Construire de fa?on moderne avec des techniques oubliées depuis longtemps

Des chercheurs du Département d'architecture de l'ETH Zurich ont développé des éléments de sol en béton qui n'ont pas besoin de renforts en acier et qui sont 70% plus légers que les sols en béton traditionnels. Pour la construction, ils se sont inspirés de principes de construction historiques.

Sol non armé
Prototype de sol non armé. (Image : Peter Rüegg / ETH Zurich)

L'espace est rare dans les villes. C'est pourquoi les architectes cherchent des moyens de construire de manière compacte - et de surcro?t à moindre co?t et dans le respect de l'environnement. L'une des approches est la construction légère : Plus les plafonds d'un b?timent à plusieurs étages sont minces, plus il y a de place pour des étages supplémentaires. Comme ils doivent supporter moins de poids, il est également possible d'économiser des matériaux de construction pour les fondations et les murs, ce qui réduit les co?ts.

Mais il n'est guère possible de réduire le poids avec la méthode de construction en béton utilisée aujourd'hui : Pour que les sols des étages soient porteurs, ils doivent avoir une épaisseur moyenne de 25 centimètres et être en outre renforcés à l'intérieur par des barres ou des grilles en acier, appelées armatures. Cela les rend très lourds.

Capable de supporter des charges sans acier

Des chercheurs de l'Institut de technologie en architecture de l'ETH Zurich présentent à présent une nouvelle approche de solution. Ils ont con?u des éléments de sol en béton dont la dalle porteuse n'a que deux centimètres d'épaisseur, mais qui est néanmoins très stable. "Nous économisons ainsi 70 pour cent de poids par rapport aux sols en béton traditionnels", explique Philippe Block, professeur associé d'architecture et de structure et directeur adjoint de l'Institut de recherche sur l'architecture et l'urbanisme de l'Université de Zurich. page externeP?le de recherche national Fabrication numérique. Cela préserve en même temps l'environnement, car il faut moins de béton, dont la fabrication produit de grandes quantités de CO2 anfallen.

Cette réduction de poids est rendue possible par le fait que les plaques ne sont pas plates, mais bombées, à l'instar des vo?tes de plafond des cathédrales gothiques. Rien que par leur forme, elles peuvent résister à de très grandes charges, de sorte qu'elles n'ont pas besoin d'acier d'armature pour les renforcer.

Construire comme les ma?tres anciens

"Pour la conception, nous nous sommes inspirés de principes et de techniques de construction historiques qui sont tombés dans l'oubli", explique Block. Pour ce faire, les chercheurs ont notamment analysé des constructions dans le style des vo?tes catalanes. Ce mode de construction traditionnel a été importé d'Espagne aux ?tats-Unis par l'architecte espagnol Rafael Guastavino à la fin du 19e siècle. Il a renforcé ses vo?tes en ma?onnerie par des nervures verticales étroites sur la partie supérieure. Celles-ci servent d'une part à créer une surface plane pour le sol. D'autre part, elles augmentent la stabilité en cas de charge asymétrique, c'est-à-dire lorsque le poids des personnes ou des objets n'est pas réparti uniformément dans la pièce.

Sol en béton
La chose tient - même sans acier d'armature : Philippe Block se tient sur un prototype de sol imprimé en sable. (Photo : Peter Rüegg / ETH Zurich)

Les chercheurs de l'ETH ont utilisé le principe des nervures de renforcement pour leurs éléments en béton. ? l'aide d'un programme informatique spécialement développé à cet effet, ils ont calculé comment les nervures devaient être disposées pour répartir de manière optimale les forces de pression apparaissant en cas de charge. Le résultat est un motif filigrane de lignes fines qui se rejoignent aux coins. L'élément lui-même est serré dans un cadre en acier qui absorbe les forces de pression - il a donc la même fonction que les contreforts sur lesquels reposent les vo?tes des cathédrales. "La construction est extrêmement stable", explique Block. Des tests de charge ont montré qu'elle résiste à une charge asymétrique de 4,2 tonnes. C'est même deux fois et demie plus que ce qu'exigent les normes de construction en vigueur en Suisse.

Test pratique au NEST

Les chercheurs vont maintenant tester pour la première fois les nouvelles plaques de sol dans la pratique, et ce dans le b?timent de recherche NEST à Dübendorf (voir encadré). Sur son toit, un penthouse de deux étages sera construit à partir de cet été. Pour cela, on utilise des éléments de plancher de cinq mètres sur cinq, préfabriqués de manière modulaire et ensuite installés sur place. Ils offrent un avantage supplémentaire : dans les espaces vides entre les nervures de béton, il est possible de poser sans problème des conduites pour la ventilation, le refroidissement et le chauffage, ce qui permet en outre de gagner de la place.

Jusqu'à présent, la fabrication des éléments était toutefois co?teuse, car elle nécessitait des moules des deux c?tés qui devaient s'adapter exactement l'un à l'autre. C'est pourquoi Block et son équipe ont fait un pas de plus : Pour réduire les co?ts de fabrication, ils ont fabriqué les premiers éléments à l'aide de l'impression 3D - non pas en béton, mais en sable et en un liant. Ceux-ci résistent à des charges de 1,4 tonne et répondent donc également aux normes de construction suisses. "Nos principes de construction permettent d'utiliser des matériaux qui n'étaient pas adaptés à la construction jusqu'à présent", explique Block. "Il suffit de leur donner la bonne forme pour qu'il en résulte une structure très stable".

Test au NEST

Le nouveau type de sol sera soumis à son premier test de résistance lors de la construction de la "Unité HiLo" de NEST, un b?timent modulaire de recherche et d'innovation où de nouvelles technologies, de nouveaux matériaux et de nouveaux systèmes peuvent être testés dans des conditions réelles. Les responsables de NEST sont l'Empa et l'Eawag. L'ETH Zurich est responsable du développement de l'"Unit HiLo" avec le Groupe de recherche BLOCK (BRG) de l'Institut de technologie en architecture ainsi que de la Chaire d'architecture & de technologies durables du b?timent (SuAT) du professeur Arno Schlüter. Les chercheurs et les architectes combinent dans HiLo la construction légère des sols et du toit ainsi que la technique de construction adaptable à l'exemple d'une fa?ade solaire. HiLo est con?u comme un b?timent à énergie positive et doit produire 50 % d'électricité en plus de sa propre consommation. L'ETH Zurich participe également à une autre unité NEST : Le page externeP?le de recherche national (PRN) Fabrication numérique débutera prochainement la construction d'une maison d'h?tes de plusieurs étages sur le toit du NEST. Plusieurs chaires de l'ETH sont impliquées et testeront ensemble différentes technologies de construction numérique pour la première fois dans une application réelle. La mise en service des deux unités est prévue pour 2018.

Référence bibliographique

Liew A, López López D, Van Mele T, Block P. Design, fabrication and testing of a prototype, thin-vaulted, unreinforced concrete floor. Engineering Structures, 137 (2017) 323-335. DOI : page externe10.1016/j.engstruct.2017.01.075

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