De nos jours, les concerts et tout particulièrement en musique pop deviennent de plus en plus prodigues. En conséquence, l'équipement employé par les artistes pour la lumière et le son est plus grand et lourd. Comme une structure de toiture ou de portique d'éclairage peut supporter une limite de charge maximale, celle-ci doit être effectivement surveillée. La conception du toit de l'arène Olympiahalle à Munich est unique et la surveillance des charges a représenté un défi important pour les ingénieurs. Ce défit a été relevé avec succès grâce à la technologie de mesure HBM.

L'architecture de l'Olympiapark a été construite à Munich en 1972, à l'occasion des 20ème Jeux Olympiques d'été, prévus à l'époque, contrairement aux Jeux Olympiques de Berlin de 1936, pour symboliser la liberté et la démocratie.

Conçu par Behnisch & Partner Architectural Office Olympiapark Architecture Group avec Frei Otto, la structure du toit, de renommée mondiale, enjambe le stade, la piscine olympique intérieure et l'arène Olympiahalle, ainsi que l'espace entre les équipements de sport. Ces équipements de sport sont intégrés dans un parc de 850.000 m², avec des collines reconstituées et un lac construit artificiellement. Comme certains des équipements de sport sont souterrain, le grand toit incurvé de 80.000 par m2 est un point impressionnant de l'Olympiapark. Le toit est une structure de câbles en acier, suspendue sur des pylônes allant jusqu'à 80 m de haut. Il est couvert de plaques de verre acryliques.

La structure du toit supporte l'éclairage

La structure du toit de l'arène Olympiahalle équipée de deux poutres principales et quatre portiques de lumière, est suspendue en quatre points.

Pendant les Jeux Olympiques de 1972, l'arène Olympiahalle était le lieu de rendez-vous des compétitions de gymnastique et de handball, désormais, elle sert principalement à des concerts et autres grands événements. L'éclairage représente un grande investissement pour les organisateurs, en particulier lors de concerts importants.

L'arène Olympiahalle dispose de quatre portiques d’éclairage, orientés d’est en ouest, placés sous le toit couvert, duquel les organisateurs peuvent suspendre leurs installations. Ces quatre portiques d’éclairage sont déterminés d'une manière statique selon le concert et sont attachés aux deux poutres principales qui sont orientées Nord-Sud. Ces deux poutres sont également déterminées statiquement et sont suspendues par des câbles en acier dans les supports, qui soutiennent également le toit couvert.

La liaison entre les poutres principales et les câbles de suspension se fait à l’aide d’un axe fileté, de 80 mm ou 110 mm de diamètre, qui traverse la poutre de soutien. Un roulement à aiguille entre l'axe et la poutre de soutien empêche l'axe de subir une contrainte de flexion dans la direction nord-sud. Une mobilité similaire d’Ouest en Est n'a pas été prévue pour les prochaines utilisations et n'a donc pas été fournie.

La structure entière, composée des poutres principales, des portiques d’éclairage fixes et mobiles, les moyens vidéos et sonores, pèse au total environ 350 tonnes. En raison de la suspension effectuée sur des câbles, l'ensemble est soumis à une forte oscillation. Comme, dans la majorité des concerts, les scènes sont toujours placées d'un côté, dans la direction Ouest-Est, les charges sont inégalement réparties sur le portique. Les axes filetés sont ainsi soumis à une contrainte de flexion imprévue.

Alors que l'arène Olympiahalle était en rénovation, Stadtwerke München, la société de service collectif public de la ville de Munich, les propriétaires du bâtiment ainsi qu'Olympiapark Gmbh, l'opérateur, ont décidé d’installer un système de surveillance de manière à contrôler la contrainte de flexion des axes et de surveiller de manière permanente le poids des installations techniques qui sont suspendus lors d'un quelconque événement, ainsi que la répartition sur le portique.

Les axes filetés sur lesquels la structure du toit est entièrement attachée, sont équipés de capteurs à jauges qui peuvent détecter la flexion des axes

Systèmes de mesure extrêment sollicités

Avant que le travail d'assemblage ne commence, l'organisateur d'un concert doit informer l'Olympiapark Gmbh dans un document "Plan d'installation" quelles charges vont être appliquées sur les portiques d'éclairage. Précédemment, il était seulement possible de surveiller les charges réelles en prenant individuellement le poid de chaque élément, ce qui prenait énormément de temps. Solution qui est maintenant difficilement acceptable par les organisateurs, étant donné les calendriers de plus en plus serrés.

Comme la technologie utilisée dans les concerts devient toujours plus extravagante et que la structure globale approche les limites de sa capacité porteuse, il est nécessaire d'avoir un système de surveillance pour vérifier les charges imposées et leur répartition sur les portiques. Stadtwerke München a commissionné Dr Linse Ingenieure GmbH pour vérifier la praticabilité d'un système approprié, avec plan et installation. La société a été fondée en 1997 en tant que bureau d’ingénierie et a travaillé sous sa forme corporative actuelle comme société d’ingénierie indépendante depuis 2006, agissant pour la planification, les essais et comme consultant dans de nombreux domaines du génie civil.

La surveillance des charges dans l'arène Olympiahalle était ultra-exigeante sur la technologie de mesure. L'approche originale de la société de service public, avec des jauges de contrainte convenablement placées sur les supports de suspension des portiques d'éclairage et sur les axes, afin de déterminer la déformation, et ainsi le poids suspendu, a été rapidement rejetée après une analyse, car l'exactitude prévue de mesure de 500 kilogrammes n'aurait pas été suffisante.

« Les vastes fluctuations de la température dans le hall sont un autre problème majeur », explique le Dr. techn. Robert Schmiedmayer, le gérant associé chez Dr. Linse Ingenieure qui est responsable du projet. Pendant les mois d'hiver, la température à l'intérieur du hall vide est autour de 15°C. Mais comme les projecteurs produisent une chaleur résiduelle énorme, la température réelle dans le secteur des portiques d'éclairage pendant un événement peut atteindre 45°C.

Effets de température et CEM sous contrôle

De façon générale, quatre amplificateurs QuantumX MX840A sont installés dans la structure du toit de l'arène d'Olympiahalle
La mesure a lieu aux points sur lesquels les portiques concernés sont suspendus sur les poutres principales

Pour assurer une mesure fiable et précise, les experts de chez Dr. Linse Ingenieure ont conçu une solution structurale incroyable. Dans la zone de suspension des portiques d'éclairage, ils ont soudé deux supports métalliques pour les capteurs de déformation en dessous des poutres principales (zone de compression), à chacun des deux points.

Les variations de la charge sur le portique d'éclairage déforment la poutre de soutien et cette déformation est transférée aux capteurs par l'intermédiaire des supports. Les extensomètres SLB700A de HBM sont utilisés ici. Ces capteurs fonctionnent avec un pont complet de jauges de contrainte appliquées sur un corps d’épreuve en acier inoxydable. Ce type de capteur possède un décalage de zéro très faible et une bonne compensation à la température. Pour augmenter la précision de la mesure, les capteurs ont été équipés d'un boîtier isolant. « Ceci a permis de réduire au minimum les effets, qui dans certains cas étaient générés par des variations de température extrêmes, mais aussi par des gradients de température », explique Dr. Schmiedmayer. « Nous avons également placé des capteurs de température dans les boitiers, de façon à réaliser une compensation de température additionnelle. »

La structure est bien plus complexe pour les quatre axes des poutres principales. Dans ce cas, les ingénieurs ont conçu des écrous en quatre parties qui s'adaptent parfaitement sur les axes filetés et peuvent être tenus en place par un boulon. Sur chacun des axes filetés, deux de ces écrous agissent en tant que supports pour les quatre capteurs d’allongement. Contrairement à la situation sur les portiques d'éclairage, ceux-ci ne sont pas reliés en parallèle, ils sont raccordés individuellement. Cela permet de détecter toutes les flexions des axes se produisant sous charge et qui ne peuvent pas être compensées par les roulements à aiguilles.

Les ingénieurs ont dû également contrôler les effets de l'interférence électromagnétique. « Dans les premiers tests préliminaires, nous avons noté que lorsque les grands projecteurs situés juste à côté des appareils de mesure étaient commutés sur marche et sur arrêt, nous avions une importante interférence», se rappelle Dr. Schmiedmayer. Des fils de mesure blindés ont dû être employés et pour doubler l'effet de protection, ces fils parcourent des tuyaux métalliques sans aucune interruption.

En même temps, le soin a été pris de s’assurer qu'aucun des fils de mesure ne soit plus long que 20 m. Les modules MX840A, du système d’acquisition de données QuantumX de chez HBM, sont employés pour l'amplification des signaux. Ces amplificateurs compacts possèdent chacun huit voies de mesure et sont facilement installés sur la structure des portiques, permettant ainsi d’avoir des fils de mesure assez cours. C’est donc quatre amplificateurs qui transmettent les données de mesure par une liaison fibre optique en liaison avec un module CX27, agissant comme le cœur central de la mesure.

Surcharge signalée par des indicateurs lumineux

Tous les systèmes d’acquisition de données et d’analyse sont logés dans une armoire de commande dans la cabine d'éclairage

Le module CX27 du QuantumX est logé dans une armoire de commande située dans le podium d'éclairage de l’Olympiahalle, ainsi que l'alimentation électrique, un UPS et les composants du réseau. De là, les données de mesure sont transmises par l'intermédiaire d’un TCP/IP au centre de calcul de Stadtwerke München, disposant d'un serveur approprié.

Le système de mesure déclenche également un affichage direct de la surveillance des charges. Un grand ensemble de lampes de signalisation, clairement visibles à l'intérieur de l'Olympiahalle, indique si le chargement admissible est atteint. Si les signalisations passent à l'orange, cela signifie que la charge prévue pour l'événement est obtenue ou que 98% de la charge maximale du portique est atteinte. Si la charge maximum pour la structure est atteinte, le feu passe au rouge. C'est le signal pour l'inspecteur du hall d'avertir les ouvriers d’arrêter le travail immédiatement et qu’une partie de la charge doit être enlevée des portiques d'éclairage.

Le logiciel catman®AP de HBM fonctionne sur le serveur du centre de calcul. Il est employé pour configurer les installations et exécuter la surveillance de chargement. Les charges permises pour

  • chaque poste de mesure,
  • portique d'éclairage
  • et poutre principale,
  • ainsi que la charge totale,

peuvent être spécifiées pour un événement donné. La plage d'avertissement, pourqu'un feu de signalisation passe du vert au orange, peut être configurée ici. La fréquence de mesure et la commande de la signalisation est de 1 hertz. Pour l’archivage des données, la valeur moyenne et maximum sont stockées dans chaque cas toutes les minutes.

S'il y a une situation de surcharge ou une défaillance du système, l'administrateur du système est informé par un email et un SMS. Les données mesurées sont stockées et peuvent, en même temps, être vues de n’importe où, par l'intermédiaire d’Internet.

Précision de mesure élevée

Une fois tous les composants et systèmes installés au printemps 2010, le système de surveillance de chargement a été étalonné. Pour cela, différentes charges, jusqu'à trois tonnes, ont été fixées à différents points sur les portiques. La précision de mesure, prévue de 2% de la charge ou de 100 kg pour de plus petites charges a été ainsi obtenue.

Dr. Schmiedmayer est confiant sur le système qu'il a conçu et installé. « La résolution est si bonne, cela que je peux voir l'information de mesure quand je travaillais sur les portiques d'éclairage. Le système prend aussi uniquement les déformations thermiques des portiques d'accès et les déformations associées du système pour ammener des variations du système dépendantes des valeurs mesurées, ces dernières affectant seulement les portiques immédiatement contigus et constituants moins de 1% de la plage de mesure entière. »

La précision et la fiabilité des composants de la chaine de mesure HBM jouent en cela une grande part. Pour connaitre et apprécier cela, l’ingénieur a passé du temps à l'université de technologie de Munich. « Les bons conseils obtenus de HBM, et le savoir-faire métrologique de ses employés, me font également penser que je suis dans de bonnes mains », résumant ainsi son expérience.

En ce qui concerne l'arène Olympiahalle, le système de surveillance de charge est maintenant devenu un plus pour la location pour ce site. Des promoteurs de concerts envisagent maintenant de démarrer des tournées importantes de concert à Munich. Si les techniques d'éclairage sont strictement identiques à celle de Munich, d'autres salles peuvent évidemment compter sur l'information fournie par le promoteur de concerts.

Dr. Linse Ingenieure GmbH

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