Millerntor-Stadion

Description de la construction

Définition du problème

Le projet de structure porteuse pour la couverture d'une surface de 120 x 37 m partait de conditions limites claires, à savoir que seule la ligne de délimitation arrière de 120 m de la surface à couvrir et environ deux tiers des bords latéraux étaient disponibles comme possibilités d'appui. Il n'était pas possible d'installer des pylônes ou des haubans en dehors de cette surface, et il n'était pas non plus possible d'ancrer une structure sur le bord arrière. De grandes poutres d'interception, par exemple une structure en arc ou une poutre principale en treillis d'une portée de 120 m, avaient été envisagées comme constructions évidentes et déjà très souvent réalisées, mais elles ont été rejetées en raison de leur dominance visuelle. La problématique architecturale consistait à trouver un langage qui, avec les toits des tribunes ouest et sud déjà existants ainsi que la tribune nord qui sera construite ultérieurement, devait former une unité architectonique convaincante. Les tribunes ouest et sud se caractérisent par des poutres en treillis triangulaires et pointues en porte-à-faux vers le terrain, qui sont encastrées dans une construction massive à l'ouest et reposent au sud sur une poutre longitudinale avec deux piliers intérieurs dans la salle des spectateurs et font saillie de 11 m vers l'intérieur. Pour la nouvelle couverture de la tribune Est, il fallait trouver une construction similaire, se terminant en pointe vers l'avant, avec une hauteur maximale perceptible d'environ 2,5 m.

Description de la structure porteuse

Les solutions évidentes à ce problème, par exemple un arc de 150 m de portée, une structure suspendue de 120 m de portée avec des pylônes et des haubans latéraux ou une énorme poutre en treillis à trois membrures de 120 m de portée, ne répondaient pas aux exigences architecturales de l'ingénieur en structures et ont été rejetées.

La solution est venue de la connaissance du comportement porteur d'une dalle tridirectionnelle qui ne porte pas par des moments de flexion parallèles aux bords, mais surtout par des moments de torsion dans les angles.

La structure porteuse choisie se compose d'une poutre en treillis s'étendant dans le sens de la longueur du toit, suspendue à quatre structures de torsion spéciales „anti-métriques&ldquo ;, les quatre pyramides de barres. Cette construction s'inspire de l'allure typique des moments de la plaque à trois faces avec des moments de torsion dans les angles et des forces de soulèvement dans les angles (selon la théorie de la plaque 2 mxy). L'effet des moments de torsion peut être réinterprété en moments de flexion, qui sont mutuellement égaux et diagonaux dans les coins. De grands moments de flexion négatifs apparaissent alors avec une traction en haut dans la direction de la bissectrice et une force d'appui en traction dans le coin, et des moments de flexion positifs de même ampleur apparaissent avec une traction en bas perpendiculairement à celle-ci. Cet effet est assuré pour chaque pyramide par deux poutres en treillis triangulaires se croisant en diagonale et ne comportant chacune que deux travées. La première poutre principale s'étend du pilier d'angle avant dans la façade latérale, à environ 26 m de l'angle arrière, jusqu'au premier quart de la ligne longitudinale arrière où elle est supportée par un court pilier en acier sur l'un des piliers en béton en porte-à-faux. Sa portée est d'environ 40 m. Sa membrure inférieure est horizontale, sa membrure supérieure forme un triangle de 7 m de haut, au faîte duquel est fixée une barre verticale qui mène au centre de la membrure inférieure. La deuxième poutre principale est placée dans l'angle arrière extérieur du toit, sur un court poteau en acier, sur le plus extérieur des poteaux en béton en porte-à-faux. Elle croise la première poutre principale décrite et s'appuie sur celle-ci, sa membrure inférieure est également horizontale. Sa membrure supérieure forme également un triangle de 7 m de haut avec le même sommet que la première poutre et fait saillie au-dessus de celle-ci jusqu'au premier quart de l'axe longitudinal avant, dans lequel se trouve la poutre en treillis mentionnée ci-dessus. Sous l'effet de charges verticales dirigées vers le bas (charge propre et neige), la membrure supérieure de la première poutre est en compression et la membrure inférieure en traction ; c'est exactement l'inverse pour la deuxième poutre qui se croise en diagonale. C'est pourquoi la structure porteuse est appelée "poutre de torsion antimétrique". Les forces des barres des pyramides extérieures s'élèvent à environ 9,5 MN, celles des pyramides intérieures à 2,6 MN. Pour cela, on a choisi des tubes de 508 mm avec une épaisseur de paroi de 30 ou 10 mm. Grâce à des barres de couplage au milieu des barres de la membrure supérieure et inférieure, la résistance à la flexion des barres de traction a été utilisée pour renforcer le flambage des barres de compression associées. L'élancement effectif est ainsi réduit de moitié. Pour le flambement dans le sens transversal, la rigidité élastique de la barre d'accouplement avec serrage a été prise en compte dans la rigidité à la torsion de la barre de traction correspondante. Seules ces mesures ont permis d'obtenir les faibles sections de barres pour une longueur de flambement de 21 m. Le porte-à-faux décrit de la deuxième poutre permet de créer un nouvel „appui“au quart avant de l'axe longitudinal, sur lequel la deuxième pyramide peut s'appuyer avec le même mode d'action. Sur le bord avant, il est ainsi possible de suspendre un treillis longitudinal continu qui, avec des portées de 30 m chacune, s'étend sur quatre travées et présente donc des forces comparativement inoffensives et a pu être dimensionné de manière très mince. Les treillis secondaires avec des sections de membrure extrêmement fines HEA 140 / 160, des poteaux HEA 100 et des diagonales Ø 108/5 sont posés sur le treillis longitudinal à une distance de 7,5 m les uns des autres, et les pannes continues HEA 140 sont posées dessus. Les treillis font saillie de 11 m vers le terrain de jeu et se terminent en pointe triangulaire vers l'avant. Dans l'axe arrière, ils sont posés sur les piliers en béton armé en porte-à-faux. C'est là qu'ils peuvent transmettre les forces du vent perpendiculaires au bord du terrain et les forces agissant dans cette direction, dues au vent sur les parois latérales, qui sont générées par le contreventement du toit. La structure porteuse principale, composée des quatre pyramides, est supportée de manière immobile sur cinq points dans l'axe arrière.

Le contreventement de la structure du toit dans le sens transversal est d'abord assuré par la structure primaire qui, grâce à sa structure triangulaire, forme des points fixes dans l'axe de la charpente longitudinale. En outre, pour renforcer les membrures des treillis secondaires, des barres de compression/traction diagonales en tubes sont disposées dans les plans supérieur et inférieur du toit, ainsi que des barres de compression/traction longitudinales dans le plan inférieur du toit et des pannes dans le plan supérieur. Les pannes passent au-dessus des membrures supérieures des treillis secondaires en tant que poutres continues résistantes à la flexion. Elles ont été calculées selon la théorie de l'articulation fluide. Dans les membrures inférieures, les barres de raidissement sont raccordées dans l'axe des membrures des treillis. Les excentricités dues au décalage des poutres ont été prises en compte dans le modèle global par des barres de couplage fictives. Les forces horizontales du vent sur les façades latérales sont transmises aux pannes et dirigées vers la structure du toit.

Choix des matériaux

La construction a été entièrement réalisée en S355. Par rapport à un S235, cela offre l'avantage décisif d'un niveau de contrainte 50% plus élevé avec une économie d'acier correspondante pour les parties de la structure principalement sollicitées en flexion et en traction ainsi que pour les nœuds. Pour les parties principalement, mais pas exclusivement, sollicitées en compression, l'avantage est moindre, mais le bilan global de l'économie est considérable, de l'ordre de 30%, pour une consommation d'énergie spécifique et des émissions de CO2 identiques dans la fabrication de l'acier.

L'ingénierie particulière

La performance d'ingénierie particulière consiste à développer une structure innovante en réponse à des conditions de bord particulières. Dans des conditions d'appui au bord arrière ainsi que dans les deux façades latérales de la tribune, le comportement porteur d'une dalle supportée sur trois côtés a d'abord été étudié et traduit en une structure porteuse en barres d'acier. Contrairement à une construction "normale" composée de structures porteuses à bords parallèles, comme par exemple une grille de poutres, le mode d'action d'une dalle rigide en torsion a permis de transférer le mécanisme porteur par le biais des moments de torsion avec une grande force de traction d'angle dans des constructions en treillis diagonales se croisant avec de courtes portées. En outre, les constructions de nœuds des pyramides constituaient un défi particulier. Ici, les raccords de tuyaux dans les tuyaux ont été réalisés avec 40 vis HV par raccord, en tenant compte de la fente entre les tuyaux due à la fabrication. Pour optimiser la construction, la répartition plastique des forces de vissage a été prise en compte et des vérifications plastiques ont été effectuées dans les constructions de goussets avec des tôles d'aile qui se croisent et des tubes fendus. Par rapport aux calculs élastiques, des économies considérables ont pu être réalisées dans ce domaine.

Rapport explicatif du ProfessorPfeiferundPartner Ingenieurbüro für Tragwerksplanung pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015