Les bâtiments de grande portée créent des espaces dégagés, sans colonnes, de plus de 30 mètres pour diverses fonctions. Il s’agit notamment d’activités où la visibilité est importante pour les grands publics (auditoriums et stades couverts), où la flexibilité est importante (halls d’exposition et certains types d’installations de fabrication), et où de grands objets mobiles sont logés (hangars d’avions). À la fin du XXe siècle, des limites supérieures durables de portée ont été établies pour ces types de bâtiments : le plus grand stade couvert a une portée de 204 mètres (670 pieds), le plus grand hall d’exposition a une portée de 216 mètres (710 pieds), et le plus grand avion commercial à voilure fixe a une envergure de 66,7 mètres (222 pieds) et une longueur de 69,4 mètres (228 pieds), ce qui nécessite un hangar d’une portée de 75-80 mètres (250-266 pieds). Dans ces bâtiments, le système structurel nécessaire pour atteindre ces portées est une préoccupation majeure.

Systèmes structurels

Types de structures

Les systèmes structurels des bâtiments de grande portée peuvent être classés en deux groupes : ceux soumis à la flexion, qui subissent à la fois des forces de traction et de compression, et les structures funiculaires, qui subissent soit une tension pure, soit une compression pure. Les ponts étant un type courant de structure à longue portée, il y a eu une interaction de développement entre les ponts et les bâtiments à longue portée. Les structures de flexion comprennent la poutre, la grille à deux voies, la poutrelle, la poutrelle à deux voies et la poutrelle spatiale. Les rapports optimaux entre la profondeur et la portée varient de 1 : 5 à 1 : 15 pour la poutrelle unidirectionnelle à 1 : 35 à 1 : 40 pour la poutrelle spatiale. Les structures funiculaires comprennent l’arc parabolique, la voûte de tunnel et le dôme, qui agissent en compression pure et dont le rapport hauteur/portée est de 1:10 à 1:2, ainsi que le toit à haubans, la roue de bicyclette et les surfaces de tension déformées, qui agissent en tension pure. Dans ces formes générales de structures à longue portée, les matériaux utilisés et la main-d’œuvre nécessaire à l’assemblage constituent une contrainte importante, de même que d’autres facteurs économiques.

Structures en bois

Le bois lamellé-collé peut être utilisé comme matériau de longue portée. Il peut être préfabriqué à l’aide de connecteurs métalliques pour former des fermes d’une portée maximale de 45 mètres (150 pieds). Ses formes les plus économiques, cependant, sont les formes de compression pure de la voûte à arcs multiples, avec des portées allant jusqu’à 93 mètres (305 pieds), et les dômes nervurés, avec des portées allant jusqu’à 107 mètres (350 pieds). Ces derniers sont souvent utilisés comme bâtiments de stockage industriel pour des matériaux tels que l’alumine, le sel et la potasse qui corroderaient l’acier ou le béton. Ces structures en bois ne se trouvent généralement qu’à proximité des zones forestières ; le transport du bois vers d’autres zones augmente son coût.

Structures en acier

L’acier est le principal matériau pour les structures à longue portée. Les structures de flexion développées à l’origine pour les ponts, telles que les poutres en tôle et les fermes, sont utilisées dans les bâtiments à longue portée. Les poutres en tôle sont soudées à partir de plaques d’acier pour former des poutres en I qui sont plus profondes que les formes laminées standard et qui peuvent avoir une portée de 60 mètres (200 pieds) ; cependant, elles ne sont pas très efficaces dans leur utilisation des matériaux. Les fermes sont des poutres creuses dans lesquelles les contraintes sont canalisées dans des éléments linéaires minces faits de profilés laminés qui sont joints par soudage ou boulonnage en configurations triangulaires stables. Les éléments des fermes agissent soit en compression pure, soit en tension pure : dans les éléments horizontaux supérieurs et inférieurs, les forces sont maximales au centre de la portée, et dans les éléments verticaux et diagonaux, elles sont maximales au niveau des supports. Les fermes sont très efficaces en flexion et ont été fabriquées jusqu’à 190 mètres (623 pieds) de portée. Les grilles à double sens peuvent être constituées de poutres en treillis ou de fermes pour couvrir des espaces carrés d’une taille maximale de 91 mètres (300 pieds) ; ces structures à double sens sont plus efficaces mais plus coûteuses à construire.

Les formes funiculaires, très efficaces, sont utilisées pour les portées les plus longues. Les voûtes constituées de rangées d’arcs paraboliques, généralement en forme de treillis pour une plus grande rigidité, ont été utilisées pour des portées allant jusqu’à 98,5 mètres (323 pieds). Les dômes en treillis d’acier, en particulier le dôme triangulé Schwedler, ont été choisis pour plusieurs grands stades couverts, la plus grande portée étant de 204,2 mètres (669 pieds). La construction de toits à haubans est un autre système structurel dérivé de la construction de ponts. Une structure de toit plat en flexion est soutenue par le haut par des câbles en acier qui rayonnent vers le bas à partir de mâts qui s’élèvent au-dessus du niveau du toit ; des portées allant jusqu’à 72 mètres (236 pieds) ont été construites. Une autre forme de funiculaire est le toit en forme de roue de bicyclette, où deux couches de câbles de tension rayonnants séparées par de petites entretoises de compression relient un petit anneau de tension intérieur à l’anneau de compression extérieur, qui est à son tour soutenu par des colonnes.

Les réseaux de câbles de tension utilisent un maillage de câbles tendus à partir de mâts ou de nervures continues pour former une surface tendue de courbure négative, telle qu’une forme de selle ou de trompette ; le réseau de câbles peut être remplacé par des tissus synthétiques pour former la surface de tension. Une autre structure de tissu utilisant des câbles de tension est la membrane supportée par l’air. Un réseau de câbles est fixé par des coutures continues au tissu, et l’ensemble des câbles et du tissu est soutenu par un anneau de compression en bordure. La pression de l’air à l’intérieur du bâtiment est légèrement augmentée pour résister à la pression du vent extérieur. L’augmentation peut être aussi faible que 1,5 % de la pression atmosphérique, et il est possible de la maintenir même dans les grands bâtiments avec des compresseurs relativement petits. Les câbles raidissent la toile contre les battements sous la pression inégale du vent et la soutiennent en cas de dégonflement accidentel.

Structures en béton

Le béton armé, en raison de sa résistance inhérente à la compression, est principalement utilisé pour les longues portées dans les formes de compression funiculaires, notamment les voûtes, les coquilles et les dômes. De minces voûtes paraboliques renforcées par des nervures ont été construites avec des portées allant jusqu’à environ 90 mètres (300 pieds). Des formes plus complexes de coquilles en béton ont été réalisées, notamment des paraboloïdes hyperboliques, ou formes en selle, et des voûtes paraboliques entrecroisées. Un exemple de cette dernière forme est le hall d’exposition du CNIT à Paris, qui consiste en six voûtes paraboliques à double coque entrecroisées construites pour couvrir un espace triangulaire de 216 mètres de côté avec des supports uniquement aux sommets du triangle. Les dômes en béton armé, qui sont généralement aussi de section parabolique, sont construits soit sous forme de nervures, soit sous forme de coquilles minces. La portée maximale de ces dômes est d’environ 200 mètres (660 pieds).

Une autre forme de funiculaire utilisée en béton, bien qu’il s’agisse en réalité d’une structure composite, est le dôme inversé, ou plat. Comme dans la roue de bicyclette en acier, un anneau de compression en béton reposant sur des colonnes au périmètre de la structure supporte des câbles d’acier radiaux qui courent vers l’intérieur et vers le bas jusqu’à un petit anneau de tension en acier au centre, formant la forme de la parabole. Le réseau de câbles est rigidifié contre les forces du vent en l’enfermant dans un plat en béton coulé ; des structures de ce type ont été construites avec des portées allant jusqu’à 126 mètres (420 pieds).

Facteurs liés à l’environnement bâti

Acoustique

Les auditoriums de longue portée impliquent des considérations en matière d’acoustique : le public souhaite entendre clairement les orateurs et entendre la musique avec une tonalité appropriée. Malheureusement, les exigences acoustiques pour la qualité de la parole sont souvent en conflit avec celles de la musique, et il est difficile de concevoir un auditorium qui soit satisfaisant pour les deux. La meilleure mesure unique de la performance acoustique des auditoriums est le temps de réverbération, qui est directement proportionnel au volume de la salle et inversement proportionnel à la quantité d’absorption du son à l’intérieur, y compris les surfaces des murs et du plafond et le public lui-même. Mesuré dans la gamme des sons de 500 à 1 000 hertz, les salles dont le temps de réverbération est court, de 1 à 1,5 seconde, sont favorables à l’intelligibilité de la parole, tandis que les temps de réverbération plus longs, de 1,5 à 2,5 secondes, ajoutent de la richesse de ton aux performances musicales. Ainsi, l’ajout de matériaux absorbant les sons dans une salle améliore l’intelligibilité de la parole mais nuit à ses qualités musicales. Les gens sont d’excellents absorbeurs de sons, et le public a donc un impact distinct sur l’acoustique des auditoriums ; pour que cet effet reste constant lorsque la taille du public varie, les sièges des auditoriums sont généralement rembourrés pour servir de spectateurs de substitution ayant la même capacité d’absorption des sons. Les surfaces courbes, qui ont tendance à concentrer le son, sont soit évitées dans les auditoriums, soit recouvertes de matériaux absorbant le son. Des systèmes électroniques d’amplification du son peuvent être utilisés pour assister les orateurs dans les grandes salles, mais ne sont généralement pas satisfaisants pour la musique. D’autres bâtiments de grande portée, comme les stades couverts et les salles d’exposition, ne reçoivent qu’un traitement acoustique mineur.

Systèmes de contrôle de l’environnement

Les systèmes de contrôle de l’atmosphère dans les bâtiments de grande portée doivent gérer la chaleur et les odeurs considérables générées par des densités de population inférieures à un mètre carré (11 pieds carrés) par personne. L’air doit être déplacé assez rapidement dans la zone de population pour maintenir un taux de renouvellement d’air acceptable.

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