaires de l'invention apparaîtront de la description ci-après, et font l'objet des sous-revendications.
Dans cette description, La figure A illustre l'exposé du principe sur lequel est basée la présente invention.
La figure 1 est une vue de dessus schématique de l'ensemble d'une structure réalisée sur la base de ce principe.
La figure 2 est une coupe verticale de la structure de la figure 1, prise le long d'une poûtre fuseau, c'est-à-dire indifféremment suivant XX′ ou suivant YY′.
La figure 3 est une vue de dessus agrandie d'un détail de la figure 2, faisant apparaître un noeud de jonction intermédiaire supérieur.
La figure 4 est une coupe verticale suivant IV-IV de la figure 3.
La figure 5 est une vue de côté d'un noeud de jonction avec une poûtre de rive.
La figure 6 est une vue de dessus de la figure 5.
La figure 7 est une coupe horizontale suivant VII-VII de la figure 5.
La figure 8 est une coupe verticale analogue à la figure 4, mais faisant apparaître un mode de jonction avec une poûtre verticale.
La figure 9 est une variante de la figure 8, faisant apparaître un mode de jonction avec les poûtres horizontales inférieures.
La figure 10 illustre en perspective la pièce de jonction utilisée dans la réalisation de la figure 5.
Les figures 11 a et 11 b sont des coupes transversales de deux variantes possibles prises chacune suivant XI-XI de la figure 6.
La figure 12 représente en perspective un fragment de la configuration d'une structure selon l'invention.
Les figures 12A, 12B et 12C représentent divers modes d'utilisation des structures de la figure 12 ,
La figure 13 illustre très schématiquement une variante de la structure de la figure 1, aménagée à des fins architecturales sophistiquées,
La figure 14 illustre une variante des systèmes de noeuds d'attache aux extrémités d'une entretoise et,
La figure 15 illustre la variante de la figure 14, les éléments supérieurs et inférieurs étant en place.
Si l'on se réfère tout d'abord à la Fig. A, on a désigné par F1, F2, F3 et F4 quatre poûtres fuseaux, dont les intersections délimitent une cellule présentant deux faces curvilignes ABCD et EFGH, réunies par des entretoises verticales AE, BF, CG et DH. Si l'on considère que chacun des côtés AB, BC, CD et DA a été mis sous tension préalablement à l'assemblage de la nappe ABCD avec la nappe EFGH par l'intermédiaire des entretoises AE, BF, CG, et DH, et que l'on soumet les côtés de la nappe EFGH à des tensions appropriées, l'ensemble des contraintes subies par la cellule s'annulent, quelles qu'elles soient.
L'invention consiste à juxtaposer de telles cellules, s'aplatissant graduellement le long des fuseaux, jusqu'aux points S, T, U, V, W, X, Y et Z pour venir former quatre arêtes ST, UV, WX, et YZ délimitant une structure d'ensemble en forme de coussin, dans lesquelles toutes les contraintes viennent s'annuler le long desdites arêtes, qui peuvent correspondre à des poûtres de rives d'un bâtiment sur lesquelles vient reposer une couverture dont l'ossature est constituée par ladite structure, et recouverte par tout voile ou toute membrane, conventionnelle ou non.
Une telle couverture sera d'une réalisation simple et peu coûteuse, n'exigeant que six types d'éléments standards, existant bien entendu en plusieurs dimensions, à savoir :

élément tubulaire supérieur, susceptible d'être précontraint,
élément tirant inférieur à longueur réglable,
pièce de liaison supérieure,
pièce de liaison inférieure,
entretoise verticale,
pièce de liaison sur rive.

Chaque type d'élément standard peut évidemment être réalisé en différentes dimensions, en fonction de l'application, mais dans tous les cas il subit en usine des traitements de surface définitifs, de sorte qu'il peut être livré en 'kit' de montage à densité maximale, sans exiger aucun traitement après montage, son aspect étant définitif, ce qui élimine de nombreux frais de contrôle et d'entretien.
Ainsi, si l'on se réfère maintenant aux figures 1 et 2, on y a représenté très schématiquement une structure type conçue sur la base des principes de l'invention. Une telle structure est formée d'un certain nombre de poûtres en fuseau entrecroisées P et P′ constituées chacune d'éléments standards. Une telle poûtre est illustrée à la figure 2. Elle comporte des éléments supérieures 1 en tubes ou en barres, des éléments inférieurs 2 en câbles ou en tiges, et des éléments verticaux 3, reliant les points de croisement 4 entre les éléments supérieurs 1 et les points de croisement 5, entre les éléments inférieurs 2. Les deux extrémités de chaque poûtre P, P′ sont reliées à des poûtres de rives R, R′, en des points 6 et 7 respectivement.
Une particularité de cet ensemble structural est que dans un mode de réalisation préférentiel mais non limitatif de l'invention, l'ensemble des éléments 1 et 2 sont mis sous tension et maintenus précontraints, de manière à reprendre les efforts de soulèvement climatiques vers le haut, qui sont reportés aux extrémités 6 et 7, tandis que les éléments verticaux 3 sont constamment comprimés.
Selon l'invention également, tous les éléments 1, 2 et 3 sont standardisés, et assemblés au moyen de pièces de jonction également standardisées comme il est représenté notamment aux figures 3 et 4 pour les pièces intermédiaires inférieures correspondant aux noeuds 5 et aux figures 5-7 pour les pièces de liaison aux poûtres rives, aux noeuds 6 et 7.
En se référant d'abord aux figures 3 et 4, on voit que les éléments 1a et 1b d'une poûtre P et les éléments 1′a et 1′b d'une poûtre P′ croisant la précédente au point ou noeud 4 sont réunis de manière à constituer des lignes continues, au moyen de quatre équerres 8, 9, et 8′, 9′, assemblées par des boulons (non représentés) les traversant par des lumières telles que 10 (figure 4), réparties dans leurs zones horizontales. Les éléments de tubes 1a et 1′a sont soudés respectivement aux équerres 8 et 8′, et de même les éléments de tubes 1b et 1′b sont soudés aux équerres 9 et 9′, de sorte que les boulonnages de 8 sur 9′, de 9 sur 9′, de 9 sur 8′ et de 8 sur 8′ assurent la solidarisation à la fois des éléments des tubes 1a-1b et 1′a-1′b, et du noeud supérieur 4.
La solidarisation des éléments inférieurs 2 à l'emplacement des noeuds inférieurs 5 peut se faire suivant une variante illustrée aux figures 9 et 10, faisant intervenir une pièce de liaison en acier moulé (figure 10), comportant un manchon axial 12 et quatre étriers deux à deux symétriques 13a-13b et 13′a-13′b dont les bases 14 sont percées pour recevoir les tirants 2-2′ respectifs, maintenus par des écrous de réglage 15, destinés à permettre, par une mise en longueur exacte, la reprise globale des tensions du système.
Comme on le voit sur la figure 9, le manchon central 12 peut recevoir une broche de positionnement 16, réglable par un écrou 17 et solidaire de l'entretoise 3.
Cette réalisation réglable n'est d'ailleurs que facultative puisque ladite entretoise verticale 3 est toujours en compression.
Bien entendu, au lieu de cette variante, on peut utiliser pour les noeuds inférieurs 5 un mode de liaison semblable à celui des noeuds supérieurs 4, comme l'illustre la figure 8, un manchon 18 analogue au manchon 12 pouvant également être ménagé au centre des équerres 19, auxquelles sont soudées les extrémités des tirants 2, et qui sont boulonnées ensemble comme les équerres 8 et 9.
En se reportant maintenant aux figures 5, 6 et 7, et 11a-11b, on doit également prévoir une variante de structure des noeuds 4 et 5 aux points de jonction 6 et 7 des poûtres P et P′ sur les poûtres de rive R et R′.
Selon cette variante, la pièce de liaison 20 (figures 5 et 6), comporte encore quatre équerres 21, 21′ et 22, 22′, mais, alors que les équerres intérieures 21, 21′ sont soudées aux éléments de tubes 23, 23′, comme dans les variantes des figures 3, 4 et 8, les équerres extérieures 22, 22′ boulonnées aux précédentes, servent à porter un pivot 24 d'accrochage à une chape 25, 25′ soudée à la poûtre rive R.
Par ailleurs, le même noeud 6 (ou 7) servant à la liaison entre deux tirants inférieurs 2, il est prévu, selon l'invention, d'assurer cette liaison au moyen d'un gousset 26, accroché en 27 au tirant 2, et soudé au tube 23. Selon la réalisation de la figure 11a, cette soudure 28 du gousset 26a est placée sur la face extérieure du tube 23. Pour diminuer les risques d'ovalisation du tube 23, il est cependant préférable comme illustré à la figure 11b de pratiquer dans le tube 23 une double fente 29-29′ traversée par le gousset 26b, qui est alors soudé en deux points 28b et 28b′, diamétralement opposés sur le tube 23.
Il convient de noter que, bien que dans son principe de base, la nappe inférieure de la structure selon l'invention soit constituée de tirants 2, dans le cas de certaines portées élevées, il devient difficile de soumettre les tubes 1 à une précontrainte, de sorte qu'ils ne sont plus en mesure de recevoir la totalité des contraintes climatiques. Dans ce cas, selon une variante de l'invention, il est prévu de réaliser les éléments inférieurs 2 en petits tubes, qui pourront ainsi recevoir leur part des efforts de compression climatique.
Par ailleurs, et notamment également dans le cas de grandes portées, il peut y avoir dissymétrie des charges sur la structure, par exemple par accumulation de neige sur un coin ; il peut alors se produire des transferts et des déformations locales. Pour prévenir ce phénomène parasite, l'invention prévoit de compléter la structure par des tirants supplémentaires montés en diagonale dans certains ou la totalité des quadrilatères élémentaires tels qu'identifiés par ABFE ou ADHE sur le schéma du principe A. Les diagonales ont pour effet que des sollicitations locales ne risquent plus d'entraîner de modifications géométriques de la structure.
La figure 12 illustre en vue perspective la configuration d'une telle structure. On y retrouve, réparties de la manière illustrée sur la figure 1, deux séries de poûtres-fuseaux telles qu'illustrées schématiquement à la figure 2, à savoir les poûtres A₁, A₂, A₃..., se croisant suivant un angle de l'ordre de 60°, avec des poûtres B₁, B₂, B₃..., en des noeuds supérieurs N₁, N₂, N₃..., et des noeuds inférieurs N′₁, N′₂, N′₃....
Les poûtres A se composent de tubes ou barres supérieures a₁, a₂, a₃... et de câbles ou tiges inférieures a′₁, a′₂, a′₃... , tandis que de la même manière les poûtres B se composent de tubes ou barres supérieures b₁, b₂, b₃... et de câbles ou tiges inférieures b′₁, b′₂, b′₃.... Chaque couple de noeuds supérieurs N, correspondant à l'intersection de tubes ou barres a et b d'une part, et de noeuds inférieurs correspondant à l'intersection de tiges ou câbles a′ avec des tiges ou câbles b′, superposés les uns aux autres, est réuni par une entretoise E dont la hauteur diminue depuis la zone centrale de la structure jusqu'à ses rives, où les poûtres A sont réunies directement aux poûtres B en des points R.
Chaque quadrilatère situé dans un plan vertical défini par deux entretoises voisines et les segments correspondants des barres ou tubes a et a′ ou b et b′ a donc la forme d'un trapèze dont les bases parallèles sont les entretoises E et les côtés curvilignes inclinés sont les segments a et a′ ou b et b′ correspondants des poûtres A et B considérées.
Comme indiqué ci-dessus, dans chacun de ces trapèzes, sont montés des tirants en diagonale T₁, T₂... et T′₁ et T′₂..., ce qui donne à l'ensemble de la structure l'aspect complexe qui apparaît sur la figure 12.
C'est cette structure de base qui constitue le principe même de la présente invention.
Les figures 12A, 12B et 12C illustrent divers modes d'utilisation des structures de base de la figure 12:

la figure 12A montre la coupe transversale d'une gare dont les quais sont couverts par ces structures horizontales,
la figure 12B illustre en coupe un entrepôt couvert par les mêmes structures horizontales,
et la figure 12C illustre en coupe un hall, par exemple de supermarché ou de salle de spectacle couverts par un couple de ces structures montées obliquement, en prenant appui l'une sur l'autre, le long d'une rive commune.

Enfin la figure 13 illustre, à titre d'exemple, une possibilité parmi beaucoup d'autres d'exploiter à des fins architecturales plus sophistiquées, la structure selon l'invention. A cet effet, au sommet 31 d'un mât 30 élevé vers le centre de la structure, on peut accrocher un voile 32 réalisé par exemple en toile enduite imperméable, en forme de tente. Si la structure est de grandes dimensions, plusieurs mâts 30 peuvent être répartis pour créer une couverture, pouvant être multicouche, destinée à créer un effet esthétique nouveau. Au lieu d'une couverture membranaire souple, on peut également prévoir une couverture en verrière pouvant affecter une forme en pointes de diamant correspondant aux losanges définis par les poûtres P-P′.
L'invention vise au surplus une variante selon laquelle, grâce à une réalisation plus sophistiquée des attaches aux points N et N′, il est possible de créer des structures cintrées ou galbées, adaptées à des ouvrages exceptionnels ; on peut ainsi donner à la structure une forme par exemple troncônique de très grandes dimensions, adaptée à une couverture de stade, ou d'un ensemble architectural analogue ; les éléments d'une telle structure sont également standards, ce qui est l'essentiel de l'invention. La constitution du noeud d'attache permettant un débattement angulaire desdits éléments dans toutes les directions, cela autorise la création de gauchissements dans chaque poûtre, lui permettant de s'adapter d'elle-même à la configuration de l'ensemble de la structure, la longueur des éléments étant simplement différente d'une poûtre à une autre.
C'est ce qu'illustrent les figures 14 et 15 sur lesquelles on retrouve une entretoise E, un noeud d'attache supérieur N₁ et un noeud d'attache inférieur N₂.
Selon cette variante de l'invention, chaque noeud d'attache N₁ ou N₂ se compose d'une série de bagues supérieures 101, 102... et inférieures 101′, 102′..., enfilées rotatives sur les extrémités de l'entretoise E, et maintenues en place par une rondelle 201, 201′ immobilisée par un écrou 202.
A ces bagues sont soudées des pattes, 301, 302... et 301′, 302′... dans les lumières desquelles viennent se loger, dans le cas représenté, des rotules 401, 402..., 401′, 402′... Ces rotules servent au montage de chapes 501, 502..., 501′, 502′... situées à l'extrémité des tubes tels que B₁ et B′₁ formant les poûtres fuseaux définissant la structure, et les extrémités des tirants tels que T₁ disposés en diagonale dans les trapèzes formés par deux entretoises voisines et les segments de tubes B₁ et B′₁ qu'elles réunissent.
L'intérêt de cette variante de noeud d'attache est d'offrir la faculté de donner aux éléments qui s'y rejoignent toute orientation correspondant à un galbe donné de la structure, chaque poûtre pouvant prendre un aspect gauchi à la suite de l'auto-adaptation en orientation de l'un ou plusieurs des éléments qui la composent, par rotation de la bague portant cet élément et/ou de la rotule correspondante, au moment de l'assemblage de la structure, étant entendu que la longueur des éléments est fixée à l'avance par le calcul en fonction de l'analyse de la forme imposée à la structure en vue du maillage à créer pour obtenir un quadrillage équilibré.
Au lieu de rotules, on pourrait utiliser aux points N tout autre système mécanique conduisant au même résultat, par exemple un système à cardan, à joints sphériques ou analogues.

Claims

Structure métallique du type "résille spaciale à inertie variable" destinée notamment à constituer l'ossature de couvertures d'édifices tels que gares, entrepôts, supermarchés ou salles de spectables, comportant un certain nombre de poûtres fuseaux en éléments standardisés, entrecroisées suivant un motif quadrangulaire répétitif, l'ensemble des portions supériures (A₁ A₂... A_n) et des portions inférieures (B₁, B₂....B_n) de ces poûtres définissant respectivement une nappe supérieure et une nappe inférieure, lesdites nappes étant reliées par des éléments standardisés verticaux (E) et se rejoignant le long des poûtres rives en des points (R), où l'ensemble des efforts subis par la structure s'annulent,
caractérisée en ce que,
lesdites poûtres fuseaux sont en nombre multiple de quatre et forment deux groupes se croisant suivant un angle d'environ 60° (respectivement 30°) en créant un motif répétitif d'allure rhombique dans lequel les entretoises verticales (E) de hauteur décroissante depuis la zone centrale jusqu'aux rives, réunissant les couples de noeuds de croisement supérieurs (N₁, N₂... N_n) et inférieurs (N′₁, N′₂.... N′_n) respectivement superposés, définissent, avec les segments correspondants des éléments formant les portions supérieures (a₁, a₂... a_n et b₁, b₂... b_n) et inférieures (a′₁, a′₂... a′_n et b′₁, b′₂... b′_n) respectivement, desdites poûtres, des trapèzes curvilignes dans chacun desquels sont montés des tirants en diagonale (T₁, T₂... T_n et T′₁, T′₂...T′_n).
Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque extrémité des éléments formant la nappe supérieure (a₁, a₂... an et b₁, b₂... b_n) est soudée à une équerre, de sorte que les extrémités de quatre éléments sont réunies en formant un noeud (N₁, N₂... N_n) par boulonnage des quatre équerres correspondantes.
Structure selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les éléments de la nappe inférieure (a′₁, a′₂... a′_n et b′₁, b′₂... b′_n) sont des tirants à longueur réglable en fonction des contraintes des éléments supérieurs transmises par les entretoises verticales (E).
Structure selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les éléments de la nappe inférieure (a′₁, a′₂... a′_n et b′₁, b′₂... b′_n) sont des tubes de petit diamètre.
Structure selon les revendications 1 et 4, caractérisée en ce que aux extrémités (R) des poûtres fuseaux situées sur les poûtres rives, deux éléments tubulaires supérieurs sont soudés à deux équerres formant bride d'articulation sur un axe porté par ladite poûtre rive.
Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que les extrémités des tirants formant la nappe inférieure et correspondant auxdits éléments tubulaires sont soudées à ces derniers suivant deux lignes de soudure diamétralement opposées.
Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une partie des éléments constitutifs de ladite structure sont soumis à une pré-contrainte avant assemblage.
Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, dans le but de présenter un certain galbe d'ensemble, les éléments supérieurs et inférieurs sont attachés respectivement aux extrémités supérieures et inférieures des entretoises, par des moyens mécaniques autorisant pour chacun un certain débattement dans deux plans perpendiculaires.
Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que, sur chaque extrémité de chaque entretoise sont montées rotatives des bagues auxquelles sont soudées des pattes sur lesquelles les extrémités de chaque élément sont articulées au moyen de systèmes à rotule ou analogues.