Structure à treillis à grande portée : Ingénierie du hangar à charbon de 229 m

Le hangar à charbon fermé de la centrale électrique Guodian Ningxia Fangjiazhuang s'étend sur 229 mètres — la plus longue portée libre au monde pour une structure de stockage de charbon. Pour mettre cela en perspective : 229 mètres correspondent à la longueur de deux terrains de football et demi, placés bout à bout, sans colonnes intérieures. Le toit doit supporter la charge de neige, la charge du vent, son propre poids mort, ainsi que la pression latérale du charbon stocké contre les murs inférieurs — le tout sans aucun support intermédiaire.

² Cet article est un compte rendu technique de la manière dont nous avons atteint ce record. Ce n’est pas un matériel marketing. Il couvre le concept structurel (pourquoi poutre-cordon, et non treillis spatial), la séquence de précontrainte, la charge de vent sur une structure de plus de 40 000 m² de surface, l’ancrage des fondations pour les forces des câbles, et la méthode de construction. Chaque chiffre de cet article provient de l’analyse structurelle du projet et des dossiers de fabrication.

1. Pourquoi le faisceau-chaîne, et non la treillis spatial ?

Nos ateliers à Xuzhou produisent plus de 3 000 000 m² de construction de treillis spatial par an, et le projet de 229 m ci-dessous est l'une des 500 structures que nous avons livrées depuis 1999. Pour la plupart des portées jusqu'à 120 m, un treillis spatial à double couche est la structure la plus efficace. Alors pourquoi n'avons-nous pas utilisé un treillis spatial pour le hangar à charbon de 229 m ?

La réponse est efficacité du poids à une envergure extrêmeLe poids au mètre carré d'une structure en treillis spatial augmente approximativement de manière linéaire avec la portée, car les forces dans les éléments croissent avec la portée et les dimensions des éléments doivent augmenter proportionnellement. Pour une portée de 229 m, un treillis à double couche nécessiterait des éléments avec des forces axiales dépassant 2 500 kN, nécessitant des nœuds sphériques soudés lourds et des tubes de grand diamètre (Ø273 × 16 mm ou plus). La consommation d'acier serait d'environ 85-95 kg/m².², totalisant 3 400 à 3 800 tonnes d'acier pour les 40 000 m² toit.

Une structure poutre-corde atteint la même portée avec environ 45-55 kg/m² — une réduction de 40 à 45 % du poids de l'acier. Le tonnage total d'acier est de 1 800 à 2 200 tonnes, économisant 1 600 tonnes d'acier. Aux prix de l'acier de 2023, cela représente une économie matérielle d'environ 12 à 15 millions de RMB (1,7 à 2,1 millions de USD). Cette économie compense largement le coût supplémentaire des câbles de précontrainte, des ancrages de câbles et du processus de fabrication et de montage plus complexe.

Le concept de poutre-corde

Une structure poutre-corde se compose de trois composants :

1. La panne supérieure (élément de compression): Une ferme ou une poutre en acier qui supporte la charge gravitationnelle en compression et en flexion. Le bras supérieur est l'élément structurel principal.
2. La corde inférieure (élément de tension): Un câble ou une tige en acier à haute résistance qui est tendu pour créer une force vers le haut sur le cordon supérieur, contrebalançant la charge gravitationnelle. Le câble fonctionne entièrement en traction — l'utilisation la plus efficace de l'acier à haute résistance.
3. Entretoises verticales (connecteurs): Des éléments verticaux qui connectent la cordes supérieure et le câble inférieur, transférant la force ascendante du câble à la corde. Ces montants supportent uniquement la compression axiale.

Le principe structurel est élégant : la charge due à la gravité fait plier la barre supérieure vers le bas, et le câble tendu la tire vers le haut à travers les montants. La tension du câble est préalablement calculée pour compenser un pourcentage spécifique de la charge permanente (typiquement 70 à 90 %), de sorte que, sous la charge permanente et la charge vive maximales, la barre supérieure subit un moment de flexion réduit par rapport à une poutre conventionnelle. Le câble supporte la charge en simple traction avec une efficacité qu’aucun élément en compression ne peut égaler, car les câbles ne fléchissent pas.

Comparaison structurelle à 229 m

La poutre-câble est non seulement plus légère mais aussi plus rigide (flèche L/400 vs L/250), car le câble pré-tendu fournit un appui élastique le long de la travée qui réduit la longueur de flexion effective. Le compromis est la force horizontale du câble (850 kN par support), qui doit être ancrée dans les fondations — un point de conception supplémentaire important discuté dans la Section 4.

2. La séquence de pré-tension

Le défi d’ingénierie le plus critique dans une structure à poutre-câble est la séquence de pré-tension. Le câble ne peut pas être tendu en une seule opération — la géométrie de la structure change à mesure que le câble est tendu, et ces changements de géométrie affectent la répartition des forces dans chaque élément. Une tension mal séquencée peut provoquer le flambage de l’âme supérieure, la surcharge des entretoises ou le relâchement du câble à des étapes intermédiaires.

Tensionnement par étapes

Le hangar à charbon possède 7 unités de poutres-câbles le long de sa longueur, chacune s'étendant sur 229 m dans la direction transversale. Chaque unité comporte 5 câbles (répartis en éventail depuis les ancrages d'extrémité), créant 5 points de tension par unité. La séquence de tension pour chaque unité était :

• Phase 1 (10 % de la tension de conception, 85 kN): Tous les 5 câbles sont tendus simultanément à 10 % de la tension de conception. Cela élimine le mou des câbles et fixe les ancrages. La structure est toujours soutenue par des tours d'étaiement temporaires à ce stade.
• Phase 2 (30 % de la tension de conception, 255 kN): Les câbles sont tendus à 30 %. Le cordon supérieur commence à se soulever du support. La flèche est surveillée en 12 points le long de la portée à l'aide d'un relevé par station totale (précision ±1 mm). Si un point s'écarte de la flèche prévue de plus de 5 mm, la tension est interrompue et le modèle structurel est vérifié à nouveau.
• Phase 3 (60 % de la tension de conception, 510 kN): Les câbles sont tendus à 60 %. Les tours de culée temporaires sont retirées. La structure supporte maintenant son propre poids mort grâce à l'action poutre-câble. La flèche à ce stade est prédite à 15 mm vers le haut (dévers) au milieu de la travée.
• Phase 4 (85 % de la tension de conception, 723 kN): Les câbles sont tendus à 85 %. La structure atteint l'état de pré-charge, avec une cambrure au milieu de la travée de 45 mm vers le haut. Cette flèche vers le haut est conçue pour être annulée par le poids mort du revêtement, de l'isolation et des pannes, qui sont installés après cette étape.
• Phase 5 (100 % de la tension de conception, 850 kN): Tension finale à 100 % après l'application de toutes les charges permanentes. La structure atteint sa géométrie de conception : déviation nulle au milieu de la portée sous charge permanente, avec le câble fournissant une force ascendante qui compense 80 % de la charge permanente.

Chaque étape nécessite un minimum de 4 heures pour la redistribution des forces et la relaxation au fluage avant de commencer l'étape suivante. Le temps total de tension par unité est de 2 à 3 jours. Les 7 unités ont été tendues séquentiellement (et non simultanément) pour permettre le suivi et les ajustements.

Contrôle des forces pendant la tension

Chaque câble est équipé d'une cellule de charge (type jauge de contrainte à fil vibrant) à l'ancrage, fournissant des lectures de tension en temps réel pendant la séquence de tension. De plus, la corde supérieure est équipée de jauges de contrainte à 8 emplacements par unité, permettant de surveiller la redistribution des contraintes. Les données de surveillance sont comparées au modèle d'analyse structurelle en temps réel, et toute déviation supérieure à 10 % déclenche une pause pour investigation. Lors de la tension réelle, la déviation maximale par rapport aux forces prévues était de 6 % — bien dans la tolérance de 10 %.

3. Charge de vent sur une structure de 229 mètres d'ouverture

La surface du toit du hangar à charbon est d'environ 40 000 m² (229 m × 175 m). Cette surface énorme présente un défi important en termes de charge due au vent. La structure est située dans le Ningxia, une région intérieure avec une pression du vent de base de 0,45 kN/m.² (Période de retour de 50 ans, selon GB 50009).

Calcul de charge de vent

La pression du vent sur le toit dépend du facteur de forme du toit (Cp), qui varie en fonction de la position. Pour un toit courbé (voûté) avec un rapport hauteur-portée de 1/6, les coefficients de pression du vent selon la norme GB 50009 sont :

• Quartier au vent: Cp = −0,2 (relèvement, modéré)
• Couronne (haut): Cp = −0,8 (relèvement, élevé)
• Quartier sous le vent: Cp = −0,5 (relèvement, modéré)
• Mur au vent: Cp = 0,6 (pression)
• Mur sous le vent: Cp = −0,3 (aspiration)

La force totale de soulèvement sur le toit sous le vent de conception (0,45 kN/m² pression de base, avec des facteurs de hauteur et de terrain augmentant celle-ci à 0,68 kN/m² à la hauteur de l'avant-toit de 45 m) :

F_élever = 0,68 × (−0,8) × 40 000 m² = −21 760 kN (soulèvement)

Cette force de soulèvement de 21 760 kN doit être résistée par le poids propre de la structure et par l'ancrage de la fondation. Le poids propre de la structure de la toiture (1 800 tonnes) fournit 17 640 kN de résistance à la gravité. Les 4 120 kN restants de soulèvement doivent être résistés par les ancrages de la fondation — qui doivent également résister à la force horizontale des câbles de 850 kN par support. Les charges verticales et horizontales combinées font que la conception de la fondation est un élément critique du projet.

Essais en soufflerie

Pour une structure de cette envergure et de cette importance, nous avons complété le calcul des charges dues au vent basé sur le code par des essais en soufflerie à la soufflerie à couche limite de l'université de Tongji. Un modèle à l'échelle 1:200 a été testé à la fois dans la direction du vent et perpendiculaire au vent, avec des prises de pression à 120 endroits sur la surface du toit. Les résultats de la soufflerie ont confirmé les coefficients basés sur le code à moins de 10 %, avec deux exceptions notables :

• Zones d'angle: La soufflerie a montré des coefficients de soulèvement localisés de −1,2 aux coins du toit (contre une valeur du code de −0,8), en raison de la formation de vortex. Nous avons renforcé les connexions des coins et augmenté la charge permanente (ballast en béton) à ces emplacements.
• Réaction au vent latéralLa direction du vent transversal (perpendiculaire à la portée de 229 m) a montré une réponse dynamique due au détachement de vortex, avec une fréquence de résonance de 0,8 Hz. La fréquence naturelle de la structure est de 1,2 Hz, ce qui est suffisamment différent de la fréquence de détachement des vortex pour éviter la synchronisation, mais nous avons ajouté des amortisseurs à masse accordée (TMD) au sommet pour atténuer toute amplification résonante.

4. Ancrage de fondation pour les forces de câble

La structure à poutre-câble transfère deux forces à chaque fondation : une charge verticale (1 800 kN vers le bas sous charge permanente et variable, ou 520 kN vers le haut sous soulèvement dû au vent) et une charge horizontale (850 kN vers l'extérieur due à la tension du câble). La force horizontale constitue le principal défi de conception pour la fondation.

Sélection du type de fondation

Le site est sur un sol alluvial avec une capacité portante de 180 kPa (sable graveleux de densité moyenne). Trois options de fondation ont été évaluées :

• Fondation sur radeau peu profonde: Résisté par le frottement du sol sur le dessous du radeau. La surface de radeau requise pour résister à une force horizontale de 850 kN (avec un coefficient de frottement du sol de 0,35) est 850 / (0,35 × 180) = 13,5 m² — réalisable, mais le cas de soulèvement (520 kN) nécessite que le poids de la radeau dépasse 520 kN, nécessitant 53 m³ de béton. Le radeau mesurerait 6 m × 3 m × 3 m de profondeur — grand mais faisable.
• Pieux battus: Les pieux inclinés (à 15°) peuvent résister à la fois aux charges verticales et horizontales. Quatre pieux de 600 mm de diamètre par support, avec une capacité verticale de 1 200 kN et une capacité horizontale de 350 kN chacun, offrent une capacité horizontale totale de 1 400 kN — soit 65 % au-dessus de la demande de 850 kN. Cette option a été choisie car les pieux résistent également au cas de soulèvement grâce à la friction latérale (200 kN par pieu).
• Ancres de roche: Non réalisable car le site est composé de sol alluvial avec un socle rocheux à 25 m de profondeur.

Connexion pière-à-Structure

La semelle du pieu est un bloc en béton armé (3,5 m × 3,5 m × 1,5 m de profondeur) qui transfère la force de tension du câble aux pieux inclinés via un système de barreaux et tirants en béton armé. L'ancrage du câble est un bloc d'ancrage en acier moulé incorporé dans la semelle, conçu pour transférer 850 kN de tension au béton par adhérence et appui. Le bloc d'ancrage est conçu selon la norme GB 50010 (code structural du béton) avec une longueur de développement minimum de 1,2 m pour les barres d'ancrage du câble (Ø75 mm, acier 40Cr).

5. Méthode de construction : Montage au sol et levage synchronisé

La méthode de construction du hangar à charbon a été dictée par deux contraintes : la portée de 229 m (trop grande pour un montage par grue en hauteur) et l'exigence de pré-tension (les câbles doivent être tendus depuis le sol avant que la structure soit levée à sa position finale).

Étape 1 : Montage au sol

Les 7 unités poutre-câble ont été assemblées au niveau du sol dans une zone de stockage adjacente au site du hangar à charbon. Chaque unité a été assemblée sur des supports temporaires (échafaudages) qui positionnaient l'arête supérieure à 1,5 m au-dessus du sol — suffisant pour que les travailleurs puissent accéder au dessous pour l'installation des boulons et le passage des câbles. Les unités ont été assemblées en séquence, chaque assemblage d'unité prenant 8 à 10 jours (équipe de 4 personnes par unité, utilisant des connexions boulonnées pour les éléments de treillis et les blocs d'ancrage des câbles).

Étape 2 : Installation des câbles et tension initiale

Des câbles ont été passés à travers les connexions des entretoises et ancrés aux deux extrémités. Les étapes 1 à 3 de la séquence de pré-tensionnement (10 %, 30 %, 60 %) ont été réalisées au niveau du sol, la structure étant encore soutenue par des échafaudages. Cela a permis de vérifier la répartition des forces et la géométrie avant le levage — une étape critique de gestion des risques, car tout problème détecté après le levage serait extrêmement difficile et coûteux à corriger à 45 m de hauteur.

Étape 3 : Levage synchronisé

Le levage a utilisé un système de levage hydraulique synchronisé avec 4 points de levage par unité (aux points de quart de la travée de 229 m). Chaque vérin avait une capacité de 2 500 kN et était contrôlé par ordinateur pour maintenir la synchronisation dans une tolérance de ±5 mm de déplacement vertical à tous les points. La charge totale de levage par unité était d’environ 6 800 kN (le poids de la structure en acier plus les câbles partiellement tendus).

Le taux de levage était de 0,5 mètre par heure — délibérément lent pour permettre une surveillance continue de la répartition des forces, de la tension des câbles et de la géométrie structurelle. À chaque incrément de 5 m, le levage était interrompu pour un relevé complet et un contrôle des forces. Le levage total depuis le niveau du sol jusqu'à la position finale (hauteur de l'avant-toit de 18 m, hauteur de la cime de 45 m) a pris environ 50 heures par unité.

Étape 4 : Connexion aux fondations et tension finale

Une fois que l'unité était à l'élévation finale, les connexions d'extrémité ont été boulonnées aux blocs d'ancrage de la semelle de pieu. Les étapes 4 et 5 du pré-tensionnement (85 % et 100 %) ont ensuite été réalisées avec la structure dans sa position finale. Les tours d'étaiement temporaires ont été retirées après l'étape 5, et la structure était autoportante.

Étape 5 : Installation du bardage et des pannes

Les pannes et le bardage ont été installés après que la structure était autoportante et que la tension des câbles était terminée. La charge permanente des pannes et du bardage (environ 0,25 kN/m)²) a été appliqué de manière symétrique pour éviter un chargement déséquilibré sur le système poutre-câble.

6. Analyse et vérification structurelle

L'analyse structurelle de la structure à poutre-câble de 229 m a été réalisée à l'aide d'une analyse par éléments finis non linéaire (FEA) avec non-linéarité géométrique (effets P-Δ et flèche du câble). Le modèle d'analyse comprenait :

• 1 847 éléments de poutre pour les barres supérieures du treillis, avec des modèles de matériau élasto-plastique pour l'acier Q355B.
• 35 éléments de câble (5 par unité × 7 unités) avec un comportement uniquement en tension et une pré-contrainte initiale de 850 kN.
• 140 éléments de treillis pour les montants verticaux, avec un comportement uniquement en compression.
• Conditions aux limites non linéaires aux fondations, modélisant la rigidité des pieux dans les directions verticale et horizontale.

L'analyse a vérifié :

• Résistance: Contraintes maximales des éléments sous toutes les combinaisons de charges (permanente, vive, vent, neige, température) de 285 MPa — 81 % de la limite d'élasticité du Q355B (355 MPa), avec un facteur de sécurité de 1,25.
• Stabilité: La charge critique élastique de l'âme supérieure est 2,8 fois la charge de conception, dépassant le minimum de 2,0 de la norme GB 50017 pour les structures principales.
• Maintenabilité: La flèche maximale sous charge morte et vive totale est de 573 mm (L/400), bien inférieure à la limite de la norme GB 50017 de L/250 (916 mm) pour les structures de toit.
• Fatigue du câble: La plage de contrainte des câbles sous charge de vent est de 45 MPa, ce qui est en dessous de la limite de fatigue de 70 MPa pour les câbles en acier à haute résistance (selon GB/T 18306), assurant une durée de vie supérieure à 2 millions de cycles.

7. Pourquoi ce projet est important

Le hangar à charbon de 229 m n'est pas simplement un record. Il démontre trois principes d'ingénierie qui s'appliquent à tout projet de structure en acier à grande portée :

Tout d'abord, le choix du système structurel devrait être dicté par la portée, et non par les préférences. Nous fabriquons plus de treillis spatial que tout autre type de structure (plus de 3 000 000 m² par an), mais nous n'avons pas utilisé de treillis spatial pour ce projet car ce n'était pas la bonne structure pour cet envergure. Le système poutre-câble a permis d'économiser 1 600 tonnes d'acier et a produit une structure plus rigide et plus efficace. La structure appropriée pour votre projet dépend de votre envergure, de votre charge et de votre site — et non de ce que votre fabricant préfère construire.

Deuxièmement, la précontrainte est une discipline d'ingénierie, pas une tâche de construction. La séquence de tension en 5 étapes, avec surveillance de la force en temps réel et vérification géométrique, a pris 2 à 3 jours par unité et a nécessité une équipe d'ingénieurs dédiée sur site. Passer outre ou accélérer ce processus compromettait la répartition des forces de la structure et pouvait potentiellement provoquer une défaillance.

Troisièmement, une portée extrême nécessite une vérification extrême. Les essais en soufflerie, l'analyse par éléments finis non linéaire, la surveillance par jauges de contrainte et les systèmes de levage synchronisés ne sont pas des luxes — ils représentent la rigueur d'ingénierie qui rend possible et fiable une portée de 229 m. Le coût de cette vérification est d'environ 3 à 5 % du coût total du projet ; le coût d'une défaillance à une portée de 229 m est inestimable.

Pour en savoir plus sur notre système structurel poutre-câble, visitez notre page produit des structures poutre-corde. Pour les détails complets du projet, voir le Page du projet de remise de charbon de Ningxia. Pour en savoir plus sur les structures de treillis spatial pour les portées où elles sont le bon choix, visitez notre page produit de grille sphérique boulonnée.

Conclusion

Le hangar à charbon à poutres-câbles de 229 m représente l'intersection de l'innovation structurelle, de la capacité de fabrication et de la discipline de construction. Ce n'est pas la plus longue portée que nous ayons construite (notre portfolio comprend des ponts et des projets d'infrastructure avec des portées plus grandes), mais c'est la plus longue toiture à portée libre, et les défis d'ingénierie qu'il a présentés — précontraintes, charge de vent, ancrage des fondations, levage synchronisé — sont applicables à tout projet de structure en acier à grande portée.

Si votre projet nécessite une structure en acier à grande portée — qu'il s'agisse d'un hangar à charbon, d'une arène sportive, d'un hangar à avions ou d'une installation industrielle — le choix du système structurel est la première et la plus importante décision. Nous pouvons concevoir des réseaux spatiaux pour des portées jusqu'à 120 m, des systèmes à poutres-câbles pour des portées de 60 à 250 m, et des systèmes hybrides qui combinent les avantages des deux. Contactez notre équipe d'ingénierie avec vos exigences en matière de portée, de charge et de site, et nous recommanderons le système qui convient à votre projet — et non le système que nous préférons construire.