Étude de cas – Mine Spence : Structure minière à voûte en berceau pour usine de filtration dans le désert d’Atacama

Dans le désert d’Atacama, au nord du Chili, une usine de filtration fonctionne à l’intérieur d’une structure minière à profil bas conçue pour résister à l’un des environnements les plus arides de la planète. Réalisée en 2020 à une altitude de 1 750 mètres, cette couverture industrielle conçue sur mesure protège des infrastructures minières critiques tout en répondant à des exigences structurales et sismiques élevées.

La portée du projet allait bien au-delà de la fourniture d’une toiture. Elle comprenait l’ingénierie structurale complète, la certification sismique, les dessins de conception détaillés, la fabrication de tous les composants d’acier, les systèmes de revêtement, l’expédition au site et la supervision de l’installation sur place. Le résultat est une structure en voûte en berceau qui combine l’efficacité des systèmes de type space frame avec la robustesse nécessaire pour fonctionner dans des conditions extrêmes au sein d’une exploitation minière active.

Cette étude de cas montre comment les structures minières de Triodetic peuvent être adaptées à des usines de filtration situées dans des zones désertiques éloignées, où la fiabilité et la facilité de montage comptent autant que la géométrie et l’analyse structurale.

La couverture de l’usine de filtration repose sur une empreinte rectangulaire de 60 mètres par 80 mètres, avec des murs périphériques en béton armé de 3 mètres de hauteur qui forment l’anneau de support. Au-dessus de cette base, la toiture est une structure en voûte en berceau à double courbure conçue selon la géométrie Schwedler. Ces transitions courbes aux angles introduisent une géométrie localisée de forme libre au sein du système plus large de voûte en berceau Schwedler, permettant à la toiture de s’adapter à l’empreinte rectangulaire sans perdre sa continuité structurale. Cette configuration offre la rigidité souvent associée aux structures de dômes géodésiques, tout en s’adaptant à l’agencement rectangulaire du procédé situé en dessous.

Avec une hauteur de seulement 16,5 mètres, la structure conserve un profil bas qui réduit l’exposition au vent et l’utilisation de matériaux, mais augmente les exigences imposées au système structural. La géométrie a été raffinée au moyen d’analyses d’ingénierie structurale afin d’obtenir de grandes portées libres au-dessus des équipements de l’usine de filtration, sans colonnes intérieures, tout en contrôlant la déformation et en assurant un comportement compatible avec les murs de béton porteurs.

Comme les murs de grande hauteur devaient fléchir sous charge, des fermes renforcées ont été intégrées dans des zones clés du treillis spatial afin de gérer les mouvements différentiels. Cette combinaison de géométrie Schwedler en voûte en berceau et d’éléments renforcés de manière sélective a permis à la structure de rester stable et fonctionnelle pendant que le système de support se déforme dans les limites de conception.

La structure principale est formée de tubes d’acier galvanisé qui offrent résistance, durabilité et intégrité structurale à long terme dans l’environnement désertique. Les diamètres des tubes varient de 2,5 à 4,5 pouces, avec une épaisseur de paroi de 0,148 pouce, optimisée pour répondre aux charges locales tout en gardant un système relativement léger pour sa portée et ses dimensions.

L’enveloppe de toiture et de murs utilise un revêtement en acier ondulé de 0,6 millimètre d’épaisseur (calibre 24), peint des deux côtés avec un système premium de revêtement protecteur. Cette spécification de revêtement améliore la résistance à la corrosion et la performance face aux rayons UV, un aspect essentiel pour les structures en acier galvanisé exposées au rayonnement solaire intense et à la poussière en suspension dans le désert d’Atacama.

Environ 6 % du revêtement est remplacé par des panneaux translucides en FRP. Ces panneaux diffusent la lumière naturelle à l’intérieur du bâtiment et réduisent le recours à l’éclairage artificiel pendant la journée, ce qui améliore la visibilité dans les zones de procédé sans compromettre l’intégrité de l’enveloppe.

Le système de revêtement comprend également des panneaux ondulés de toiture et de côtés, trois cadres d’accès pour véhicules et trois saillies de toiture destinées aux systèmes de collecte de poussière. Le détail de ces jonctions est essentiel pour maintenir une enveloppe étanche et permettre à la couverture de l’usine de filtration de fonctionner comme un environnement contrôlé pour le traitement de matériaux en vrac dans un climat désertique sévère.

La couverture a été conçue pour s’intégrer dès le départ à la logistique du site minier et à l’aménagement de l’usine de filtration. Trois grands cadres d’accès pour véhicules offrent des ouvertures libres dimensionnées pour l’équipement lourd et les véhicules d’entretien. Deux portes offrent des ouvertures libres de 8,5 mètres de largeur par 3 mètres de hauteur, tandis qu’une troisième atteint 16,0 mètres de largeur par 7,0 mètres de hauteur pour l’accès hors gabarit.

Une ouverture pour convoyeur de 5,5 mètres de largeur par 9 mètres de longueur relie le flux de procédé à travers le bâtiment, et trois saillies en toiture plus petites servent aux systèmes collecteurs de poussière qui contrôlent la qualité de l’air et les émissions. Les cadres d’accès pour véhicules supportent des portes à enroulement, intégrant les opérations industrielles à une structure en voûte complètement fermée.

Ces ouvertures, combinées à la géométrie à double courbure et aux murs élevés en béton, ont nécessité des solutions structurales soignées pour maintenir la rigidité, éviter les surcharges locales et préserver la continuité des systèmes de revêtement contre le vent et l’infiltration de poussière.

Derrière l’apparence nette de la voûte se trouve un réseau dense d’éléments qui démontre la capacité des structures Triodetic à répondre à des applications industrielles complexes. La couverture de l’usine de filtration comprend:

• 10 542 éléments structuraux au total
• dont 9 452 tubes
• pour un poids total approximatif de 450 000 livres, incluant le revêtement

De nombreuses zones ont nécessité des éléments structuraux uniques en raison des contraintes géométriques et de la nécessité d’intégrer des ouvertures, des déflexions des murs et des conditions de support. Ce niveau de personnalisation est typique des dômes miniers et des couvertures industrielles connexes, où les modules standards doivent souvent être adaptés à la géométrie spécifique du procédé et aux exigences structurales locales. Dans ce cas, la combinaison de la géométrie Schwedler, de transitions localisées de forme libre et de conditions d’éléments non répétitifs a créé une structure qui se comporte avec l’efficacité d’un dôme tout en répondant à une empreinte industrielle rectangulaire..

La logistique de construction dans le désert d’Atacama exige une planification rigoureuse compte tenu des fenêtres de travail limitées, de l’altitude et des conditions du site. Pour ce projet, Triodetic a fourni 97 jours de supervision d’installation sur place afin de guider le montage et de s’assurer que le space frame et les systèmes de revêtement étaient installés conformément aux hypothèses de conception.

La séquence a commencé par un relevé détaillé des plaques d’appui encastrées dans les murs de béton afin de confirmer la géométrie réelle de l’ouvrage. À l’intérieur du bâtiment, dix tours temporaires d’étaiement ont été érigées, chacune conçue pour une capacité maximale de 150 kN. Des sections de la structure en voûte ont été préassemblées au sol, puis levées par grue, en maintenant les charges de levage inférieures à 50 000 livres afin d’assurer une manutention sécuritaire et d’éviter de surcharger la structure partiellement achevée.

Dans plusieurs zones, les sections préassemblées ont été boulonnées entre elles après le levage, ce qui a nécessité une modélisation structurale coordonnée pour confirmer la stabilité aux étapes intermédiaires du montage. Des points de levage temporaires ont été conçus et installés pour faciliter ces opérations, et les tours d’étaiement ont été retirées selon une séquence contrôlée une fois la stabilité globale confirmée et les chemins de charge complètement établis.

Pour accélérer les travaux sur la toiture, quatre poutres d’écartement dédiées ont été fabriquées afin de faciliter l’installation du revêtement sur la surface courbe de la voûte. Cette approche reflète les capacités de préassemblage et l’attention portée à la facilité de construction qui caractérisent les structures Triodetic sur les sites miniers éloignés.

Le Chili est l’un des pays les plus sismiquement actifs au monde, et la couverture de l’usine de filtration de Spence a été conçue comme une structure adaptée à un environnement extrême, conforme aux normes locales en matière de vent et de séisme. La conception sismique a été réalisée en zone sismique 2 pour une structure industrielle de catégorie C2 sur un sol de type III, avec un facteur de modification R égal à 1 pour l’ancrage aux murs de béton.

La méthode de combinaison quadratique complète (CQC) a été utilisée pour l’analyse modale afin de capturer le comportement dynamique de la structure en voûte et son interaction avec les murs de support. Les plaques de base ont été détaillées avec des clés de cisaillement pour résister aux forces latérales, perpendiculaires et parallèles aux appuis sur le mur, assurant ainsi un transfert fiable des charges sous l’effet combiné du vent et du séisme.

La conception a été réalisée conformément à plusieurs normes chiliennes importantes, notamment:

• NCh 432 pour les charges de vent
• NCh 433 pour la conception sismique des bâtiments
• NCh 1537 pour les charges permanentes et d’utilisation
• NCh 2369 pour la conception sismique des structures et installations industrielles 
• NCh 3171 pour les dispositions générales et les combinaisons de charges

Les réactions d’appui calculées avec les combinaisons LRFD variaient d’environ -50 à 80 tonnes métriques, soit approximativement de -110 à 191 kips, ce qui reflète la combinaison des efforts verticaux, d’arrachement et latéraux. Des dizaines de modèles d’analyse ont été développés pour évaluer les performances de la structure sous des charges d’exploitation et extrêmes, démontrant la profondeur de l’ingénierie structurale qui soutient ce projet d’infrastructure minière. 

Pour l’exploitant de l’usine de filtration, la couverture de Spence fournit un environnement contrôlé qui protège les équipements critiques de procédé et les opérations de l’usine contre le vent, la poussière et le rayonnement solaire. En enfermant la ligne de procédé dans une structure industrielle en voûte, le projet améliore les conditions de travail, protège les systèmes mécaniques et permet une exploitation plus prévisible de l’usine de filtration.

La combinaison de structures en acier galvanisé, de systèmes de revêtement robustes avec protection sur les deux faces et d’interfaces soigneusement détaillées pour les portes, les convoyeurs et les systèmes collecteurs de poussière favorise l’intégrité structurale à long terme avec un entretien minimal. L’utilisation de panneaux translucides réduit le recours à l’éclairage artificiel pendant la journée, améliorant ainsi l’efficacité énergétique et la visibilité à l’intérieur du bâtiment.

Cette étude de cas illustre comment les structures Triodetic et la conception de treillis spatiaux peuvent être adaptées pour créer des structures conçues sur mesure qui répondent aux codes locaux, à la géométrie du site, aux transitions de forme libre et aux contraintes opérationnelles, tout en restant pratiques à fabriquer, transporter et installer dans des environnements miniers éloignés.