Dans l'ingénierie moderne des structures spatiales, les cadres spatiaux en acier, avec leur capacité de portée supérieure, leurs formes architecturales élégantes et leur capacité de charge efficace, sont largement utilisés dans les bâtiments de grande portée tels que les stades, les halls d'exposition, les terminaux d'aéroport et les usines industrielles. Les cadres à rotule soudés et les cadres à rotule boulonnés, deux formes principales de cadres à rotule en acier, ont chacun des caractéristiques techniques et des champs d'application distincts. Cet article se penche sur les principales différences entre ces deux structures en termes de principes structurels, de technologie de construction, de propriétés mécaniques, d'économie et de scénarios applicables, afin de fournir une référence pour la conception et la sélection techniques.

I. Structure de base et principes de connexion

Les cadres d'espace sphérique soudés utilisent des sphères d'acier creuses comme nœuds. Les extrémités des éléments (généralement des tubes en acier) sont directement reliées aux sphères en acier par soudage sur place, formant ainsi des joints rigides. Cette méthode de connexion garantit que l'axe des éléments se croise précisément au centre de la sphère, ce qui permet une transmission directe de la force et une grande rigidité des nœuds. Les joints à rotule soudés nécessitent généralement un prétraitement de précision en usine, en fonction du nombre et de l'angle des éléments, afin de garantir un alignement précis sur le site.

Les cadres spatiaux à billes boulonnées utilisent des billes d'acier solides comme nœuds, avec des trous de boulons à haute résistance pré-percés dans les sphères. Des têtes coniques ou des plaques d'extrémité sont soudées aux extrémités des éléments, qui sont ensuite fixés aux billes d'acier à l'aide de boulons à haute résistance. Cette connexion est un nœud articulé, où les éléments supportent principalement des forces axiales, avec un impact minimal des moments de flexion. Tous les nœuds à billes boulonnés sont usinés en usine, ce qui permet une véritable construction sur site basée sur l'assemblage.

II. Technologie de la construction et contrôle de la qualité

Le cœur de la construction d'un cadre spatial à boule soudée réside dans le soudage sur site. Le processus comprend : l'assemblage au sol de petites unités, le levage et le positionnement à haute altitude, la mesure et l'étalonnage, le soudage final et la fixation. Le contrôle de la qualité se concentre sur la qualité des soudures et exige le respect strict de procédures telles que la certification des soudeurs, la qualification des procédures de soudage et les essais non destructifs (UT, RT) des soudures. Le soudage sur site est fortement affecté par les conditions météorologiques (vent, pluie, basses températures), ce qui exige des normes élevées en matière d'organisation et de gestion de la construction. Cependant, en raison de la grande rigidité des nœuds et de la bonne stabilité générale, les besoins de renforcement temporaire du système de support sont relativement faibles.

Le cœur de la construction d'un cadre spatial à billes boulonnées réside dans un assemblage de haute précision. Le processus est le suivant : préfabrication en usine de tous les éléments et des boules de boulons → assemblage sur place selon la numérotation → serrage initial → serrage final selon la précharge prévue. Les principaux points de contrôle de la qualité sont le contrôle de la précharge des boulons et la précision de l'usinage des composants. Des clés dynamométriques calibrées ou des clés électriques doivent être utilisées et la force axiale des boulons doit être vérifiée régulièrement. Les erreurs d'usinage des composants doivent être extrêmement faibles, sous peine d'entraîner des difficultés d'installation. La construction n'est pratiquement pas affectée par les conditions météorologiques et est extrêmement rapide, mais elle exige une très grande précision dans les mesures et l'agencement sur place.

III. Propriétés mécaniques et caractéristiques structurelles

Du point de vue de l'analyse structurelle, les différences entre les deux sont importantes :

- Rigidité des nœuds : Les nœuds sphériques soudés sont proches des connexions rigides, capables de transmettre des forces axiales, des forces de cisaillement et des moments de flexion, ce qui se traduit par une plus grande rigidité globale et une meilleure stabilité du cadre spatial. Les nœuds sphériques boulonnés sont proches des connexions articulées, transmettant principalement la force axiale, et le modèle d'analyse structurelle est plus simple.

- Capacité de charge : En raison de la rigidité des nœuds, les cadres spatiaux sphériques soudés présentent certains moments de flexion secondaires dans les membres, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de capacité de charge des nœuds eux-mêmes et des membres. Les cadres spatiaux sphériques boulonnés supportent principalement des forces axiales, ce qui se traduit par une utilisation plus efficace des matériaux et un modèle de calcul qui correspond mieux aux conditions réelles.

• Fonction spatiale : Les cadres sphériques soudés présentent une synergie spatiale globale plus forte et une capacité supérieure à s'adapter à des charges inégales et localisées. Les cadres sphériques boulonnés sont plus sensibles aux conditions limites et à la disposition des supports.

IV. Efficience économique et cycle du projet

Cadres spatiaux sphériques soudés :

• Avantages : Consommation d'acier relativement faible au niveau des nœuds, éliminant le besoin de boulons coûteux à haute résistance et de sphères usinées complexes.
• Inconvénients : Charge de travail importante liée au soudage sur site et coûts de main-d'œuvre élevés ; frais d'essai importants ; longue période de construction ; investissement élevé dans la sécurité de la construction (soudage en haute altitude, prévention des incendies).
• Efficacité économique globale : Les économies de matériaux peuvent être plus prononcées dans les projets de grandes portées, de charges lourdes et de formes complexes, mais les coûts de gestion sont élevés.

Cadre spatial de la sphère boulonnée :

• Avantages : Un niveau extrêmement élevé de production en usine (plus de 95%), une qualité stable ; une installation sur site extrêmement rapide, réduisant la période de construction de 30%-50% ; pas d'opérations à flamme nue sur le site, une sécurité élevée ; de bonnes conditions pour une construction civilisée.
• Inconvénients : Consommation d'acier plus importante au niveau des nœuds (sphères solides), coût élevé des boulons à haute résistance et de l'usinage.
• Efficacité économique globale : Dans les projets à forte standardisation, à portée modérée et à calendrier serré, bien que les coûts des matériaux soient élevés, les avantages économiques globaux sont souvent supérieurs en raison des économies réalisées en termes de temps de construction et de coûts de gestion.

V. Comparaison des scénarios d'application typiques

Situations où les cadres spatiaux en sphère soudée sont préférables :

1. Structures à très grande portée : Tels que les stades et les terminaux d'aéroport dont les portées dépassent 100 mètres et qui nécessitent une rigidité et une stabilité globales extrêmement élevées.
2. Charges dynamiques ou suspendues importantes : Installations industrielles équipées de grues suspendues ou de grands équipements suspendus, ou grands bâtiments publics à forte fréquentation piétonne sujets aux vibrations. 3. Charges importantes et complexes aux nœuds : Les charges concentrées importantes aux nœuds, ou les angles anormaux aux intersections des éléments, rendent les connexions fiables plus faciles à réaliser avec des sphères soudées.
3. Formes architecturales extrêmement complexes : Pour les formes non standard telles que les hyperboloïdes et les surfaces libres, les nœuds sphériques soudés offrent une plus grande adaptabilité spatiale.

Situations dans lesquelles il est préférable d'utiliser des cadres spatiaux boulonnés :

1. Bâtiments standardisés de petite ou moyenne envergure : tels que les usines, les entrepôts et les centres commerciaux standard, qui tirent pleinement parti de leurs avantages en matière de préfabrication et d'assemblage rapide.
2. Projets dont les délais sont extrêmement serrés : tels que les projets d'urgence et les projets de rénovation/expansion.
3. Situations où les conditions de travail sur site sont limitées : Comme les centres urbains, les zones d'usines chimiques et d'autres zones où les opérations à flamme nue sont strictement interdites.
4. Structures nécessitant un démontage ou une modification ultérieure : Les assemblages boulonnés permettent le démontage, ce qui laisse de la place pour des modifications ultérieures.

Conclusion et recommandations de sélection

La différence entre les cadres spatiaux sphériques soudés et les cadres spatiaux sphériques boulonnés réside essentiellement dans les différences d'approche technique entre les connexions rigides et articulées, la construction sur site et la préfabrication en usine, ainsi que la personnalisation et la normalisation. Aucune technologie n'est intrinsèquement supérieure ou inférieure ; le choix se fait en fonction de l'adéquation.

Lors de la sélection d'une technologie pour un projet, il est essentiel de peser systématiquement les différents facteurs :

Tout d'abord, il faut tenir compte des exigences fonctionnelles et mécaniques du bâtiment : analyser la portée, la charge, les caractéristiques dynamiques et la forme du bâtiment.

Deuxièmement, évaluer les conditions et le calendrier de construction : examiner l'environnement du site, la saison de construction, les contraintes du calendrier et les ressources en matière de gestion de la sécurité.

Enfin, effectuez une comparaison économique portant sur l'ensemble du cycle de vie : calculez de manière exhaustive les coûts des matériaux, de la transformation, de l'installation, des essais, de l'entretien et même des modifications futures.

Actuellement, les deux technologies tendent à s'intégrer. Par exemple, dans les projets de grande envergure, un modèle de “cadre spatial hybride” est utilisé, employant des sphères soudées dans les zones portantes centrales et des sphères boulonnées dans les zones standard environnantes, combinant les avantages de la rigidité et de l'assemblage rapide. Grâce aux progrès de la conception numérique et des technologies de traitement robotisé, l'écart entre les deux types de construction en termes de précision de traitement et d'efficacité de construction se réduit, mais une compréhension approfondie de leurs différences fondamentales reste la pierre angulaire d'une prise de décision optimale en matière d'ingénierie.

POURQUOI CHOISIR sdshijie

La construction de structures métalliques sur mesure est notre spécialité.