TRUCTURES TUBULAIRES EN ARCHITECTURE

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1 TRUCTURES TUBULAIRES EN ARCHITECTURE Mick Eekhout _,k?~i -~P'i. TU Delft Delft University of Technology

2 STRUCTURES TUBULAIRES EN ARCHITECTURE Prof.dr. Mick Eekhout a /'initiative du CIDECT (Comite International pour le Developpement et /'Etude de Ia Construction Tubulaire) et de Ia chaire de Developpement de Produits de Ia faculte d'architecture de I'Universite de Technologie de Delft a beneficie de /'aide des fonds de Ia C.E.E. de Bruxelles

3 Table des matieres Preface 5 Introduction 7 Evolutions historiques Du Fer des debuts aux Structures Tubulaires en Acier Histoire des Structures Tubulaires 18 2 Conception architectonique Approche abstraite contre approche concrete Structures en acier et en verre Architectes et Technologie de Ia Prochaine Generation 37 3 Conception de Ia construction Poteaux Toitures et planchers 58 4 Dimensionnement des structures Elements verticaux Structures a effet de masse: poutres Structures a effet vectoriel: treillis Structures a effet de surface: coques Structures a effet de forme : tentes et domes Combinaisons 90 5 Conception industrielle Environnement de production Production de tubes Fabrication des structures tubulaires Fabrication des noeuds Protection Technologie d'assemblage et de montage Evolutions futures 121 Literature 127 Table des matieres 3

4 Chateau d'eau par Brookes, Stacey, Randell et Furdon a Londres. Table des matieres 4

5 Preface Un attribut commun de!'architecture moderne se situe au niveau de I' expression de sa structure. Dans certains cas, les structures tubulaires en acier sont utilisees pour obtenir de grandes portees, comme dans les cas de Ia Gare d'east Croydon et d'lnmos. Dans d'autres cas, on les utilise egalement comme moyen de creer un symbole permettant a Ia construction d'etre aisement identifiee et distinguee par ses pyl6nes elances, comme dans les cas de I'Usine de Fleetguard et de Renault. Dans tous les cas, il est important que les raccordements entre les elements structuraux, leurs noeuds d'assemblage et leur liaison avec le sol soient etudies en detail. Les Architectes et les lngenieurs ont ete fascines par les possibilites de conception offertes par ces structures et par leurs details specifiques, et ont travaille ensemble pour elaborer un langage commun adapte a I' architecture dans une societe moderne. II n'est done pas Surprenant que, grace a!'initiative du CIDECT, cet ouvrage de Mick Eekhout sur les Structures Tubulaires en Architecture ait ete commande comme resume de l'etat des connaissances actuelles en Ia matiere, avec des etudes de cas des meilleurs exemples de leur utilisation a travers le monde. Peut-etre, le plus inattendu est Ia maniere dont le Professeur Eekhout a poursuivi le theme de Konrad Wachsmann 'La Nouvelle Orientation de Ia Construction' pour demontrer comment Ia technologie des Structures Tubulaires peut contribuer, en tant que forme d'art creatif, a ajouter a Ia magie de Ia construction. En etudiant le developpement historique des structures en acier, il a pu montrer Ia recherche incessante de structures innovantes, economiques et sophistiquees dont le but est!'amelioration de l'espace architectural. II definit les elements de ces structures, de meme que leurs methodes de fabrication et de montage. En prevoyant Ia relation entre Architectes et Technologie au cours de Ia prochaine generation, cet ouvrage encourage egalement Ia perennite du role preponderant de I' Architecte dans le processus de construction, mais insiste simultanement sur le besoin de ma'itriser le calcul a Ia fois conceptuel et materiel de Ia construction. 'Un excellent Architecte sait comment mettre les producteurs, fabricants et entrepreneurs au defi de faire des elements de construction qui font progresser I' etat des con naissances'. Cet ouvrage permettra a une telle base de connaissances d'exister. Dr A. J. Brookes 20 decembre 1994 Preface 5

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7 Introduction Depuis Ia fin des annees Soixante, Ia recherche technique explore de fac;on incessante les systemes de construction tubulaires, les assemblages et les proprietes des tubes, et!'utilisation de profils tubulaires en construction constitue a present une pratique reconnue et passionnante. Au fur et a mesure du developpement des tubes en acier, les ingenieurs en construction et les constructeurs ont ete tenus bien informes de tous les changements. Les architectes beneficient egalement de ces informations, mais ils sont peu encourages au sein de leur propre profession a utiliser des profils tubulaires dans les constructions. La somme actuelle des connaissances reconnues est telle que Ia poursuite de Ia recherche technique n'entralnera plus que des apports mineurs, et il est temps, de faire le point afin d'encourager et de stimuler Ia construction tubulaire et Ia conception innovante dans Ia profession d' architecte. Le texte de cet ouvrage traite de l'etat actuel de Ia conception faisant appel aux structures tubulaires, du point de vue de l'architecte. Regroupee sous les principaux chapitres de dimensionnement architectonique, structural et industriel, une proposition est formulee selon laquelle un bon dimensionnement elances, faisant appel aux technologies de calcul et aux produits les plus recents, a abouti a Ia construction de batiments delicats, attrayants et interessants, bien adaptes aux ideaux de l'epoque actuelle. L'objectif de nombreux architectes faisant preuve de curiosite technique pour une expression architectonique de Ia technologie dans leur ouvrage a genere une iconographie technique et structurale particuliere, dont le point culminant a ete Ia production de quelques architectures sortant de l'ordinaire. L'introduction des structures legeres en architecture moderne s'est revelee comme solution logique et inevitable, offrant une capacite d'hebergement pour des assemblees considerables, permettant des applications dans les transports, et autres evenements de grande importance. Mais cette adequation a Ia fonction n'est que le commencement du processus de conception qui necessite I' etude de solutions techniques englobant le choix des profils et les calculs des details. L'esthetique des structures tubulaires constitue une contribution majeure a leur image architecturale, mais au fur eta mesure des efforts que font les concepteurs pour ameliorer l'espace, les dimensionnements necessitent des solutions structurales de plus en plus complexes et des normes de haut niveau conception industrielle Diagramme de Ia synergie existant entre Conception Architectonique, Structurale et lndustrielle. necessite une certaine imagination ainsi que!'integration de ces trois concepts. Dans l'antiquite, l'ordre Dorique a ete suivi de l'ordre lonique, dans lequel une construction plus elancee et plus detaillee refletait les connaissances et Ia culture d'une societe plus avancee. De meme,!'utilisation architecturale d'elements tubulaires La structure tubulaire de ce pavilion situe a Seville integre le dimensionnement architectural, sculptural et industriel, et accede meme a Ia sculpture. Introduction 7

8 Partie de N:levation du Dome d'exposition de Montreal. pour leurs elements et leurs composants. Les conceptions nouvelles beneficient de!'apport des combinaisons possibles de details ingenieux, du calcui tridimensionnel informatise, des ameliorations techniques des materiaux, des techniques de fabrication et des procedures de montage. Les conceptions existantes integrent les apports les plus recents en terme de resistance des materiaux et de conception tridimensionnelle, et une plus grande attention est portee a!'integration de Ia structure avec les autres elements du batiment, tels les couvertures, fas;ades vitrees, murs-rideaux, cloisonnements interieurs, installations, etc. L'etape suivante consistera a faire entrer cette technologie dans une conscience culturelle, ce qui inspirera des applications architectoniques. La balle est maintenant dans le camp de I' architecte. L'ideal de l'architecte est de faire naltre des idees, eventuellement des idees surprenantes, pour Ia conception de projets architecturaux etonnants, pour Ia realisation d'un systeme structural ingenieux, pour!'elaboration des details les plus intelligents, et pour faire fabriquer et construire tout cela de Ia fas;on Ia plus economique. II doit etre guide par!'inspiration pour interpreter un projet fonctionnel afin d'atteindre un resultat offrant davantage d' atmosphere et d'esprit, et, en fin de compte, une presence plus marquante. Pour les architectes, rester fideles a leur mission creative necessite, outre le savoir technique, de Ia motivation, de!'imagination et de Ia perspicacite. lis doivent mettre les connaissances techniques au service d'une conception spatiale qui allie les ideaux philosophiques et culturels. Le present ouvrage est divise en six chapitres. Le premier chapitre offre un bref resume des evolutions historiques depuis les premieres structures en fer et en acier jusqu'aux structures tubulaires des annees II decrit les inventions et les evolutions qui ont conduit aux connaissances actuelles des structures tubulaires qui font partie de!'heritage architectural et technique d'aujourd'hui. II montre comment les connaissances se sont developpees en s' appuyant sur les evolutions de chaque generation. Les second et troisieme chapitres, qui traitent respectivement de Ia conception architectonique et de Ia conception de Ia construction, presentent un certain nombre de themes architecturaux qui influencent I' attitude de I' architecte et les concepts de dimensionnement des structures tubulaires. Ces themes couvrent Ia variete de I' approche conceptuelle entre les composants tubulaires verticaux et horizontaux, des themes ph ilosophiques comme I' abstraction opposee au calcul materiel, ainsi que les savoir-faire qui seront exiges des architectes de Ia prochaine generation. Le quatrieme chapitre, consacre au dimensionnement des structures, est traite du point de vue de I' architecte, comparant des systemes de structures qui utilisent des pieces tubulaires. II ne contient aucune theorie de calcul, mais plutot une vision globale et une etude de Ia fas;on dont ces differents projets fonctionnent et pourraient etre combines, du point de vue de Ia creation spatiale, en developpant ici encore les differences entre les structures verticales et horizontales. Le cinquieme chapitre decrit certains aspects de Ia conception industrielle comme le dessin de details, Ia realisation de prototypes, Ia production et Ia fabrication. II couvre egalement Ia fabrication des profils creux de construction ainsi que I' utilisation des tubes Introduction 8

9 Influence reciproque entre differentes sciences: Aerospatiale et Construction. dans Ia realisation de pieces et d'elements soudes. II decrit les differents types de noeuds d 'assemblages. II traite enfin des procedures de liaison entre elements prefabriques ainsi que du montage sur chantier. Le sixieme et dernier chapitre tente d'imaginer les evolutions futures dans les domaines de Ia philosophie, du calcul, de Ia conception technique, de Ia fabrication, de I' assemblage, du montage et du contr61e de Ia qualite des structures tubulaires en architecture. Mes remerciements, pour l'aide apportee lors de!'elaboration de cet ouvrage, vont tout d'abord a Paul de Ruiter, qui m' a assiste dans les recherches theoriques initiales, puis a Miente Janzen qui m'a conseille pour le texte, et enfin a Miranda Lether et Simon Dillon pour les efforts soutenus qu'ils ont deployes dans Ia mise en forme du texte et des illustrations pour obtenir un tout coherent. Prof. Dr ir Mick Eekhout, 28 novembre 1994 Introduction 9

10 Kansai" Airport, Osaka. Introduction 10