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Structures à voiles minces: des constructions de forme et de portée libre

La forme organique d’espace exempte de colonnes des structures à voiles minces, offre une liberté de conception illimitée aux architectes et aux ingénieurs de structure. Ces structures spatiales innovantes tirent leur force d’une double courbure dans leur forme générale. En cela, Elles sont similaires à des dômes géodésiques. Mais alors que les dômes géodésiques sont limités à des surfaces sphériques, les structures à voiles minces peuvent prendre une courbure différente dans chacune des deux directions orthogonales.

Aviary gridshell dome

L'utilisation astucieuse de la géométrie autorise des structures à voiles minces légères pour de vastes étendues d'espace. Elles fournissent toute l'efficacité des dômes géodésiques, mais avec des formes ludiques et des conditions de soutien fantaisistes. Les structures à voiles minces sont également connues comme étant des dômes de forme libre, des dômes style libre, des obus de treillis ou des dômes réticulaires. Geometrica appelle ses structures à voiles minces « Freedome ® », sa marque déposée pour ces structures en usage depuis le milieu des années 1990.

Historique des structures à voiles minces

Les structures à voiles minces ont une histoire intéressante. Le nom en anglais « gridshells » particulièrement en Europe, est devenu un moyen de décrire des combinaisons de forme libre de courbures de type dôme et courbures inverses dans un même treillis. Cependant, au début, les structures à voiles minces avaient soit des courbures positives comme des dômes géodésiques, soit des courbures négatives hyperboloïdes. Dans la dernière décennie du 19ème siècle, l'ingénieur russe Vladimir Choukhov avait construit de hautes tours avec des générateurs de lignes droites en sillons croisés qui formaient hyperboloïdes rotatives. À la fin des années 1920, Walther Bauersfeld créa le premier dôme géodésique de coffrage pour un planétarium en Allemagne, et par la suite, dans les années 1950, Buckminster Fuller commença à populariser cette forme.

Douglas Wright Seminal Paper on Gridshells

En Février 1965, le Dr Douglas Wright (Directeur Fondateur de Geometrica) publia un article fondamental sur la conception des structures à voiles minces, Membrane Forces et flambage en Enveloppes Réticulées dans le Journal de la division structurelle de l'American Society of Civil Engineers. Il expliqua comment ces belles structures pourraient être conçues sur la base de solides principes de la mécanique, avant même que les ordinateurs soient assez puissants ou disponibles. Cela devint la Division Structurelle la plus débattue sur papier en son temps, et permis l'utilisation rationnelle de cette forme structurelle.

Hyperbolic paraboloid gridshells in a 40m X 40m array

En utilisant cette recherche, F. Castano (père du PDG de Geometrica) et Wright ont collaboré à la réalisation de plusieurs structures à voiles minces paraboloïdes et hyperboliques à la fin des années 60, parmi lesquels on peut citer le pavillon mexicain à l'Expo 67 à Montréal, le Palais des Sports de la ville de Mexico en 1968, et divers autres bâtiments vitrines.

Toluca Gridshell

La première vraie structure à voiles minces de forme libre fut peut-être l'Auditorium Toluca. Les architectes étaient Gallo et Azorin, et les ingénieurs Wright et Castano Sr. Il a été conçu comme un bâtiment de plan rectangulaire avec un treillis de surface arbitraire, non-algébrique qui avait un rayon de courbure à variation continue. La firme de Castano, précurseur de Geometrica, a construit cette remarquable structure à voiles minces en 1967. Le résultat était superbe. Elle a remporté le Prix national d'Architecture du Mexique en 1967.

Matadores Gridshell under Construction

Geometrica bénéficie de cet héritage à ce jour par la construction de structure à voiles minces de longue portée et de faible poids à travers le monde pour des marchés de protection architecturale et environnementale.  Les structures à voiles minces de Géométrica tirent leur avantage du comportement structurel en 3 dimensions pour atteindre des objectifs architecturaux et budgétaires des projets de construction, comme expliqué plus loin. Mais d'abord, une comparaison:

Structures à Voiles Minces VS Dômes Géodésiques

C’est bien connu que la surface sphérique du dôme géodésique renferme le volume maximal pour une surface donnée. Cependant le volume d'une sphère ou même d’un segment de sphère, alors qu’idéal pour le stockage matériel, n'est pas très utile pour plusieurs autres activités et pourraient déboucher sur du terrain ou de l’espace inutilisé.

Geodesic domes are ideal for material storage

Pour de nombreuses applications, une section sphérique est soit trop haute au centre, ou trop faible au niveau des bords, à moins que le bord de la coupole soit élevée avec une paroi ou des colonnes. Dans une structure à voiles minces, le profil peut être ajusté de manière à être soulevé rapidement afin de fournir une hauteur raisonnable d'avant-toit et s'étendre avec une pente faible pour économiser de l'espace alors inutilisable. Les structures à voiles minces peuvent être des surfaces rotatives à courbure positive ou à courbure négative, ou aux deux.

Gridshell springs from Seussian supports

Il existe un nombre littéralement infini de plans possibles pour une structure à voiles minces. Certaines des plus courantes sont des variations sur du rectangle, mais les triangles, étoiles, ovales et autres formes sont possibles. Un méridien peut être parabolique, elliptique, circulaire, ou de toute autre courbe régulière. La garde montante peut être Seussienne en plan ou en élévation. Cette liberté de forme prévoit l'utilisation efficace de la surface pour la beauté de l’espace intérieur. Bucky en baverait.

Hyperboloid gridshell for water tower

Un autre exemple: les châteaux d'eau hyperboloïdes ont une courbure négative et une géométrie optimisée pour contenir de grandes quantités d'eau. Inverser cette forme permet d’obtenir des toits élégants.

Hyperboloid gridshell roof

Conception des structures à voiles minces de longue portée

Un algorithme simple pour trouver la forme des structures à voiles minces à travée unique ne nécessite que quatre paramètres: 
  • La bordure du dôme 
  • La hauteur au sommet 
  • Un méridien 
  • L’angle dans le plan sur lequel le méridien choisi est pris.

Pour s'adapter à l'évolution du bord de la coupole, le méridien peut varier en fonction de son observation dans les autres directions. Cependant les dessins ne doivent montrer que l'une des sections afin de définir complètement la géométrie. Une fois la géométrie et les conditions de soutien de la structure définies, les ingénieurs Géométrica peuvent proposer les modèles les plus efficaces et les options de couche de votre paroi, ou vous pouvez choisir le motif vous-même. D'autres algorithmes de recherche sont utilisables. Par exemple, une forme de structure à voiles minces peut être trouvée par des méthodes mathématiques de relaxation ou par des analogies physiques, tels que des grilles ou des surfaces minimales de traction.

Gridshell in Qatar

Les supports peuvent être des colonnes de béton ou d'acier, des murs, des poutres de rive ou des dalles. Le dôme peut être renforcé par une bague de tension intégrale pour résister à sa réaction horizontale due à des charges de gravité. Autres variations intéressantes existent sur des formes de base pour structures à voiles minces, notamment:

  • La garde montante d'une structure à voiles minces peut varier en élévation lorsque vous le souhaitez. Cela peut permettre un support latéral, de coin, ou des bords élevés pour des ouvertures spéciales.
  • Le réglage de l'apex décentré peut être utile quand un côté n'est pas supporté, par exemple dans un amphithéâtre ou une volière.

Nemak gridshell spans 224m x 84m

Une autre variante efficace pour un Freedome ® est une surface minimale; comme le mot le décrit, c'est le moins de surface nécessaire pour couvrir une limite particulière. Elle peut être réalisée en faisant varier les hauteurs d'appui. D'autres variations pour une surface minimale peuvent être obtenues en y appliquant une charge pour imposer une forme de « dôme ». Par exemple, des réservoirs d'eau peuvent être construits sous la forme d'une goutte d'eau sur laquelle la surface d'enveloppe exerce une tension uniforme.

Drop-shaped gridshell water tank

50 ans déjà, 50 années à venir 

Il y a déjà plusieurs années que Douglas Wright a mené ses recherches sur le séminal, les ordinateurs sont devenus disponibles et le renforcement des structure à voiles minces est devenu populaire. Les architectes du monde entier peuvent imaginer et dessiner des surfaces et des courbes incroyables qui s'étendent sur des centaines de mètres sans appuis intermédiaires. La lumière est mise en espace intérieur comme jamais auparavant grâce à la légèreté et la finesse métallique des structures à voiles minces. Mais un problème rend encore les structures à voiles minces moins fréquentes que les garanties de forme. Leur efficacité structurelle n'a pas été bien traduite en efficacité budgétaire: il a été trop difficile et coûteux à fabriquer et assembler des structures avec des centaines de milliers de composants où chaque partie est différente de toutes les autres. Pour ce problème, et en dépit de leur potentiel, les structures à voiles minces ont souvent été peu utilisées pour des projets de très grande envergure disposant de budgets importants.

Matadores Gridshell

Cependant Geometrica a résolu ce problème. Avec le système de construction de Geometrica et la technologie Freedome ®, l'efficacité structurelle inhérente et la beauté des structure à voiles minces est disponible pour tous les projets. Construits en acier galvanisé ou en aluminium léger et solide, les structure Geometrica à voiles minces peuvent et ont été utilisées dans les demandes purement fonctionnelles, tout aussi bien que pour les bâtiments à architectures distinctes.

Velodrome gridshell

Les tubes des structures de Géométrica sont préfabriqués dans un système de production assisté par ordinateur assemblés sur le site avec ses efficaces moyeux en aluminium. Le moyeu prévoit une variété illimitée de forme. Les pièces sont estampillées individuellement et étiquetées par  ordinateur puis emballées pour une utilisation efficace sur le terrain. Un comportement ductile est obtenu, le joint développant 130% de limite d'élasticité de flexion et de transferts de la part des tubes en acier. Lorsque tous les tubes pour un concentrateur ont été assemblés, le joint est bouclé avec des rondelles et un seul boulon.

Nemak Gridshells

Geometrica a construit le plus grands dôme de structure à voiles minces industriel dans le monde en utilisant la technologie Freedome ®, atteignant jusqu'à 18.000 m2 de surface de couverture, et de grandes étendues d'axes de 224m (photo ci-dessus), ou 145 m de diamètre et 94m de hauteur (photo ci-dessous). D'autres exemples comprennent le Freedome de chance, dôme de charbon à Taiwan, les deux coupoles de 122m pour JEA en Floride, le  Freedome Coemin de 5000m2, le dôme Ruwais de 135m à Abu Dhabi et le Dôme San Cristobal de 140m en Bolivie.

Les 50 prochaines années de construction de structure à voiles minces seront effectivement passionnantes.

Gridshell with 145m Base Dimension and 94m Height

 

Geometrica est un leader mondial dans des dômes géodésiques et structure à voiles minces voûtés et d'architectures de forme libre. Remplissez le formulaire ci-dessous pour savoir comment Geometrica peut contribuer à votre projet.