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Innovation | 05.10.2021

Toit en béton ultra-mince et léger

Un nouveau développement de l’EPFZ ouvre de nouvelles perspectives dans la construction

Des ingénieurs de l’EPFZ ont développé un nouveau type de toit susceptible de révolutionner la construction. La construction de ce toit en béton très mince et léger nécessite moins d’énergie, de matériaux et de travail qu’un toit traditionnel. Debrunner Acifer Bewehrungen AG, qui collabore étroitement avec les hautes écoles et la recherche, a sponsorisé 3 tonnes d’acier d’armature PREZINC 500® (B500 galvanisé) pour ce projet d’avenir.

Ce toit révolutionnaire fait partie de la nouvelle unité de recherche et d’innovation « HiLo » lancée le 6 octobre 2021. Cette unité est intégrée au bâtiment expérimental NEST de l’Empa et de Eawag à Dübendorf. HiLo est un bâtiment de deux étages réalisé selon le principe de la construction légère, situé sur la plateforme supérieure du NEST. Il est dédié à l’étude de ce mode de construction et de systèmes adaptatifs intelligents pour bâtiments, par exemple les façades solaires. La climatisation et l’alimentation énergétique sont capables d’auto-apprentissage et s’adaptent aux fluctuations des besoins de confort et des conditions énergétiques. Bâtiment à énergie positive, la nouvelle unité doit produire plus d’énergie que ses résidents n’en consomment. HiLo signifie « high performance – low emissions ».

© Empa

Coffrage flexible

Sous la houlette du Block Research Group de l’EPFZ dirigé par le Pr Philippe Block et le Dr Tom Van Mele, le « toit du futur » teste une nouvelle forme de construction. Le toit HiLo répond aux exigences de statique et d’isolation thermique grâce à une structure multicouches. Il agrandit en outre visuellement l’espace intérieur. Tom Van Mele : « Nous voulions construire un toit solide et pratique, aisément réalisable malgré une structure complexe, à l’aide d’un coffrage utilisant moins de matériaux que les coffrages classiques. »

Une bâche en textile polymère posée sur le treillis fait office de coffrage.
© Block Research Group, ETH Zurich | Photo by Juney Lee

Treillis en câbles d’acier comme structure de support

Pour construire un bâtiment avec une quantité de matériaux réduite tout en garantissant la stabilité, il s’agit avant tout d’en optimiser la géométrie. Pour le coffrage du toit, les ingénieurs de l’EPFZ ont recouru à un réseau de câbles en acier réglables, pour lequel ils ont élaboré un algorithme spécial. Ce réseau en treillis sert de structure de soutien à un toit en béton extrêmement mince et léger en forme de dôme irrégulier. Les câbles en acier sont tendus entre des poutres périphériques qui reposent sur des piliers. Ils sont légers, faciles à transporter et réutilisables pour d’autres chantiers une fois la construction achevée. Une bâche en textile polymère est tendue sur le réseau de câbles, et le béton est projeté sur ce coffrage. Cette méthode de construction permet de gagner du temps car les travaux peuvent continuer à l’intérieur du bâtiment pendant que le toit est en cours de bétonnage. D’autre part, la technologie à réseau de câbles élimine le recours au coffrage traditionnel en bois, ce qui réduit considérablement la consommation de matériaux.

Un treillis en câbles d’acier sert de structure de support au toit bombé en béton léger fibré.
© Block Research Group, ETH Zurich | Photo by Juney Lee

Le prototype 1:1 fournit des informations

« Nous voulons démontrer l’efficacité des coffrages en béton, que ce soit en matière de conception, de mise en place et d’utilisation », explique Tom Van Mele. Pour révéler les forces et faiblesses de ce toit développé par ordinateur, un prototype à l’échelle 1:1 est indispensable. Theo Bürgin, de Bürgin Creations, a été appelé en soutien pour la construction du prototype. De 2012 à 2016, divers petits prototypes ont été construits dans les halles de l’EPFZ et au siège de Bürgin Creations. Ensuite, la planification du prototype 1:1 a commencé. Achevé en 2017, il avait une hauteur de 7,5 m et une surface de béton de 162 m2, pour une surface couverte de 120 m2.

Cette méthode de construction permet d’obtenir des éléments en béton de faible épaisseur et des formes bombées complexes.
© ROK Architekten

Une structure de toit de seulement 19 cm d’épaisseur

Le chantier a démarré au printemps 2019 par la mise en place des piliers constituant les points d’appui du toit. Ensuite, les poutres périphériques – spécialement réalisées à cet effet – y ont été fixées. D’août à novembre 2019, le Block Research Group a tendu le réseau de câbles en acier et posé la bâche en polymère textile par-dessus. Ensuite, entre mai et août 2020, l’équipe de Theo Bürgin s’est chargée d’y projeter le béton léger fibré. La structure du toit comporte une coque intérieure de 5 cm d’épaisseur et une coque extérieure de 3 cm d’épaisseur. Solidaires grâce à un crantage en béton de seulement 3,5 cm de large, les coques constituent un matériau composite. Les cavités entre les crans sont remplies de blocs d’isolation servant à la fois d’isolation thermique et de coffrage perdu pour le crantage. L’épaisseur totale de la structure du toit est de 19 cm. Le toit entier pèse moins de 20 tonnes – un poids plume par rapport aux méthodes de construction traditionnelles.

L’épaisseur de la coque porteuse n’est que de 5 cm et le toit terminé pèse moins de 20 t.
© Block Research Group, ETH Zurich | Photo by Juney Lee

Toiture autoportante et béton léger renforcé de fibres

« En plus de la pression du temps, du calendrier et des finances, la réalisation de la transition entre la façade en verre et le toit a été un défi pour nous », déclare Tom Van Mele. « La toiture est autoportante, c’est-à-dire qu’elle ne repose pas sur la façade en verre, ce qui la briserait. » L’équipe de l’EPFZ a résolu le problème grâce à un profilé en acier fixé au toit, qui épouse la façade en verre sans la toucher. Theo Bürgin, entrepreneur : « De nombreuses autres difficultés ont dû être résolues. Par exemple, le béton projeté devait être appliquée à l’étage supérieur: l’Unit HiLo située étant situé au sommet du bâtiment expérimental NEST. » Un autre défi était la prise rapide du béton léger fibré mis au point par Theo Bürgin, qui ne peut être préparé que par petites quantités. Il a fallu construire une machine spéciale, capable, sur pression d’un bouton, de pomper le béton depuis le niveau du sol jusqu’à la plateforme supérieure du bâtiment et d’assurer un flux constant. En raison de la légèreté de la construction du toit, la projection de béton a dû en partie être effectuée depuis une nacelle, en position couchée. Cette nacelle rendant impossible l’utilisation d’une armature normale en barres d’acier de 8 à 10 mètres de long, l’équipe du projet a dû composer avec des barres de 5 à 6 mètres de long.

Le béton léger fibré est projeté sur l’armature.
© ROK Architekten

Debrunner Acifer Bewehrungen sponsorise l’armature spéciale

Pour ce projet novateur, Debrunner Acifer Bewehrungen AG, qui collabore étroitement avec les hautes écoles et la recherche, a sponsorisé quelque 3 tonnes d’acier d’armature. Il s’agit en l’occurrence d’un produit spécial : le PREZINC 500® est le seul acier d’armature B500 galvanisé disponible de stock en Suisse. Proposé en diamètre 6 mm, il permet de réaliser des constructions allégées, avec une armature résistante à la corrosion, de petits rayons de courbure et une faible épaisseur d’enrobage. Un enrobage standard n’aurait pas été possible dans le cas de HiLo en raison de la finesse des coques intérieure et extérieure de la structure du toit. L’acier d’armature galvanisé PREZINC 500® ne provoque pas de taches de rouille, même avant le bétonnage, ce qui est particulièrement important pour les surfaces en béton apparent.

Debrunner Acifer Bewehrungen a sponsorisé quelque 3 t d’acier d’armature galvanisé pour le toit HiLo.
© ROK Architekten

L’acier d’armature est plié directement sur place

« Les forces de traction absorbées par l’armature sont faibles », explique Theo Bürgin. « En raison de la forme irrégulière du toit, nous avons renoncé à faire façonner les barres d’acier d’armature en usine. Pour pouvoir les plier sur le chantier pour les adapter à la forme incurvée du toit, leur diamètre doit être aussi petit que possible. » La tolérance usuelle de pose d’une armature en acier est de l’ordre du centimètre. Dans le cas du toit du bâtiment HiLo, la plage de tolérance était millimétrique. Avec un diamètre de 6 mm, l’acier d’armature B500 galvanisé PREZINC 500® était la solution optimale pour ce projet.

D’un diamètre de seulement 6 mm, les barres d’acier d’armature B500 galvanisé PREZINC 500® se plient aisément à la main.
© ROK Architekten

Nouvelles perspectives pour la construction

Le toit HiLo intéresse l’industrie de la construction, car ce prototype grandeur nature démontre à la fois la praticité de mise en œuvre et l’efficacité du système de coffrage flexible. La consommation de matériaux est considérablement réduite par rapport aux méthodes de coffrage à double courbure habituelles, tout comme les déchets : un coffrage rigide étayé par dessous n’est plus nécessaire. Le temps de construction du toit sur place est nettement réduit, car ce type de coffrage demande moins de travail que la méthode conventionnelle. En effet, le réseau de câbles étant ancré aux poutres périphériques, il ne nécessite pas de piliers internes ni de fondations. L’accès sous le coffrage et un espace de mouvement suffisant sont garantis à tout moment, ce qui rend le système intéressant pour la construction de ponts : la circulation n’est pas perturbée pendant le chantier.

© Empa

Trouver un équilibre entre conception et mise en œuvre pratique

« Sur HiLo, les expérimentations se font en conditions réelles, dans un bâtiment conforme aux réglementations de construction et résultant d’une collaboration avec l’industrie », explique Tom Van Mele. Le toit fonctionne réellement, et c’est même un point d’attraction du bâtiment NEST. « Du prototype au toit fini, nous avons fait de grands progrès de conception et acquis des connaissances pratiques, par exemple grâce à notre collaboration avec l’industrie : il a fallu trouver un équilibre entre conception efficace et faisabilité pratique sur le chantier. »

© Empa

NEST – Next Evolution in Sustainable Building Technologies

Composé de modules individuels (Units), le bâtiment NEST sert à la recherche et au développement d’aménagements d’habitation, de matériaux d’isolation, de la gestion de l’énergie, des techniques d’approvisionnement et de matériaux de construction. Bureaux d’architectes, équipes de recherche internationales de hautes écoles techniques, universités et entreprises de construction se retrouvent ici pour tester, faire de la recherche, développer et valider en conditions réelles. Le bâtiment NEST contribue à une utilisation durable et circulaire de l’énergie et des ressources. Il est construit en tant qu’immeuble d’habitation et de bureaux/conférences. Les personnes qui y séjournent sont des personnes-tests, qui évaluent les Units dans la vie quotidienne. Les besoins énergétiques de chaque Unit peuvent être enregistrés et analysés individuellement.

Extrait des livraisons Debrunner Acifer

  • 3 t PREZINC 500® (acier d’armature B500 galvanisé)

Acier d’armature galvanisé 6 mm

Michael Knauß, chef de projet dans la phase d’exécution, ROK Architekten

Pourquoi avoir choisi de l’acier d’armature galvanisé pour HiLo ?

Le toit est constitué de deux coques en béton imbriquées l’une dans l’autre par crantage. Ces coques sont très fines (respectivement 5 cm et 3 cm d’épaisseur). La faible épaisseur d’enrobage possible et la fonction porteuse de l’armature en acier ont incité l’ingénieur responsable, le Dr Marco Bahr, à choisir une armature en acier galvanisé pour le côté intérieur et en acier inoxydable pour le côté extérieur.

Et pourquoi précisément l’acier d’armature B500 galvanisé PREZINC 500® ? Quels sont ses avantages ?

Comme je l’ai dit, les coques en béton étant très fines, les armatures ne peuvent pas être enrobées avec l’épaisseur usuelle de béton pour les protéger de la corrosion. La galvanisation améliore la protection anticorrosion. L’armature sélectionnée ne fait que 6 mm d’épaisseur et peut être pliée à la main si nécessaire. Même des figures 3D complexes sont possibles avec un effort raisonnable. L’acier d’armature B500 galvanisé PREZINC 500® répondait donc aux exigences constructives de notre projet. Pour définir la répartition des armatures dans la coque à double courbure, nous avons développé un algorithme qui garantit une disposition précise et conforme aux spécifications de l’ingénieur des barres dans les différents lits. L’armature, comme tous les composants du toit et du bâtiment, a été entièrement planifiée en 3D. Les plans de montage pour le chantier ont ensuite été tirés du modèle 3D.

Êtes-vous satisfait du produit ?

Sur le chantier, les barres d’acier ont pu être adaptées facilement à la géométrie à double courbure de la coque du toit, conformément aux spécifications du plan. Il n’a pas été nécessaire de pré-plier et trier les barres en usine – une économie de temps et de travail. Grâce à sa légèreté, l’armature a pu être mise en place aisément depuis la nacelle. Nous sommes très satisfaits du produit à tout point de vue.

Pourquoi avez-vous choisi Debrunner Acifer Bewehrungen ?

C’est l’une des rares entreprises à pouvoir fournir l’acier d’armature B500 galvanisé PREZINC 500®.

Qu’appréciez-vous dans cette collaboration?

C’était ma première collaboration avec Debrunner Acifer Bewehrungen. Le conseil a été excellent et la livraison de l’acier d’armature rapide, à la satisfaction de toutes les parties. Je peux tout à fait imaginer une nouvelle collaboration à l’avenir.

Premier projet commun du Block Research Group et de l’industrie

Dr. Tom Van Mele, senior scientist et codirecteur du Block Research Group de l’EPFZ

Que représente HiLo pour le Block Research Group ?

Pour nous, le toit HiLo représente une avancée importante, car c’est le premier projet que nous mettons en œuvre en collaboration avec l’industrie. Nous ne nous sommes pas limités à planifier sur ordinateur, mais avons réellement construit le toit avec différents partenaires industriels. HiLo est un projet réussi pour nous – donc aussi pour l’EPFZ – car il y a eu une réelle transposition de la théorie à la pratique. Nous nous concentrerons sur ce point à l’avenir. Les résultats de recherche ne servent à rien s’ils restent cantonnés au laboratoire.

Quels sont les avantages et inconvénients de la construction légère en général, et pour le toit HiLo en particulier ?

La première pensée qui vient est que la construction légère nécessite moins de matériaux. C’est vrai, mais ce n’est pas le seul avantage. Il s’agit aussi de montrer que cette réduction des matériaux ne va pas automatiquement de pair avec la nécessité de disposer d’énormes équipements en phase de construction. Elle exige en revanche une géométrie plus complexe – qui doit cependant rester réalisable sur le chantier.

Comment s’est passée la planification de HiLo ?

C’était la toute première construction de ce type. Il n’y avait donc aucun point de référence ni de comparaison possible. Nous avons dû tout développer nous-mêmes et anticiper en permanence les conséquences potentielles de nos travaux, ce qui a demandé beaucoup de temps. Il en a résulté une forte pression temporelle : en arrière-plan, nos partenaires industriels étaient dans les starting-blocks. Mais nous tenions à leur présenter un objet aussi parfaitement planifié que possible. Le moment le plus passionnant a été la transition de la théorie à la pratique.

Quels étaient les points les plus délicats de la planification ?

Le coffrage du toit HiLo est un système flexible. Chaque phase (couche) a une fonction, une taille, un mode de construction, une géométrie (etc.) définis en fonction des autres phases. Une fois que le béton a durci, le toit est terminé et plus aucune modification n’est possible.

Pourquoi le toit a-t-il cette forme bombée irrégulière ?

Pour montrer que notre méthode de construction n’est pas limitée aux formes standard, elle fonctionne également avec des formes créatives et inhabituelles.

Ce projet vous tient-il personnellement à cœur ?

Pour moi, il comporte une part de nostalgie : le toit HiLo est une application d’une des premières publications scientifiques signées par Philippe Block et moi-même en 2010. Mais je suis en même temps heureux de voir ce résultat positif onze ans plus tard. De plus, ce toit est, à ce jour, le plus grand projet réalisé pas le Block Research Group.

De la recherche à la pratique

Reto Largo, directeur NEST

« HiLo est l’une des différentes unités de recherche du bâtiment NEST, un laboratoire vivant et point de rencontre entre chercheurs et partenaires commerciaux, qui, ensemble, développent de nouvelles technologies et les intègrent dans des projets réels pour démontrer leur caractère pratique. NEST permet aux acteurs du secteur de la construction de suivre en direct l’éclosion de nouvelles méthodes de construction et de concepts innovants, et de s’en inspirer. Dernière-née des unités expérimentales du NEST, tout en haut du bâtiment, HiLo est un passionnant concentré de construction légère, d’architecture et de technologie du bâtiment. Ce projet est aussi un bon exemple de la manière dont la recherche et l’industrie peuvent s’inspirer mutuellement. Je suis très satisfait du résultat et fier de l’œuvre accomplie. »