Fabrication hybride : combinaison de profilés laminés et d'éléments mécano-soudés dans les tours modernes en cornières d'acier

Réponse rapide

La fabrication hybride dans la conception de tours en cornières métalliques est la combinaison stratégique deprofilés d'angle laminés à chaud standardetmembres constitués(fabriqués à partir de plaques d'acier) au sein d'une structure de tour unique. Cette approche permet aux ingénieurs d'utiliser des profilés laminés économiques et facilement disponibles pour les éléments à faible contrainte, tout en déployant des sections composées de plus grande capacité, telles que des sections cruciformes.Configurations en forme de T et en étoile— pour les composants fortement sollicités où les cornières standard sont insuffisantes. Il en résulte une tour répondant à toutes les exigences structurelles grâce à une utilisation optimisée des matériaux, une complexité de fabrication réduite et un coût global inférieur. En sélectionnant le type de section le plus adapté à chaque rôle structurel, la fabrication hybride permet un gain de poids de 10 à 20 % par rapport aux conceptions reposant exclusivement sur des éléments laminés ou assemblés.

Points clés à retenir

1. Les profilés laminés constituent la solution économique de base :Les cornières laminées à chaud standard (Q235B, Q345B, Q420) offrent des propriétés mécaniques prévisibles, des règles de conception éprouvées et une disponibilité économique pour la majorité des éléments de pylônes.

2. Les membres renforcés comblent les lacunes en matière de capacités :Lorsque les cornières simples ne peuvent fournir une capacité de charge suffisante, les profilés composés (en croix, en T, à chevrons en étoile) offrent la résistance requise sans nécessiter le laminage sur mesure de profilés surdimensionnés.

3. La conception hybride optimise le rapport coût-performance :L'utilisation du type de profilé approprié au bon endroit (cornières laminées pour les contreventements et les éléments secondaires, profilés composés pour les montants fortement chargés et les diagonales principales) permet d'obtenir un équilibre optimal entre coût et efficacité structurelle.

4. L'acier à haute résistance amplifie cet avantage :L'utilisation d'acier Q420 ou de qualité supérieure dans les éléments composites permet de réduire davantage le poids, des études montrant une réduction de poids allant jusqu'à 20 % lors du remplacement de l'acier S355 par l'acier S460 dans des conceptions comparables.

5. Les règles de conception gagnent en maturité :Des projets de recherche récents comme ANGELHY ont permis de développer de nouvelles règles de conception économiques pour les cornières simples et les éléments composés, offrant ainsi aux ingénieurs des indications fiables pour la conception de structures hybrides.

6. Les considérations de fabrication diffèrent :Les profilés laminés nécessitent un traitement minimal ; les éléments reconstitués exigent des opérations supplémentaires de soudage, de perçage et d’assemblage – des coûts qui doivent être justifiés par les gains de performance.

1. Comprendre les deux types de membres

1.1 Profilés en cornière laminés à chaud

Les cornières à ailes égales laminées à chaud standard — avec des longueurs d'ailes allant jusqu'à 300 mm pour les tours de grande hauteur — constituent les éléments de base traditionnels des pylônes treillis. Ces profilés sont produits en aciérie dans des conditions contrôlées, offrant :

1. Propriétés mécaniques prévisibles :Limite d'élasticité, ductilité et ténacité constantes

2. Règles de conception éprouvées :Méthodes de calcul bien établies selon l'Eurocode 3, la norme GB 50017 et la norme ASCE/SEI 10-15

3. Rentabilité :Les économies d'échelle en matière de production font des cornières laminées l'option la plus économique pour la plupart des membres

4. Disponibilité:Les sections standard sont facilement disponibles auprès de nombreux fournisseurs.

Les nuances d'acier courantes comprennent le Q235B, le Q355B et le Q420, les variantes à haute résistance étant de plus en plus utilisées dans les tours de transmission et de télécommunication.

1.2 Membres constitutifs

Les éléments composites sont fabriqués à partir de plaques d'acier ou de plusieurs cornières assemblées pour former une section composite présentant une capacité de charge supérieure à celle de n'importe quelle section laminée simple. Les configurations courantes comprennent :

Les membres ayant un corps constitué sont particulièrement précieux lorsque :

1. Les dimensions des sections requises dépassent les dimensions des profilés laminés à chaud disponibles.

2. Des charges de compression très élevées exigent une capacité plus importante

3. Les tours existantes doivent être renforcées sans pour autant remplacer des membres entiers.

4. Des propriétés de section personnalisées sont nécessaires pour des conditions de charge spécifiques.

2. La philosophie de conception hybride

2.1 Adaptation du type d'élément à la demande structurelle

Le principe fondamental de la fabrication hybride estsélectionner le type de section le plus efficace pour chaque rôle structurelDans une tour à treillis typique :

Cette approche progressive — des sections plus lourdes à la base où les forces sont les plus importantes, passant à des sections laminées plus légères vers le haut — reflète la répartition naturelle de la charge d'une tour en porte-à-faux et optimise l'utilisation des matériaux.

2.2 Quand choisir le revêtement multicouche plutôt que le revêtement laminé

Le choix d'un élément reconstitué plutôt que d'un cornière laminée est motivé par plusieurs facteurs :

1. · Capacité de charge :When the required compression or tension force exceeds the capacity of the largest available rolled angle (typically 300 mm leg length)

2. · Section availability:When the required section size is not economically available as a hot-rolled product

3. · Buckling considerations:When the effective slenderness of a single angle is too high, and a built-up section provides better stability

4. · Strengthening existing towers:When adding capacity to an in-service tower without replacing primary members

2.3 Economic Considerations

The economic trade-off between rolled and built-up members is not always straightforward:

1. · Rolled sectionshave lower fabrication costs but may require more material if the section must be oversized to meet capacity requirements

2. · Built-up membershave higher fabrication costs (welding, drilling, assembly) but can achieve the required capacity with less material

Research has shown that the factor with the highest contribution to decision-making between built-up and hot-rolled proposals isthe base price of raw material for each optionin the market. When steel prices are high, the material savings of built-up members become more attractive; when fabrication costs dominate, rolled sections may be preferred.

3. High-Strength Steel and Hybrid Design

The use of high-strength steel grades—particularly Q420—has transformed the economics of hybrid fabrication. In extra-high-voltage transmission towers, Q420 large-size angle steel can often substitute for double-spliced or multi-spliced common angle steel members, reducing fabrication by multiples and significantly decreasing the number of connection bolts and filler plates.

The ANGELHY research project demonstrated that using S460 high-strength steel (comparable to Q420) in a typical transmission tower reduced total weight from 66 tonnes to 56 tonnes—a saving of over 15%. More broadly, high-strength steel can reduce the weight of standardized towers by up to 20% compared to normal steel grades (e.g., S355/Q345), resulting in lighter structures that are easier and faster to erect.

However, high-strength steels present fabrication challenges:

1. · Drilling required for Q420:Punching is generally not recommended; holes must be drilled

2. · Welding restrictions:Welding operations should be avoided where possible for Q420B high-strength steel

3. · Design rule gaps:Some standards (e.g., EN 50341) do not include high-strength steel grades, requiring reference to other codes

4. Design Standards and Research

4.1 Current Standards

Several standards govern the design of rolled and built-up members in lattice towers:

4.2 The ANGELHY Research Project

The ANGELHY project (2017–2020), funded by the European Commission, specifically addressed the design of both single angle and built-up members in lattice towers. Key outcomes include:

1. New economic design rules for single angle and built-up members

2. Improved rules for built-up sections, includinginnovative types composedof two angles with unequal sections

3. Testing on lattice towers with high-strength steel (S460)

4. Testing of hybrid members (steel angles reinforced with CFRP strips)

5. Design recommendations for Eurocode 3

The project confirmed thatbuilt-up members provide a cost-effective solution for strengthening existing towersand for new designs requiring higher capacity than available rolled sections.

4.3 Built-Up Member Design Considerations

Designing built-up members requires attention to several factors not present in single-angle design:

1. · Shear effects:Built-up compression members exhibit extra flexibility due to shear action, affecting overall stability

2. · Connector spacing:The distance between batten plates or filler plates must be sufficient to ensure composite action

3. · Local buckling:Plate elements in built-up sections must satisfy width-to-thickness (b/t) ratio requirements

4. · Modeling considerations:In structural analysis programs like SAP2000, built-up members are typically modeled as single member elements with double-section cross-sections

5. Application: Qingdao Altai Tower Approach

Qingdao Altai Tower Co., Ltd. is a professional manufacturer of telecommunication towers, power towers, and tower accessories, established in 2003. The company specializes in the design, manufacturing, and installation of steel towers, with products exported to more than 100 countries and regions.

Hybrid Fabrication Capabilities

Design Philosophy

Qingdao Altai Tower applies hybrid fabrication principles through:

1. · Section optimization:Selecting the most efficient section type (rolled or built-up) for each structural role based on load analysis

2. · High-strength steel integration:Using Q345B and Q420 grades to achieve weight savings in critical members

3. · CNC precision:Ensuring accurate connections for both rolled and built-up members

4. · Trial assembly:Verifying that hybrid designs assemble correctly before shipment

6. Comparison: Rolled vs. Built-Up Members

F A Q s

Q1: What is the difference between a hot-rolled angle and a built-up member?

1. A: A hot-rolled angle is a standard steel section produced in a rolling mill, with consistent dimensions and properties. A built-up member is fabricated by joining multiple steel plates or angles (e.g., into cruciform or T-shaped sections) to achieve greater load capacity than any single rolled section.

Q2: When should I specify a built-up member instead of a rolled angle?

1. A: Specify built-up members when: (1) the required load exceeds the capacity of the largest available rolled angle, (2) the required section size is not available as a hot-rolled product, (3) buckling resistance requires a more efficient section shape, or (4) strengthening an existing tower.

Q3: What are the most common built-up section configurations?

1. A: Common configurations include cruciform—two angles toe-to-toe, T-shaped—two angles back-to-back, and star-battened—two chords connected by batten plates.

Q4: How much weight can hybrid fabrication save?

1. A: Using high-strength steel in hybrid designs can reduce tower weight by 10–20% compared to designs using only standard steel grades. The exact savings depend on the specific load conditions and section choices.

Q5: What design standards apply to built-up members?

1. A: Key standards include GB 50017 (T-shaped and cruciform sections), ASCE/SEI 10-15 (latticed transmission structures), and EN 1993-3-1 (towers and masts). The ANGELHY project has also developed new design rules for built-up members.

Q6: Can existing towers be strengthened using built-up members?

1. A: Yes. Built-up members—particularly star-battened configurations—are commonly used to strengthen existing lattice towers without replacing primary members. This is a cost-effective alternative to complete tower replacement.

Q7: What steel grades are commonly used for built-up members?

1. A: Common grades include Q355B, Q420, and higher grades such as Q460 or S460 for specialized applications. High-strength steels provide greater capacity with less material.

Q8: How do built-up members affect fabrication time?

1. A: Built-up members require additional fabrication operations—welding, drilling, assembly—compared to rolled sections, increasing production time. However, the weight savings can offset this through reduced handling and erection time.

Q9: Are built-up members more expensive than rolled angles?

1. A: Generally, yes—the additional fabrication operations increase cost per unit weight. However, the material savings from using a more efficient section can offset this, making built-up members cost-competitive for high-load applications.

Q10: How does Qingdao Altai Tower approach hybrid fabrication?

1. A: Qingdao Altai Tower applies hybrid fabrication through section optimization (selecting the most efficient member type for each role), high-strength steel integration (Q345B, Q420), CNC precision fabrication, and trial assembly verification to ensure quality.

Conclusion

Hybrid fabrication—the strategic combination of standard hot-rolled angles and built-up members—represents a sophisticated evolution in lattice tower design. By applying rolled sections where they are most economical and built-up members where capacity demands it, engineers can achieve towers that are:

1. Structurally efficient:Meeting all load requirements with optimized material usage

2. Cost-effective:Minimizing both material and fabrication costs

3. Adaptable:Addressing capacity gaps where standard sections are insufficient

4. Future-proof:Capable of strengthening existing towers without complete replacement

Research projects like ANGELHY have provided the design rules and validation needed to implement hybrid designs with confidence. High-strength steels such as Q420 and S460 further amplify the benefits, enabling weight reductions of up to 20%.

Pour les maîtres d'ouvrage et les ingénieurs, le choix est clair : il n'est plus nécessaire de se fier exclusivement aux éléments laminés ou assemblés. La fabrication hybride offre la solution optimale – en utilisant le type d'élément approprié, au bon endroit et avec la nuance d'acier adéquate – pour réaliser des pylônes plus résistants, plus légers et plus économiques.

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