Actualités - Structure en acier : un système structurel clé de l'ingénierie moderne

Dans l’architecture contemporaine, les transports, l’industrie et l’ingénierie énergétique,structure en acier, grâce à ses doubles atouts, tant au niveau des matériaux que de la structure, est devenu un moteur essentiel de l'innovation en ingénierie. Utilisant l'acier comme matériau porteur principal, il transcende les limites des structures traditionnelles grâce à une production industrielle et une installation modulaire, offrant des solutions efficaces pour une large gamme de projets complexes.

Avantages et inconvénients des structures en acier - CHINA ROYAL STEEL

Définition et nature de la structure en acier
La structure en acier fait référence à un système structurel porteur composé deplaques d'acier, profilés en acier (Poutres en H, Chaînes U, cornière en acier, etc.) et des tubes en acier, fixés par soudure, boulons haute résistance ou rivets. Son principe est d'exploiter la résistance et la ténacité élevées de l'acier pour transférer uniformément les charges verticales (poids mort et poids des équipements) et horizontales (vent et tremblements de terre) d'un bâtiment ou d'un projet à ses fondations, garantissant ainsi la stabilité structurelle. Comparées aux structures en béton, le principal avantage des structures en acier réside dans leurs propriétés mécaniques : leur résistance à la traction peut atteindre plus de 345 MPa, soit plus de dix fois celle du béton ordinaire ; et leur excellente plasticité leur permet de se déformer sous charge sans se rompre, offrant une double garantie de sécurité structurelle. Cette caractéristique les rend irremplaçables pour les projets de grande portée, de grande hauteur et soumis à de lourdes charges.

Principaux types de structures en acier

(I) Classification par forme structurelle
Structure à ossature en porte-à-faux : Composée de poteaux et de poutres, cette structure forme une ossature en forme de « porte » et est dotée d'un système de support. Elle convient aux installations industrielles, aux entrepôts logistiques, aux supermarchés et autres structures. Les portées courantes varient de 15 à 30 mètres, certaines dépassant même les 40 mètres. Les composants peuvent être préfabriqués en usine, permettant une installation sur site en seulement 15 à 30 jours. Par exemple, les entrepôts du parc logistique n° 1 d'Asie de JD.com utilisent principalement ce type de structure.
Structure en treillis : Cette structure est constituée de tiges droites reliées par des nœuds pour former une géométrie triangulaire ou trapézoïdale. Les tiges sont soumises uniquement à des efforts axiaux, exploitant pleinement la résistance de l'acier. Les structures en treillis sont couramment utilisées pour les toitures de stades et les travées principales de ponts. Par exemple, la rénovation du Stade des Ouvriers de Pékin a fait appel à une structure en treillis pour obtenir une travée sans poteaux de 120 mètres.
Structures à ossature : un système spatial formé de poutres et de colonnes reliées de manière rigide offre des plans d'étage flexibles et constitue le choix courant pour les immeubles de bureaux de grande hauteur et les hôtels.
Structures en grille : Une grille spatiale composée de plusieurs éléments, souvent composés de triangles réguliers et de nœuds carrés, offre une grande intégrité et une excellente résistance aux tremblements de terre. Elles sont largement utilisées dans les terminaux d'aéroport et les centres de congrès.

(II) Classification par caractéristiques de charge
Éléments de flexion : Représentés par des poutres, ces éléments résistent aux moments de flexion, avec compression à leur extrémité supérieure et traction à leur extrémité inférieure. Ils utilisent souvent des profilés en H ou des caissons soudés, comme les poutres de ponts roulants dans les installations industrielles, et doivent satisfaire à des exigences de résistance mécanique et de fatigue.
Éléments soumis à des charges axiales : Ces éléments sont soumis uniquement à une traction/compression axiale, comme les tirants de treillis et les éléments de grille. Les tirants sont conçus pour la résistance, tandis que les barres de compression requièrent la stabilité. On utilise généralement des tubes circulaires ou des cornières en acier. Éléments soumis à des charges excentriques : Ils sont soumis à la fois à des efforts axiaux et à des moments de flexion, comme les poteaux à ossature. En raison de l'excentricité de la charge aux extrémités des poutres, des sections transversales symétriques (comme les poteaux caissons) sont nécessaires pour équilibrer les efforts et les déformations.

Principaux avantages des structures en acier
(I) Excellentes propriétés mécaniques
Haute résistance et légèreté constituent les principaux avantages des structures en acier. Pour une portée donnée, le poids mort d'une poutre en acier ne représente que 1/3 à 1/5 de celui d'une poutre en béton. Par exemple, une poutre treillis en acier de 30 mètres de portée pèse environ 50 kg/m, tandis qu'une poutre en béton pèse plus de 200 kg/m. Cela permet non seulement de réduire les coûts de fondation (de 20 à 30 %), mais aussi d'atténuer les effets sismiques, améliorant ainsi la sécurité sismique de la structure.
(II) Efficacité de construction élevée
Plus de 90 % des composants de structures en acier sont préfabriqués en usine avec une précision millimétrique. L'installation sur site ne nécessite que des opérations de levage et de raccordement. Par exemple, la construction d'un immeuble de bureaux en acier de dix étages ne prend que six à huit mois, de la production des composants à l'achèvement, soit une réduction de 40 % par rapport à une structure en béton. À Shenzhen, par exemple, un projet résidentiel préfabriqué en acier a atteint une vitesse de construction d'« un étage tous les sept jours », réduisant ainsi considérablement les coûts de main-d'œuvre sur site.
(III) Forte résistance aux tremblements de terre et durabilité
La ténacité de l'acier permet aux structures métalliques de dissiper l'énergie par déformation lors des tremblements de terre. Par exemple, lors du tremblement de terre de Wenchuan en 2008, une usine de structures métalliques à Chengdu n'a subi qu'une déformation mineure et n'a présenté aucun risque d'effondrement. De plus, après traitement anticorrosion (galvanisation et revêtement), l'acier peut avoir une durée de vie de 50 à 100 ans, avec des coûts d'entretien bien inférieurs à ceux des structures en béton.
(IV) Protection de l'environnement et durabilité
Le taux de recyclage de l'acier dépasse 90 %, ce qui permet sa refonte et son traitement après démolition, éliminant ainsi la pollution par les déchets de construction. De plus, la construction en acier ne nécessite ni coffrage ni entretien, ce qui minimise les interventions en eau sur site et réduit les émissions de poussières de plus de 60 % par rapport aux structures en béton, conformément aux principes de construction écologique. Par exemple, après le démantèlement du site Ice Cube pour les Jeux olympiques d'hiver de Pékin en 2022, certains composants ont été réutilisés dans d'autres projets, permettant ainsi le recyclage des ressources.

Application généralisée des structures en acier
(I) Construction
Bâtiments publics : stades, aéroports, centres de congrès et d’expositions, etc., s’appuient sur des structures en acier pour réaliser de grandes portées et des conceptions spacieuses.
Bâtiments résidentiels : Les résidences préfabriquées à structure en acier sont de plus en plus populaires et peuvent répondre à des exigences de logement personnalisées.
Bâtiments commerciaux : immeubles de bureaux de très grande hauteur et centres commerciaux, qui utilisent des structures en acier pour réaliser des conceptions complexes et une construction efficace.
(II) Transports
Ingénierie des ponts : ponts maritimes et ferroviaires. Les ponts en acier offrent de grandes portées et une excellente résistance au vent et aux tremblements de terre.
Transport ferroviaire : Auvents de stations de métro et poutres de voies de train léger.
(III) Industriel
Installations industrielles : usines de machines lourdes et usines métallurgiques. Les structures en acier peuvent supporter les charges d'équipements lourds et faciliter les modifications ultérieures des équipements.
Entreposage : Entrepôts frigorifiques et centres logistiques. Les structures à portique répondent aux exigences de stockage de grande portée et sont rapides à construire et à mettre en service.
(IV) Énergie
Installations électriques : Bâtiments principaux et pylônes de transmission des centrales thermiques. Les structures en acier sont adaptées aux charges élevées et aux environnements extérieurs difficiles. Nouvelles énergies : Les tours d'éoliennes et les systèmes de montage photovoltaïques sont dotés de structures en acier légères pour un transport et une installation aisés, contribuant ainsi au développement des énergies propres.