Qu'est-ce qu'un rack à tuyauterie ? Structure, types et critères de dimensionnement

Un support de tuyauterie est une structure surélevée qui supporte les tuyauteries industrielles, les conduites de service et les chemins de câbles dans une installation industrielle. Ses dimensions dépendent des canalisations qu'il supporte et du dégagement nécessaire en dessous. La plupart sont constitués de cadres transversaux appelés portiques, reliés par des entretoises longitudinales et des contreventements, et supportant un ou plusieurs niveaux horizontaux. Les supports étant considérés comme des structures non bâties, les charges qui les régissent diffèrent parfois de celles applicables aux structures de bâtiments auxquelles ils ressemblent. Selon la configuration de la tuyauterie, les supports individuels répartissent les frottements, les réactions de guidage ou d'ancrage sur un ou plusieurs niveaux.

Qu'est-ce qu'un support à tuyaux et que peut-il contenir ?

Un support de tuyauterie supporte les conduites de process, les collecteurs utilitaires, les collecteurs de décharge et de purge, ainsi que les chemins de câbles à travers une usine. Sa largeur et le nombre de niveaux sont déterminés par la nomenclature des conduites, auxquels s'ajoute la capacité de réserve spécifiée par le propriétaire. Les supports principaux assurent le transport des matériaux entre les unités et les zones de stockage ou utilitaires. Les supports unitaires, situés à l'intérieur d'une unité, relient ses équipements. Des plateformes d'accès aux vannes, des petites cuves et des échangeurs refroidis par air y sont souvent installés. Chaque élément ajoute une charge morte et une surface exposée au vent, tandis que les groupes de ventilation génèrent des vibrations et des effets dynamiques que la structure nue ne subirait jamais.

De courts supports en porte-à-faux situés à l'extérieur des colonnes accueillent les conduites inclinées sans pression et les raccordements entre les équipements du même côté. Les niveaux principaux restent ainsi dégagés pour la tuyauterie sous pression droite et les chemins de câbles.

Cette appellation a des conséquences. Richard Drake et Robert Walter, dans un article paru dans l'AISC Engineering Journal (Vol. 47, n° 4, 2010), expliquent que les supports de tuyauterie sont des structures non bâties, semblables à des bâtiments en acier, que les normes de construction relatives aux bâtiments ne traitent pas clairement. Leur article fonde ses critères sur des documents de bonnes pratiques sectorielles qui complètent les normes, et souligne que ces documents ne font aucune référence au code.

La hiérarchie des documents détermine le document prévalant. La législation locale et le code du bâtiment en vigueur priment sur le contrat et les normes du maître d'ouvrage, puis viennent les normes de charge et de matériaux ( actuellement ASCE/SEI 7-22 et ANSI/AISC 360-22 ), les documents sectoriels, et enfin les réactions spécifiques à la canalisation issues de l'analyse des contraintes. Seule l'édition inscrite dans la juridiction et le contrat régissant le projet fait foi.

Où sont utilisés les supports de tuyauterie et quelles modifications sont apportées à l'installation

Les supports de tuyauterie apparaissent dans toute installation qui doit déplacer des fluides entre les unités sans enterrer les conduites ni bloquer la circulation, et le type d'installation influe principalement sur les spécifications relatives à la structure : protection contre l'incendie, revêtement et dégagement.

C'est le secteur de l'eau potable et des eaux usées qui pose souvent problème. Pour les conduites de grand diamètre à température ambiante, le poids et la portée admissible sont les paramètres déterminants, tandis que les réactions d'ancrage et de frottement restent suffisamment faibles pour être négligées dans le dimensionnement. Pour les réseaux de vapeur, c'est l'inverse : le poids des conduites est modeste et ce sont les réactions horizontales qui déterminent la portée d'ancrage.

Avant d'établir un devis pour un rack, le type d'installation est le premier élément sur lequel nous nous accordons, car il détermine simultanément le système de revêtement, le périmètre de protection incendie et les exigences d'accès.

Pourquoi un support de tuyauterie n'est pas un support de stockage, un chemin de traverses ou un pont de tuyauterie

Sur le chantier, les rayonnages à palettes, les chemins de câbles au niveau du sol et les supports tubulaires surélevés sont tous désignés par le terme « rayonnages ». Seuls les supports tubulaires supportent des canalisations qui exercent une pression horizontale sur leurs supports lorsqu'elles chauffent. Les rayonnages d'entrepôt ne sont pas des supports tubulaires, même lorsqu'ils contiennent des longueurs de tuyaux. Les chemins de câbles, parfois appelés « rails tubulaires », sont au niveau du sol et supportent des canalisations sous lesquelles personne n'a besoin de circuler. La terminologie employée pour le troisième cas varie selon le maître d'ouvrage et l'entreprise de génie civil. Le terme « pont tubulaire » désigne généralement le segment de rayonnage traversant une canalisation à grande portée et à hauteur libre, bien que certaines spécifications de projet le considèrent comme une catégorie à part entière.

La différence horizontale peut être quantifiée. Le document PIP STC01015 des Process Industry Practices, résumé dans l'article de Drake et Walter, calcule la charge de frottement sur chaque élément en prenant la plus grande des deux valeurs suivantes : 10 % du poids total de la tuyauterie supportée par l'élément, et 40 % du poids de la conduite la plus lourde soumise à un mouvement thermique (ce chiffre suppose un glissement acier sur acier). En égalisant ces deux valeurs, on constate que la conduite la plus lourde devient prépondérante dès lors qu'elle supporte environ un quart du poids total de la tuyauterie à ce niveau.

Cette règle comporte des limites. Les deux valeurs sont antérieures aux éditions normatives actuelles et correspondent à des estimations préliminaires. La marge de tolérance convient à la conception structurelle préliminaire selon les critères du projet, mais elle ne remplace pas les réactions d'ancrage, de guidage, d'arrêt et de frottement spécifiques à la ligne, calculées par l'ingénieur en contraintes de tuyauterie. Les supports à faible frottement, tels que les plaques de glissement ou les rouleaux en PTFE, modifient complètement l'hypothèse sous-jacente au chiffre de 40 %. Dans ces limites, le seuil se justifie. L'ajout d'une seule conduite sous tension de grande capacité à un niveau peut augmenter la charge latérale de conception, même si le poids total ne varie que très peu. Une valeur de capacité empruntée aux rayonnages de stockage est donc peu pertinente pour un support de tuyauterie.

Les composants d'un support de tuyauterie et la manière dont la charge atteint le sol

Les éléments de support de tuyauterie se répètent sur toute la longueur, et leur combinaison détermine si les colonnes fonctionnent comme des éléments de cadre ou comme des consoles.

• Courbure transversale: deux colonnes plus les poutres de support entre elles, conçues pour résister à la charge sur l'ensemble du rack.
• Poutre de niveau: l'élément horizontal sur lequel repose chaque rangée de tuyaux et de plateaux.
• entretoise longitudinale: relie les coudes consécutifs le long de la course.
• Contreventement vertical: diagonales dans certaines travées qui transmettent la charge longitudinale jusqu'aux fondations.
• Base de colonne: la plaque de base, les tiges d'ancrage et le socle qui déterminent l'amplitude de rotation de la colonne.

Les cadres transversaux, ou portiques, supportent les poutres de niveau et résistent aux charges latérales sur l'ensemble du rack. La plupart sont des cadres à contreventement pour une raison simple : un contreventement diagonal dans le plan transversal bloquerait l'accès pour la maintenance et l'espace réservé aux équipements situés en dessous, que le rack a pour vocation de protéger.

Des entretoises longitudinales relient les travées sur toute leur longueur. L'ajout de contreventements diagonaux dans le plan vertical permet, grâce à ces entretoises et contreventements, de former un cadre contreventé longitudinal. Sans entretoises, la structure est non contreventée, les poteaux étant alors en porte-à-faux pour résister à la charge longitudinale. Drake et Walter indiquent que les structures non contreventées nécessitent des bases de poteaux fixes. En pratique, le degré de fixation considéré dans l'analyse doit correspondre à la plaque de base, aux tirants d'ancrage, au socle, aux fondations et au sol ou aux pieux de support, car une base modélisée comme fixe n'est jamais infiniment rigide. Les bases fixes impliquent souvent l'utilisation de sections d'acier plus petites au détriment de fondations plus importantes, et inversement pour les bases articulées. Le choix du système parasismique, les limites de dérive, le soulèvement et la capacité portante du sol influencent cet équilibre. Ces deux paramètres sont déterminés par les fondations.

Deux figures extraites du même article donnent l'échelle. Les joints de dilatation des structures des rayonnages longs sont espacés d'environ 60 à 90 m (200 à 300 pieds), chaque section entre les joints supportant au moins une travée contreventée près de son milieu. Les systèmes de contreventement couramment utilisés pour les rayonnages sont également soumis à des limites de hauteur comprises entre 11 et 20 m (35 à 65 pieds) selon l'édition du code citée dans l'article, en fonction du type de cadre et des détails d'assemblage. Les rayonnages sont donc longs et bas, et la conception d'un rayonnage haut diffère de celle d'un rayonnage long.

Il ne faut pas considérer que les tuyauteries et les chemins de câbles assurent le contreventement de la poutre sur laquelle ils reposent. En général, les tuyauteries ne sont pas fixées, le frottement seul ne constitue pas un dispositif de retenue suffisant et les mouvements thermiques peuvent induire un flambement latéral-torsionnel. La longueur latérale non contreventée d'une poutre de support correspond à la distance entre les points d'appui vérifiés sur sa semelle comprimée. En l'absence de longeron ou de contreventement horizontal qualifié pour retenir cette semelle, cette distance peut couvrir toute la portée de la poutre.

Types de supports de tuyauterie et leurs cas d'utilisation

Les types de supports de tuyauterie se distinguent par la façon dont le cadre résiste à la charge longitudinale et par la méthode d'assemblage de l'acier ; le choix dépend de l'accessibilité du site, du calendrier et de la rentabilité du montage en atelier par rapport aux coûts de transport.

Il convient d'être prudent lors des comparaisons de prix concernant les modules. Un article de conférence de l'ASCE sur les supports de tuyauterie construits à partir de modules, d'unités préassemblées et de structures métalliques traditionnelles souligne que la conception des modules doit prendre en compte l'ordonnancement du transport et le levage par grue ou transporteur automoteur. Chacune de ces opérations induit des combinaisons de charges et des chemins de charge spécifiques. L'acier ajouté uniquement pour résister au levage et au transport routier est inutile une fois le module posé. Comparer un module à un support métallique traditionnel uniquement sur la base du tonnage surestime donc le coût de l'acier et masque le gain de main-d'œuvre sur site. Les deux types de supports combinent également les avantages suivants : modules sur les tronçons rectilignes répétitifs, structures métalliques traditionnelles aux traversées de routes et aux raccordements.

Le choix du revêtement suit la même logique d'atelier ou de chantier. Drake et Walter indiquent que la galvanisation à chaud est le revêtement le plus couramment utilisé pour les rayonnages, car elle offre généralement le coût de cycle de vie le plus bas. L'avantage est d'éviter le soudage sur site, ce qui rend le revêtement inusable et ne nécessite aucune réparation. Il convient de vérifier l'adéquation du revêtement à la corrosivité atmosphérique, aux dimensions des éléments, aux détails de drainage et de ventilation, à la protection contre l'incendie et aux normes de revêtement du propriétaire. Les points de rétention d'eau, les interstices autour des supports de tuyauterie, les raccords modifiés sur site et les surfaces horizontales mal drainées sont les premiers éléments à inspecter.

Les variables qui déterminent la taille d'un support de tuyauterie et les fournisseurs de chaque élément.

Le dimensionnement d'un support de tuyauterie fait appel à des données provenant de quatre disciplines qui doivent converger, et qui diffèrent principalement par celles qui cessent d'être réglables une fois le béton coulé.

Les tolérances uniformes ne tiennent pas compte des vannes, des brides ni des charges concentrées de grand diamètre, et elles varient selon que l'installation est à vide, en service ou soumise à un essai hydrostatique. Lorsque la norme du maître d'ouvrage exige la liste des lignes, cette dernière prévaut. La même prudence s'applique aux largeurs de rack et aux dégagements mentionnés dans le secteur : il s'agit de conventions utilisées d'un projet à l'autre, et les valeurs définitives figurent dans le cahier des charges du projet.

Les charges dues au vent, aux séismes, à la neige, à la glace, aux conditions d'essai, aux charges d'exploitation de la plateforme et aux équipements ne figurent pas dans ce tableau, car elles sont définies par les critères de charge du projet. L'espacement des conduites, l'affectation des niveaux et l'emplacement des boucles de dilatation ne relèvent pas du domaine structurel : il s'agit de décisions relatives aux contraintes et à l'agencement des tuyauteries, et la conception des structures métalliques en découle.

La priorité parmi ces éléments est une question de réversibilité, et non d'importance. Les exigences de dégagement déterminent souvent la hauteur des supports et contraignent la position des poteaux aux croisements routiers et d'équipements. Une fois les fondations coulées, ces positions et la fixation de la base deviennent immuables. L'espacement des portiques et l'agencement des fondations sont alors déterminés en fonction des portées admissibles des canalisations, des réseaux souterrains, des contraintes d'économie structurelle et de l'accessibilité. La liste des charges d'ancrage et de guidage est un autre élément qu'il convient de définir au plus tôt ; elle est généralement établie tardivement, car elle résulte de l'analyse des contraintes des canalisations. Les projets gèrent cet écart grâce à des enveloppes de charge préliminaires, une capacité réservée, une suspension de la conception ou un déblocage différé des fondations concernées.

Un rack dimensionné à partir d'une liste de lignes non vérifiée par rapport aux charges d'ancrage et de guidage du groupe de contraintes présente généralement un sous-dimensionnement au niveau de la travée d'ancrage et de sa fondation, en amont des poutres de niveau. Corriger ce problème après le coulage du béton coûte plus cher que l'acier qu'il était censé permettre d'économiser. Nous vérifions la concordance entre les deux avant de diffuser tout plan de fondation, car c'est le seul écart que le béton ne peut absorber.

Un argument plaide contre l'utilisation d'une crémaillère. Pour un court tronçon de deux ou trois lignes électriques longeant un bâtiment existant, il est généralement plus économique de détacher les supports de la structure ou d'installer une rangée de traverses en béton au niveau du sol. L'utilisation d'une crémaillère devient rentable lorsque les lignes doivent traverser la circulation, desservir plusieurs logements ou supporter des chemins de câbles.

Conclusion

Un support de tuyauterie peut être mis en place par étapes pour la fabrication, la séparation se faisant selon un principe simple : ce qui est fixé par les fondations et ce qui reste ajustable. La position des colonnes, la fixation de la base et le dégagement deviennent fixes une fois le béton coulé. Les niveaux, les dimensions des éléments, le revêtement et la zone d'ancrage peuvent encore être ajustés, à condition que les limites de charge prévues aient été consignées.

Xinguangzheng fabrique des cintres, des entretoises et des renforts de rayonnage selon les normes de détail et de revêtement que nous utilisons pour bâtiments industrielsCela nous permet de comparer une solution modulaire et une solution traditionnelle en fonction du coût d'installation plutôt que du tonnage. Un rack et les structures de process adjacentes peuvent alors partager les mêmes ressources. types de connexion, les dimensions des éléments et un système de protection contre la corrosion.

Si les passages à niveau et les voies d'accès sont fixés mais que le plan de câblage est encore en cours d'élaboration, commencez par établir les gabarits de dégagement et le quadrillage des poteaux pour les plans de fabrication, en comparant la travée d'ancrage à une enveloppe de charge définie. Si le groupe de calcul des contraintes a déjà déterminé les réactions d'ancrage et de guidage, le rack peut être détaillé en un seul lot, incluant les plans de fixation des plaques de base et des boulons d'ancrage.

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