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Digeste de la construction au Canada, 1974
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Les structures gonflables
Lutes, D. A.
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 137F
Les structures gonflables
Publié à l'origine en 1974 D. A. Lutes
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Le terme "structure gonflable" peut désigner de nombreuses et diverses structures utilisant l'air sous pression pour raidir ou stabiliser une enveloppe mince de matériau flexible et lui conférer une forme structurale. On distingue généralement deux types de structures gonflables: celles constituées par une grande bâche semblable à un ballon et qui doivent leur forme à une légère surpression d'air entre l'enveloppe et le sol, et celles constituées par une double paroi présentant une série de compartiments tubulaires ou cellulaires gonflés qui forment une structure porteuse, et l'espace utilisable, ainsi, n'est pas pressurisé.
On se propose d'étudier dans le présent Digest les structures à paroi simple gonflables comprenant quatre éléments constitutifs fondamentaux: enveloppe, dispositifs d'ancrage, équipement de gonflage, et portes (Figure 1). Il convient, en vue d'obtenir une construction sûre et donnant un service satisfaisant, de choisir ces éléments conformément à certains critères de conception qui seront précisés.
Figure 1. Structure-type à paroi soutenue par air. Évolution Historique
Il est probable que la première proposition de construction d'une structure gonflable par air a été présentée en Angleterre par F. W. Lanchester dans son brevet de 1917.
Aux Etats-Unis, l'Aviation avait besoin en 1946 de constructions d'un type nouveau permettant de loger de grandes antennes de radar destinées à l'Arctique. Walter W. Bird, ingénieur aéronautique, dirigea alors une équipe qui conçut et soumit à des essais des prototypes de dômes pour radars qui donnèrent satisfaction et furent connus sous le nom de radomes. Dès 1954, des centaines de ces constructions en forme de bulbes étaient disséminées dans tous les Etats-Unis et le Canada.
Dix ans plus tard, Bird et quelques-uns de ses collègues fondèrent une compagnie de fabrication et les structures gonflables furent perfectionnées et produites commercialement. D'autres fabricants s'intéressèrent ensuite au même domaine et une association industrielle, Air Structures Manufacturers and Suppliers Association (ASMSA), fut constituée aux Etats-Unis afin d'établir des normes.
Principales Applications
Sous le rapport du poids des matériaux, les structures gonflables représentent une des formes structurales connues les plus satisfaisantes. Leur prix de revient n'est cependant pas toujours
avantageux. De toute manière elles combinent les résistances à la traction des matériaux utilisés et l'efficacité structurale des voiles minces. Elles présentent cependant quelques désavantages. 11 est nécessaire de disposer d'une alimentation continue en air; ni les personnes ni les équipements ne peuvent pénétrer dans le bâtiment ou en sortir sans traverser des sas pneumatiques; la durée de vie du matériau des parois est enfin plus courte, en général, que celle des matériaux classiques de construction.
Il existe peu de types de structure permettant de recouvrir en une seule portée des surfaces aussi importantes. Supportées par air, n'exigeant ni colonnes ni poutres, ces structures peuvent comporter de grandes hauteurs de toits. Un dôme installé à Andover, Maine, pourrait recouvrir un bâtiment de 16 étages.
Nombreuses sont les utilisations actuelles de structures gonflables. Elles comprennent des abris d'antennes (radomes), des entrepôts temporaires de marchandises, des abris élevés sur place pour entreposer des matériaux de construction, des enceintes pour travail de construction, des enclos de piscines et autres abris récréationnels, des abris destinés aux activités sociales, et des abris destinés aux cas de désastre. Par leur nature même, ces diverses utilisations mettent en évidence les deux avantages capitaux, portabilité, d'une part, rapidité de montage et de démontage, d'autre part, présentés par ces constructions.
Forme et Conception de l'Enveloppe Forme
Il convient de ne pas omettre qu'il existe, dans le cas des structures gonflables par air, des limitations au choix des formes. Chaque point de la surface de l'enveloppe doit être en équilibre sous les charges imposées. Si, lors du calcul et du dessin de la forme de construction, on a omis de satisfaire à cette condition, l'enveloppe se ridera et se distordra jusqu à ce qu'une nouvelle configuration en assure l'équilibre. A la suite de distortions de ce genre, on observe non seulement une apparence extérieure peu gracieuse, mais aussi des concentrations de tensions qui peuvent provoquer l'écroulement de la structure.
Parmi les formes les plus courantes figurent les demi-sphères ou les demi-cylindres dont chaque extrémité est obturée par un élément hémisphérique. Il est possible de conférer aux structures gonflables d'autres formes extrêmement variées comportant généralement des surfaces de révolution autour d'au moins un axe.
Structure
Les principales forces qui s'exercent sur une structure sont la pression de l'air intérieur de gonflage et les charges (aérodynamiques) dues au vent. A cause de l'appel de cheminée (CBD 107F), des différences de pression prennent naissance à travers l'enveloppe; elles ne présentent toutefois une importance notable que lors de la conception de structures très élevées chauffées par temps froid. On a calculé un grand nombre de structures gonflable en se basant sur une analyse assez rudimentaire grossière des contraintes et sur un large facteur de sécurité garantissant la résistance de l'enveloppe à une charge de vent à admettre. Le souci d'abaisser les prix de revient a cependant conduit à l'exécution d'analyses plus précises des contraintes. On a déterminé la répartition des contraintes auxquelles sont soumises les tissus en utilisant les répartitions de pression mesurées à la soufflerie aérodynamique, et en se basant, pour de nombreuses formes fondamentales, sur les théories appropriées relatives aux voiles. Les données conceptuelles de base sont présentées dans l'ouvrage cité sous. référence (1); l'ouvrage cité sous référence (2) donne, d'autre part, le détail des calculs correspondants. Les contraintes indiquées correspondent aux charges de vent à admettre. Lors du choix d'un matériau destiné à résister à contraintes à admettre, on doit considérer d'autres facteurs tels qu'uniformité du produit, résistance aux éléments, caractéristiques du tissu concernant les manipulations, relations contrainte-déformation et résistance maximale à la rupture. On ne dispose dans certains cas d'aucunes données détaillées sur ces facteurs. L'ouvrage cité sous référence (3) recommande alors l'emploi d'un facteur de sécurité de 3.
L'instabilité est une situation dans laquelle le fléchissement et l'oscillation de la charpente se combinent pour engendrer des déplacements inacceptables de la structure. On a étudié ce phénomène quant à la porosité du tissu et la pression régnant dans l'enceinte (2). Les essais indiquent que, lorsque la pression de l'enceinte égale ou excède la pression dynamique ou la pression de stagnation du vent, on obtient à la fois une grande stabilité et d'excellentes caractéristiques de fléchissement. L'expérience a cependant révélé qu'il est possible, dans de nombreux cas, d'obtenir des caractéristiques de comportement satisfaisantes (y compris des fléchissements acceptables) avec des pressions de gonflage légèrement inférieures (voir système de gonflage).
Matériau
Le matériau qui constitue l'enveloppe d'une structure gonflable exerce une influence considérable sur le comportement de cette dernière. Il n'est possible d'obtenir des résultats satisfaisants et une longue durée d'existence que si certaines combinaisons de propriétés sont réalisées. Parmi les caractéristiques dont on doit tenir compte lors du choix d'un matériau destiné à des structures gonflables, figurent la résistance à la traction de la chaîne et de la trame du tissu, la résistance aux déchirures pour prévenir l'endommagement accidentel, l'adhérence de l'enduit au tissu dans toutes les conditions d'utilisation; la résistance aux éléments, incluant la dégradation causée par les rayons ultra-violets, la résistance à l'abrasion et la conservation des propriétés physiques après de longues périodes d'exposition; la propriété de raccordement du matériau pour assurer la résistance complète du matériau de base; la flexibilité de manière à éviter les dommages pendant l'emballage, l'entreposage et la manutention aux basses températures; la résistance à la propagation des flammes de manière à satisfaire aux codes applicables relatifs aux incendies et à empêcher la propagation des flammes, enfin la translucidité ou l'opacité suivant les exigences de chaque cas particulier. L'importance relative de chacune de ces caractéristiques peut varier avec les applications, mais il est nécessaire d'examiner avec soin chacune d'elles. Parmi les matériaux disponibles pour la construction d'enveloppes, un des plus satisfaisants pour les applications commerciales semble être le nylon enduit de vinyle; un fort tissu de nylon est enduit sur ses deux faces d'un élastomère de chlorure polyvinylique spécialement préparé. Le tissu confère la résistance, l'enduit de vinyle protège contre les éléments. Le vinyle contient certains additifs destinés à retarder la croissance des moisissures et des mycètes, à assurer la flexibilité, la résistance aux éléments, la ténacité, la résistance à la propagation des flammes, la couleur ou l'opacité et l'absorption des rayons ultra-violets. Bien que rarement utilisées, d'autres fibres ou élastomères peuvent convenir si elles satisfont aux exigences précédemment mentionnées. On a déjà utilisé des tissus de dacron et de verre. Il se peut que le polyéthylène et les élastomères hypalon ainsi que d'autres produits actuellement à l'étude se révèlent acceptables. On peut réunir les tissus par soudure, collage ou couture. Une structure ne pouvant évidemment être plus résistante que ses joints, les normes ASMSA spécifient (4) une résistance minimale de ceux-ci destinée à garantir la solidité de l'ensemble. De nombreux fabricants recommandent de n'utiliser, pour les joints porteurs de charges, que des scellements exécutés à chaud. Lorsqu'on utilise correctement ce procédé, on obtient des joints plus résistants en fait que le matériau lui-même. Il arrive souvent que la durée de service de joints cousus soit courte; on a remarqué depuis longtemps que, sur les tentes et les auvents, par exemple, les joints cousus constituent un point faible. Les joints cimentés sont acceptables à condition d'être correctement exécutés, mais il est important qu'ils présentent la même résistance que le tissu.
Système de Gonflage
La pression d'air nécessaire pour maintenir en position une structure gonflable est faible; une pression statique d'environ 1 pouce d'eau, soit 0.036 lpc, est suffisante. Pour se représenter la faible valeur de cette pression, il suffit de remarquer que lorsqu'on gonfle ses joues d'air, on peut créer à'intérieur de la bouche une pression statique d'environ 30 pouces d'eau. Un pneu d'automobile utilise une pression statique d'environ 800 pouces d'eau. C'est seulement en ouvrant la porte qu'une personne pénétrant dans une structure supportée par air peut constater qu'il existe une surpression.
Plus la pression de gonflage est élevée, mieux l'enveloppe est capable de résister aux charges dues au vent sans subir de déformations notables. Pratiquement parlant, la pression nécessaire sera donc fonction de la vitesse dominante du vent utilisée lors de la conception.
En se basant sur des essais très complets exécutés dans une soufflerie aérodynamique et en vraie grandeur, les normes ASMSA(4) recommandent, comme pression minimale de gonflage des structures gonflables, 50 pour cent de la pression dynamique du vent. Les structures gonflables sont ordinairement calculées aux Etats-Unis de manière à 'résister au minimum à une vitesse de vent de 60 ou 70 m/h. (Une pression différentielle de gonflage d'environ un pouce d'eau est alors nécessaire.) Au Canada Le Code National du Bâtiment exige que les constructions soient calculées de manière à résister aux charges dues au vent spécifiées pour l'emplacement particulier considéré. Ces exigences peuvent être supérieures ou inférieures aux précédentes. Elles peuvent en conséquence exiger des pressions différentes.
On devra calculer la capacité des ventilateurs de manière à permettre:
1. les fuites maximales prévues à la base, autour des portes et par les évents. (La perte totale d'air doit être compensée par l'air provenant du ventilateur à la pression de gonflage prévue.) L'expérience indique qu'en supposant une pression différentielle d'un pouce d'eau, les pertes par fuites s'élèvent, suivant des estimations prudentes, à 10 pi cu/min par pied linéaire du périmètre de base, 200 pi cu/min par assemblage de porte et 2400 x A pcm pour les évents, A représentant en pieds carrés la surface totale des évents;
2. un débit d'air d'aération d'au moins 30 pi cu/min par personne, et
3. une durée initiale de gonflage spécifiée d'après les exigences de la conception.
Les exigences initiales de gonflage déterminent généralement la capacité du ventilateur nécessaire pour les structures dont la superficie de plancher excède 30 ~ pieds carrés par personne. Si les structures comprennent moins de 30 pieds carrés par personne, il pourra être nécessaire, pour pouvoir loger un plus grand nombre d'occupants, de prévoir un ventilateur de capacité plus importante à cause de l'augmentation du nombre de portes et d'évents, et des fuites d'air anticipées ou d'aération peuvent également dicter les exigences du ventilateur. On recommande que ce dernier puisse débiter un volume d'air égal au double de celui qui est calculé. Le Code National du Bâtiment exige que les structures classées pour fin de réunion soient équipées de deux ventilateurs ayant chacun une capacité suffisante pour fournir l'air exigé. L'élément de secours est réglé de manière à fonctionner automatiquement dans le cas de panne mécanique ou électrique de celui qui est en service. On installe normalement dans ce but une génératrice électrique à démarrage automatique.
Chaque soufflerie est normalement munie d'un registre de contre-tirage destiné à empêcher les pertes d'air lorsqu'elle n'est pas en service. On recommande, pour éviter un excès de pression, des ventilateurs centrifuges à contre-courant et à lames courbes fournissant un volume d'air variable à une pression déterminée. Il est indispensable que tous les ventilateurs soient disposées de manière à assurer au personnel une protection suffisante; on y prévoira, par exemple, des écrans placés à l'admission et des protège-courroies; elles doivent en outre être abritées des intempéries de manière à pouvoir fonctionner en tous temps.
Ancrage
Il est nécessaire de fixer solidement au sol sur leur périmètre entier les structures gonflables, de manière qu'elles résistent à l'effet total de soulèvement dû à la pression de gonflage et au vent. Pour les structures élevées, il y a lieu de tenir compte de l'appel de cheminée. L'ancrage, qui dépend du mode d'installation de la base, consiste ordinairement d'un lest ou d'une fixation directe au sol. L'ancrage par lestage constitue une méthode satisfaisante de fixation sur plate-forme d'une structure gonflable. Les sacs de sable, les blocs de béton' les briques, ou tout autre matériau de forte densité, donnent satisfaction dans ce cas. Les systèmes de ballasts à eau ne conviennent que s'ils comportent des compartiments individuels empêchant les -pertes d'ancrage d'une longueur excédant 5 pieds linéaires de base. Une structure sphérique
supportée par air (rayon 30 pieds) prévue pour résister à une pression dynamique du vent de 60 m/h avec pression de gonflage de 1 pouce exige une charge minimale de lestage de 234 livres par pied de périmètre.
Comme dans le cas de l'ancrage par lestage, un système de fixation directe au sol doit répartir uniformément les charges d'ancrage à l'enveloppe de manière à éviter toute concentration excessive des efforts. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées à cet effet figurent: l'installation d'un système de câble caténaire entre points d'ancrage, l'insertion de tuyaux métalliques dans un ourlet de la bâche et l'agrafage de l'enveloppe à la fondation au moyen d'un profilé. Dans le cas où la méthode d'ancrage n'empêche pas les pertes d'air autour du périmètre, on peut installer une simple bavette d'étanchéité faisant partie intégrante de l'enveloppe. On a, d'autre part, utilisé divers ancrages de maçonnerie ou ancrages au sol semblables à ceux qu'utilisent les compagnies de services publics.
Portes
Ce sont les dimensions de la structure et sa destination particulière qui dictent le nombre et le type de portes à prévoir dans une structure gonflable. Le Code National du Bâtiment du Canada exige que les portes de sortie des structures gonflables satisfassent à la section 3.4 "Exigences relatives aux sorties."
Pour les applications donnant lieu à une circulation intense ou continue, on utilise le plus souvent des portes tournantes. Dans le cas des structures gonflables, l'avantage de ces portes réside dans le fait que la résistance à la rotation n'augmente pas notablement avec la pression intérieure et qu'il est facile de surmonter la différence de pression. On utilise également des sas donnant accès au personnel, aux marchandises et aux véhicules. Toute écluse d'air exige un système de deux portes dont l'ouverture simultanée est rendue impossible. Il ne se produit ainsi aucune perte de pression.
En prévoyant des ventilateurs de capacité excédentaire, il est possible de disposer, dans les structures gonflables, d'ouvertures assez grandes ne possédant pas de sas et permettant l'entrée et la sortie directes de camions. L'augmentation de capacité du ventilateur cependant ne constitue pas une solution pratique; pour maintenir une pression d'un pouce d'eau, il faut en effet une capacité de soufflerie d'environ 48,000 pcm. (ventilateur de 10 CV) dans le cas d'une ouverture de porte de 3 pieds par 7 pieds.
Equipements Accessoires
Il est nécessaire de prévoir pour les structures gonflables de l'équipement accessoire tels que aérateurs, éclairage, fenêtres, climatiseurs, et dispositifs de chauffage. Un tel équipement n'affecte d'ordinaire ni la sécurité ni le comportement de l'ensemble à condition que rien n'augmente les pertes d'air ou ne dérange le processus de gonflement continu. On ne suspend généralement pas l'équipement au tissu de l'enveloppe. Il convient d'autre part de renforcer toutes les ouvertures pratiquées sur l'enveloppe ou d'y prévoir des dispositions spéciales évitant les concentrations d'efforts.
Enlèvement de la Neige
Du fait de leur forme, les structures gonflables n'ont pas en général à supporter des accumulations de neige sauf dans le cas de chutes de neige humide et lourde pendant des périodes de calme. Sur une structure de ce type correctement conçue, le poids de la neige n'ajoute pas de contraintes supplémentaires au tissu de l'enveloppe; il arrive même qu'elle les réduise. Les occupants ne courent pas le risque d'un écroulement soudain: les affaissements graduels qui surviennent lorsque l'épaisseur de la neige augmente se détectent en effet aisément bien avant que le stade dangereux ne soit atteint.
On peut enlever la neige de différentes manières. On peut par exemple chauffer les côtés de la structure jusqu'à ce que la neige glisse du dôme; on peut aussi dégonfler la structure de manière qu'elle perde 5 à 10 pour cent de son volume: la glace et la neige gelée se brisent à mesure que la construction perd sa rigidité. On regonfle alors l'ensemble et la dilatation
provoque la chute de la neige. Dans le cas de petites constructions, on peut jeter une corde par dessus le dôme puis la déplacer en brisant la glace et la neige.
Champ d'application du Code
La plupart des règlements figurant dans le code ont été établis en vue de leur application 3. aux constructions classiques. Il est difficile de les appliquer aux structures gonflables dont la conception et le mode de fabrication reposent sur des techniques nouvelles et inhabituelles. L'édition 4. 1970 du Code National du Bâtiment contient des exigences spéciales relatives à la sécurité en cas d'incendie, aux séparateurs, aux sorties, à la propagation des flammes et à la capacité des ventilateurs.
Conclusion
Les structures gonflables sont utilisées comme abris dans un grand nombre de domaines d'activités et leur emploi se généralise. Les conditions climatiques qui règnent dans certaines parties du Canada empêchent cependant ce genre de construction de fournir un environnement contrôlé. Leur coût et leur durée limitée d'existence peuvent également dissuader de les utiliser lorsqu'il n'est pas possible d'exploiter pleinement leurs qualités de portabilité et de montage et démontage rapides.
Références
1. Dietz A.E., R.B. Proffitt et R.S. Chabot. Design Manual for Ground Mounted Air-Supported Structures (Single and Double Wall). U.S. Army Natick Lab., Technical Report No. 69-59-GP, Janvier 1969.
2. Dietz A.E., R.B. Proffitt et R.S. Chabot. (Wind Tunnel Tests and Analysis for Ground Mounted Air-Support structures). U.S. Army Natick Lab., Technical Report No. 67-36ME, Octobre 1966.
3. Bird W.W. (Design Manual for Spherical Air-Supported Radomes (Revised). Report No. U4-909-0-2 Cornell Aeronautical Laboratory, Mars 1956.
4. (Minimum Standards for Air-Supported Structures), 1961. Air Structures Manufacturers and Suppliers Assoc., Box 21, Columbia, Ohio, U.S.A.
