À propos du projet
Le centre de formation de Tallinn est une structure de quatre étages conçue pour remplacer une installation obsolète par un bâtiment moderne et polyvalent. D'une superficie brute de 13 566 m², le bâtiment mesure 18 mètres de haut et utilise une combinaison de béton, acier et maçonnerie comme matériaux principaux. Le système porteur vertical est principalement composé de poteaux en béton et murs en maçonnerie, qui non seulement fournissent l'appui nécessaire mais contribuent également à la rigidité globale du bâtiment. Les éléments porteurs horizontaux sont principalement constitués de dalles creuses soutenues par des poutres préfabriquées, certaines sections utilisant des dalles plates coulées sur place pour un appui structural supplémentaire.
Le quatrième étage et la structure du toit illustrent une évolution vers la construction en acier, en utilisant des poteaux et poutres en acier pour améliorer la flexibilité et réduire le poids. Le bâtiment est soutenu par 831 pieux d'une longueur totale de 21 000 mètres, ce qui garantit le fondement solide malgré des conditions de sol difficiles. Le volume total de béton utilisé dans la structure, à l'exception des pieux, est 3 560 m³, et les composants en acier pèsent environ 430 000 kg.
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\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualisation architecturale du centre de formation}}}\]
Défis d'ingénierie
L'un des principaux défis de ce projet était la conception d'une poutre ajourée de 80,70 mètres de longueur. Cette poutre devait couvrir de grandes portées au troisième étage pour garantir un espace ouvert sans poteaux conformément à la vision architecturale. En plus de soutenir l'intégrité structurale des grands espaces ouverts, la poutre devait également permettre le passage d'un système de ventilation à travers sa structure.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Vue de section de la poutre ajourée dans le logiciel de lecture IFC}}}]]
La complexité de l'ingénierie a augmenté encore à cause de la nécessité de soutenir six travées sur l'ensemble du dernier étage, la travée la plus longue atteignant 27,49 mètres. En outre, la dernière travée de la poutre a été conçue comme une console qui non seulement s'étendait vers l'extérieur mais aussi soutenait une partie de la dalle de plancher en dessous, ajoutant ainsi une charge significative et nécessitant une analyse et conception structurale méticuleuse.
Après avoir évalué toutes les données saisies, les ingénieurs du projet Martin Truuts et Karl Kimmel ont déterminé qu'une poutre ajourée serait la solution optimale. La conception de la poutre ajourée prévoit naturellement des ouvertures pour le passage du système de canaux, tandis que sa hauteur effective élevée permet d'obtenir une capacité de charge importante avec une utilisation relativement minimale de matériau.
Le choix de la poutre ajourée était clairement la meilleure option, mais il a également introduit des défis supplémentaires, en particulier pour assurer la stabilité de la structure contre le déversement et d'autres formes de voilement. Comme il s'agit d'une poutre continue, il était essentiel de stabiliser la semelle inférieure dans les zones soutenues. En règle générale, des diagonales sont utilisées pour résoudre ce problème, mais cette solution n'était pas réalisable en raison de l'emplacement des tuyaux de ventilation et des exigences architecturales pour l'espace adjacent à la poutre. Par conséquent, des « poutres secondaires », perpendiculaires à la poutre ajourée, ont été utilisées pour fournir la stabilisation nécessaire.
Solutions et résultats
Comme indiqué précédemment, les problèmes de stabilité ont été résolus en reliant les « poutres secondaires » aux côtés de la poutre ajourée. La conception s'est appuyée sur la rigidité en flexion des poutres secondaires, étendant cette rigidité à la semelle inférieure de la poutre ajourée par une conception d'assemblages robuste. Cette approche a permis de stabiliser efficacement la semelle inférieure. En fait, l'assemblage entre les poutres secondaires et les poutres ajourées était si robuste et rigide qu'il a permis aux poutres secondaires dans les travées adjacentes de fonctionner comme des poutres continues, influençant ainsi la distribution des charges et des efforts internes, ce qui, dans ce cas, signifiait également transférer plus de charge aux poutres ajourées.
Pour résoudre les problèmes de stabilité et intégrer la rigidité des assemblages dans la conception, les ingénieurs ont intégré une suite d'applications IDEA StatiCa – Checkbot, Member et Connection – dans leur flux de travail. Les ingénieurs Karl Kimmel et Martin Truuts ont suivi une approche structurée :
Création d'un modèle global : Le processus a commencé par la création d'un modèle global dans le logiciel Robot Structural Analysis (RSA), où les charges et les combinaisons de charge ont été introduites.
Intégration du lien BIM : Karl a ensuite utilisé le lien BIM pour importer l'ensemble de la structure, y compris les efforts internes de toutes les combinaisons de charge, dans IDEA StatiCa Checkbot.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Le modèle importé vers Checkbot avec les efforts internes}}}\]
Conception de l'assemblage et calcul de rigidité : Dans IDEA StatiCa Connection, les assemblages individuels ont été conçus et leur rigidité a été calculée. Cette rigidité a ensuite été réintroduite dans le modèle RSA, influençant le diagramme du moment de flexion de la poutre ajourée et le comportement des poteaux associés.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Conceptions d'assemblages utilisés dans le modèle dans l'application Member}}}\]
Modélisation des éléments : Le modèle a ensuite été recréé à partir de zéro dans IDEA StatiCa Member. Toutes les poutres ont été modélisées en tant qu' « éléments analysés », en utilisant des éléments de coque pour une représentation détaillée. Les assemblages ont été modélisés et assignés aux joints appropriés, et les charges critiques ont été appliquées au modèle pour l'analyse finale.
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\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Vues diverses du modèle dans l'application Member}}}\]
Analyse des éléments : Dans IDEA StatiCa Member, les formes de voilement et les coefficients de voilement critiques correspondants ont été identifiés par l'analyse de voilement linéaire. Les formes de voilement critiques ont ensuite été affectées d'imperfections initiales et analysées plus en détail à l'aide de l'analyse non-linéaire matérielle et géométrique avec imperfections (GMNIA). Ce processus a permis d'identifier les points faibles de la conception et de procéder aux ajustements nécessaires. Ces étapes ont été itératives, chaque cycle permettant d'affiner la conception afin d'améliorer la stabilité et performance.
Karl et Martin ont analysé environ six formes de voilement, en se concentrant principalement sur les modes de voilement global car il y avait peu de formes de voilement local. Ils ont abordé les problèmes potentiels de voilement local dans la conception en incorporant des raidisseurs pour les éliminer.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Flèche sur les éléments à partir de l'analyse GMNIA}}}\]
Résultats : Une fois la conception affinée à un niveau satisfaisant, l'analyse GMNIA a confirmé que les déformations, contraintes et déformations plastiques de la conception finale étaient acceptables.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualisation de la déformation sous charge}}}\]
Double vérification : Pour garantir la précision, les efforts internes ont été comparés entre RSA et IDEA StatiCa Member, ce qui a permis une double vérification des résultats.
Les ingénieurs ont profité des capacités de l'application IDEA StatiCa Member, depuis l'analyse de voilement linéaire (LBA) jusqu'à l'analyse non-linéaire matérielle et géométrique avec imperfections (GMNIA), le type d'analyse le plus avancé pour les charges statiques. Dans l'analyse GMNIA, toutes les imperfections potentielles – telles que les variations d'épaisseur des platines, éléments non droits, contraintes résiduelles, non-homogénéités des matériaux et désalignement des appuis – sont représentées par des imperfections géométriques équivalentes. Ces imperfections sont définies à l'aide de formes de voilement calculées par LBA, l'utilisateur sélectionnant l'amplitude maximale de la forme de voilement pour l'imperfection.
En outre, l'ingénieur Karl Kimmel a utilisé l'application IDEA StatiCa Member pour l'analyse de protection structurale contre l'incendie des poutres, exploitant toutes les capacités de l'outil pour s'assurer que la structure répondait à toutes les exigences en matière de sécurité incendie. Cette analyse complète a permis de confirmer la performance des poutres dans des conditions d'incendie, renforçant ainsi la conception globale.
Conclusion
Le projet du nouveau centre de formation à Tallinn témoigne de la puissance de l'ingénierie en structure avancée et de la conception innovante. En profitant des capacités de IDEA StatiCa, l'équipe d'ingénieurs chez EstKonsult a été en mesure de surmonter des défis importants et livrer une installation robuste, flexible et moderne qui répond aux besoins de la communauté. Ce projet montre l'importance d'utiliser des outils et des techniques de pointe en combinaison avec une pensée innovante en ingénierie en structure pour mettre en œuvre des visions architecturales ambitieuses et assurer la sécurité et fonctionnalité des structures complexes.
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