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Les structures spatiales

Une structure spatiale est par extension une poutre en treillis conçue dans l'espace à trois dimensions : il s'agit de « structures réticulées » parce que les dispositions de ses membrures sont organisées en réseaux de nervures. Ces nervures constituées de barres droites sont liaisonnées par des nœuds.

L'articulation est le mode de liaison dans les nœuds, ce qui permet de soumettre les barres uniquement à des efforts de traction et de compression, quand les charges sont appliquées au droit de ceux-ci. Les nœuds des structures spatiales réticulées sont considérés comme des rotules.
Contrairement à ce qui se passe avec les composants usuels de stabilité, un ensemble spatial ou tridimensionnel se suffit à lui-même. La rigidité est assurée par la structure elle-même pour toutes les sollicitations dans toutes les directions de l'espace.

Nœud soudé dans une ossature tubulaire
Nœud d'articulation en acier moule. Structure de l'une des sphères d'Eden Project à Bodelva-Cornouailles en Angleterre.

 

Ces structures présentent les avantages suivants :

  • montage : possibilité de pré assemblage au sol et de levage d'ensembles
  • économie de matière ;
  • légèreté;
  • transparence ;
  • esthétique ;
  • flexibilité ;
  • transparence ;
  • esthétique ;
  • On retiendra les trois typologies de structures spatiales suivantes :
  • les poutres triangulaires ;
  • les doubles nappes ;
  • les voûtes et les coques.

Les poutres triangulaires

La poutre triangulaire comporte trois membrures parallèles et trois plans de treillis. Cette poutre ne nécessite aucun élément complémentaire pour être stable. C'est une structure spatiale.

Principe d'assemblage d'une poutre triangulaire en tubes.
Poutre triangulaire.

 

Les doubles nappes

On distingue les nappes bidimensionnelles des nappes tridimensionnelles.

  • •    Les doubles nappes à poutres croisées ou bidimensionnelles

La rigidité est assurée par deux familles perpendiculaires de poutres. C'est l'image du caillebotis. Les grilles supérieures et inférieures sont identiques et superposées suivant les trames orthogonales carrées, rectangulaires ou triangulaires.

Détail d'un nœud d'assemblage montrant le poinçon comprimé entre la nappe supérieure en tubes ronds et les tirants en partie basse.
  • Les doubles nappes tridimensionnelles

Une double nappe tridimensionnelle comporte aussi deux plans de membrures dont les croisements sont reliés par des treillis, mais les nœuds supérieurs ne sont plus à la verticale des nœuds inférieurs comme dans la double nappe bidimensionnelle. Les liaisons par éléments inclinés (non verticaux) augmentent la rigidité de l'ensemble.
Il existe de nombreuses grilles de ce type. La plus simple consiste en la superposition de deux grilles orthogonales identiques. Une fois chargée, la nappe supérieure est entièrement comprimée, alors que la nappe inférieure travaille en traction. En raison de leur grande rigidité, ces grilles ont une flèche faible. Quand elles sont simples, elles peuvent être réalisées avec des cornières ou avec des tubes. Les géométries plus complexes nécessitent l'utilisation exclusive de tubes. Des nappes encore plus résistantes peuvent être obtenues en créant deux nappes triangulaires liaisonnées entre elles par trois réseaux de plans verticaux.
L'épaisseur des doubles nappes des structures spatiales réticulées pouvant être importante, il est naturel de penser à occuper les volumes libres entre les barres en les rendant utilisables. Ainsi, les doubles nappes de hauteur d'étage permettent de franchir économiquement de grandes portées tout en utilisant les espaces entre les structures. Des mégastructures réticulées peuvent être conçues sur plusieurs étages.

Doubles nappes à mailles triangulaires.
Double nappe diagonale.


Les voûtes et dômes

Le principe de l'arc peut être utilisé pour des nappes cintrées dans une direction formant une voûte.
En faisant pivoter un arc autour de l'axe vertical passant par sa clé, on obtient la figure du dôme géodésique, dont Buckminster Fuller a été l'inventeur et le promoteur. Le plus connu de ses dômes est celui du pavillon des États-Unis à l'Exposition Universelle de Montréal (diamètre : 76 m). Ces structures peuvent couvrir des surfaces importantes avec un poids très réduit.
Lorsque les courbures sont faibles, ou pour une grande portée, on double la nappe d'une deuxième surface dont les nœuds sont reliés à ceux de la première par des diagonales spatiales.

Intérieur de l'une des portions de sphère d'Eden Project à Bodelva¬-Cornouailles en Angleterre.
Nicholas Grimshaw and Partners architectes

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