646 – TENTE EN ACIER POUR ESPACE PUBLIC MULTIFONCTIONNEL

Lugar Piqueros de Abajo, Avilés, Asturies, Espagne
43°32’42“N, 5°55’20‘‘O, 616 m

Services effectués:

Architecture
Ingénierie de la structure

Description:

Le projet de tente en acier pour un espace public multifonctionnel est évoqué ce 22 septembre 2017 lors d’une rencontre avec Nicolas De Abajo au centre de recherche d’Arcelor Mittal à Avilés, à côté de l’aciérie et de ses hauts-fourneaux.

La municipalité choisit de l’implanter aux confins sud de la ville sur un triangle équilatéral de 130m de côté jouxtant, au nord, le « Pabellón de Exposiciones de La Magdalena », de manière à pouvoir l’utiliser, entre autres, tant comme extension du palais des expositions que comme marché public.

La construction est de plan circulaire. Faite en tôles perforées très minces tendues entre un mât central de 15m de haut et un anneau périphérique de 73,322m de diamètre, elle couvre une surface de 4.222,4m². Elle s’élève de 10m au-dessus de l’anneau, celui-ci étant situé 5m au-dessus du sol pour y permettre l’accès de camions.

La couverture, étanche à la pluie, doit être suffisamment transparente, le jour, pour permettre la pénétration de la lumière naturelle et suffisamment opaque, la nuit, pour en permettre l’éclairage artificiel par réflexion sur son intrados.

L’espace couvert doit aussi offrir confort thermique et acoustique, être adéquatement ventilé et finalement pouvoir être protégé contre l’intrusion.

Dans ce but, de vastes voiles en tissus légers et souples de fines mailles d’acier inoxydable forment un tronc de cône périphérique de 5m de hauteur à la base de la tente. Elles sont ouvrables à volonté et permettent, outre la sécurisation du site, le contrôle des courants d’air et de la température en conjonction avec le lanterneau central au haut du mât.

En position fermée et à l’instar de la tente, elles sont tantôt transparentes, tantôt opaques en fonction des jeux de lumière. Elles peuvent aussi recevoir des panneaux d’absorption acoustique.

De petites ombrelles blanches de 3 à 10m de diamètre en tôle d’acier de 0,3mm d’épaisseur et microperforées, ou en tissus de fibres végétales, sont suspendues à la grande tente et ancrées au sol. Elles couvrent, par exemple, les stands d’exposition ou les échoppes de marché qui colonisent l’espace selon les souhaits.

La grande tente

La tente présente la particularité d’être très légère. Avec un poids propre de 6kg/m², elle doit être retenue au sol pour ne pas s’envoler sous le vent lorsqu’elle n’est pas, exceptionnellement, couverte de neige.

Sa surface initiale se compose de six troncs de pyramide.

Le premier, au sommet du mât central, est formé de trois rectangles et trois triangles isocèles inclinés entre un triangle équilatéral haut et un hexagone régulier bas, horizontaux.

Il est suivi de cinq autres comportant successivement 6, 12, 24, 48 et 96 rectangles et autant de triangles isocèles entre des polygones réguliers horizontaux hauts à autant de côtés et bas avec le double de côtés (soit 12, 24, 48, 96 et 192), mesurant tous 1,2m.

La construction et son pré-dimensionnement

Un coil fournit les bandes de tôle d’acier S960 inoxydable et poli miroir de 1,5mm d’épaisseur et de 1,2m (net) de large pour réaliser la membrane de 73,322m de diamètre.

La tôle est perforée de trous ronds de 70mm de diamètre sur un maillage carré de 80mm de côté ainsi que de trous ronds de 19mm de diamètre centrés sur les croisements des lignes de la maille, elle présente donc une transparence de 66,69% [1].

La construction débute par celle du mât central de 15,07m de hauteur et de l’anneau circulaire périphérique de base de 36,661m de rayon, situé à 5m au-dessus du sol, le tout aussi en acier S960 inoxydable et poli miroir.

Fait en un tube rond de 150mm de diamètre et de 15mm d’épaisseur, le mât est stabilisé par un échafaudage pendant le montage de la structure.

Un triangle équilatéral en tubes carrés 160/160/10mm et de 1,2m de côté est suspendu au niveau 13,85m par trois câbles de 30mm de diamètre fixés au sommet du mât à 15,07m de haut. Il supporte une verrière en pyramide à base triangulaire pouvant s’ouvrir.

L’anneau de base, en tôle de 30mm d’épaisseur et en forme de U dissymétrique (de 250mm dans le plan de la membrane avec deux retours à angle droit de deux fois 150mm), forme gouttière et transfère les efforts de traction de la membrane vers les 32 supports situés tous les 7,2m le long de l’anneau (6 bandes de 1,2m net).

Chaque support est composé d’un tube comprimé de 120mm de diamètre et de 40mm d’épaisseur, formant aussi descente d’eau pluviale, incliné radialement et vers le centre de l’anneau pour former, avec un câble tendu de 40mm de diamètre, un triangle équilatéral vertical. Un buton secondaire de 80mm de diamètre et de 10mm d’épaisseur dans le plan du triangle ainsi qu’une paire de câbles de 12mm de diamètre fixés en oblique à l’anneau retiennent au déversement chaque buton principal à mi-hauteur.

Des sacs en filets d’acier tendus contenant des scories compactées (en provenance des hauts-fourneaux proches du site) forment l’ancrage, la fondation ou encore simultanément les deux, de ces éléments structuraux.

La ligne génératrice de leur surface de révolution assure leur état en tension sous tout cas de charge.

C’est ainsi que, sous le mât central, il prend la forme d’une lentille biconvexe très aplatie, de 6m de diamètre et de 60m³, tantôt en compression, tantôt en traction.

Des « tomates » de 5m de diamètre transfèrent au sol l’effort de compression de chacun des 32 butons périphériques, et 32 « gouttes », de 35m³ chacune, lestent les câbles d’ancrage tout en assurant les fondations des butons secondaires.

La pose des lés de tôle débute une fois que sont mis en place le mât central avec son triangle, et l’anneau périphérique.

Trois premiers lés de 38,182m de longueur développée sont ainsi suspendus aux côtés du triangle équilatéral du sommet et fixés à l’anneau de base.

Cinq paires de câbles, de 12mm de diamètre et reliés au mât central, tendent les trois bandes pour leur donner la forme des six rectangles de chacun des troncs de pyramides ainsi que pour les stabiliser au vent. De petites barres transversales de 1,2m, forment provisoirement les petits côtés des rectangles pendant le montage.

Les trois lés suivants de 37,984m sont ensuite fixés au sommet et dans la bissectrice des angles vides entre les premiers (en projection horizontale) pour former le premier tronc de pyramide sur un hexagone régulier. Ils sont comme les précédents (et comme le seront les suivants) sous-tendus par les paires de câbles.

Sur les bissectrices et au sommet des angles vides entre les six bandes, et en les comblant, sont ensuite fixées six nouvelles bandes de 37,049m présentant un angle vertical de 8° par rapport aux précédentes pour former le deuxième tronc de pyramide sur sa base en polygones réguliers à 12 côtés et fermer les six angles tridimensionnels de son sommet hexagonal.

Les petites barres transversales de montage, qui maintenaient en place les six bandes peuvent maintenant être enlevées et remplacées par les ancrages définitifs des six premiers câbles vers le mât. Sous forme de petites pyramides pentagonales irrégulières (mais avec un axe de symétrie) en tôle de 1,5m d’épaisseur, ces ancrages sont placés sur l’extrados de l’enveloppe pour y répartir l’effort ponctuel du câble.

Douze bandes de 35,565m, et ancrages de fixation définitifs, viennent ensuite et de la même manière, se fixer aux six bandes suivies de 24, 48 et 96 bandes et ancrages de fixation définitifs de respectivement de 32,899m, 27,932m, 18,465m de longueur développée, présentant toujours avec l’ensemble précédent un angle de 8°, pour former les quatre troncs de pyramide suivants.

La longueur cumulée des bandes est de 4.780,524m qui, multipliée par leur largeur de 1,2m, donne une surface de 5.736,6288m².

Deux plis diagonaux et symétriques, formés dans chaque nouvelle bande à partir du milieu de son bord supérieur y définissent les deux triangles rectangles latéraux, qui viennent s’ajuster sur les deux bandes adjacentes de la série précédente, et le triangle isocèle central entre ces dernières.

Les tôle sont ainsi superposées sur une surface de 1.433,979m² soit 33,328% de la surface développée de l’enveloppe qui est de 4.302,6498m² (1,93% supérieur à la surface couverte).

Les bandes solidarisées les unes aux autres sur la surface des triangles rectangles ne peuvent donc reprendre de manière uniformément égale, les efforts circonférentiels équilibrant les efforts radiaux auxquels elles sont soumises dans leur longueur sous charge de neige.

Les efforts les plus importants sont cependant ceux de soulèvement dus au vent qui sont repris par les lés (vers l’anneau périphérique de base) et les câbles radiaux (vers le mât) par l’intermédiaire des ancrages en petites pyramides pentagonales, ces dernières assurant aussi l’équilibrage circonférentiel des charges.

La forme de la génératrice de l’enveloppe en troncs de pyramides dépend de l’angle entre les trois premiers rectangles du tronc de pyramide à base hexagonale avec la verticale et de l’angle de la pliure dans l’ensemble de n bandes là où viennent s’ajouter les 2n bandes suivantes. Ces angles sont ici, arbitrairement et provisoirement, fixés à 35,264° et 8°.

Son optimalisation, en vue d’assurer la répartition la plus uniforme possible des contraintes dans la membrane sous tout cas de charge, dépend de la reprise des efforts circonférentiels dans les triangles successifs et dans les petites pyramides pentagonales.

En absence de ces derniers et sous charge de neige uniformément répartie, la génératrice prendrait évidemment la forme d’une chainette sous charge triangulaire.

Finalement, construite en facettes, l’enveloppe se déformera élastiquement sous contrainte, en une surface continue à courbure gaussienne négative, transformant également les petites pyramides pentagonales en cônes.

La structure ainsi montée, et à la manière des fils d’une toile d’araignée, les 5 jeux de fins câbles de 12mm de diamètre, (respectivement 92 (puis 42, 24, 12 et 6), 42 (puis 24, 12 et 6), 24 (puis 12 et 6), 12 (puis 6) et 6 ; avec câbles transversaux de liaison par paires) qui relient la tôle (au droit de ses solutions de continuité) au mat à 5m, 7,16m, 9,58m, 11,50m et 12,88m de hauteur en assurent aussi sa stabilité au déversement. L’échafaudage provisoire est ensuite enlevé. Trois câbles supplémentaires ancrés au sol stabilisent le mat à 2,5m de hauteur.

Des bandes en film d’ETFE de 0,5mm d’épaisseur et de 1,3m de large sont ensuite collées sur la structure pour assurer l’étanchéité de l’enveloppe. 192 bandes de 18,565m de long se chevauchant de 10 cm, sont ainsi d’abord placées radialement en partant de la gouttière de l’anneau de base.

Elles sont ensuite chevauchées sur 10 cm en leur sommet à la manière de grandes tuiles, par 96, 48, 24, 12 et 6 bandes de respectivement 28,032m, 32,999m, 35,665m, 37,149m et 38,084m de longueur, les dernières fixées au triangle équilatéral au sommet du mât (sous la verrière en pyramides triangulaires).

La tôle à 66,69% de perforations revêtue du film en ETFE avec une transmission lumineuse de 85% offrant une transparence de 56,69%, la transparence résultante de l’enveloppe, compte tenu du chevauchement des tôles perforées est de 45%, elle est à comparer aux 60% d’une verrière traditionnelle en verre sur charpente métallique.

L’éclairage nocturne met par contre à profit cette opacité de 55% (bien supérieure à celle de la verrière classique qui n’est que de 15%) ainsi que la finition poli-miroir de la tôle. L’éclairage de la sous-face de l’enveloppe est ainsi simplement réalisé par 32 projecteurs placés à mi-hauteur des butons portant l’anneau périphérique.

Le lanterneau ouvrable, en pyramide sur triangle équilatéral au sommet de la tente, permet quant à lui d’assurer la ventilation du volume couvert par tirage naturel.

Les petites ombrelles

La surface de révolution de chaque petite ombrelle est portée par un anneau horizontal circulaire (sa directrice), et un câble central vertical fixé à la tente et au sol. Ces deux câbles sont en acier inoxydable. La ligne génératrice de la surface peut être choisie librement à condition de lui conférer une courbure gaussienne négative ; elle peut ainsi prendre la forme d’une chaînette, d’une demi-parabole, d’une hyperbole, d’une cissoïde de Dioclès ou d’une corne de Gabriel.

L’anneau est porté et stabilisé par une structure de câbles en acier inoxydable, quasi radiante, à la manière des rayons d’une roue de bicyclette. L’ombrelle est ainsi en équilibre sous charges symétriques, y compris celles de soulèvement.

[1] Ph. Samyn : « Tôle perforée à trous ronds : une résistance transparente », avril 2018. Tiré à part n°1324, Samyn et Associés (dossier 03/340).

Credits:

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