CONCEPT DE BASE D'UNE SOLUTION DE REMPLACEMENT DE LA TOÎTURE DU Divulguation à : Lieu Date Auteur : Pierre Jutras, 337, rue Ste-Catherine, Longueuil Mai 2002 Émis le 14 octobre 2004
À PROPOS DE L'AUTEUR Pierre Jutras fut de tous les concours d'idées visant à doter le Stade Olympique d'un toit sécuritaire léger et durable. En 1975 il était engagé par le Mandataire-Coordonnateur LVLV (plus tard LAVALIN) en qualité d'un des assistants de l'ingénieur du Stade, affecté au contrôle de qualité et d'inspection et mesurage des coffrages du béton coulé en place. En 1976 il passa au service des Architectes du Stade en tant qu'adjoint administratif et coordonnateur de l'atelier de dessin pour le parachèvement post-jeux des Installations. Déjà à ce moment, les questions se posaient sur le parachèvement du mat ou non. 1 er essai En 1982, au temps où le parachèvement du mât n'était pas envisagé, il présenta lors d'un concours, une coupole pneumatique dont le pourtour allait s'asseoir sur une assise périphérique reposant sur les consoles au-delà de l'anneau technique, là où des charges additionnelles peuvent être admises. Cette voute fonctionnait exactement comme un matelas d'air convexe dont la pression interne assure la rigidité. Ce concept fut présenté officiellement à la direction de la RIO, soit à M Lucien Saulnier et son exécutif. D'autres proposants voyaient le toit gonflé d'hélium et faisant ballade par beau temps. D'autres encore y voyaient une toile Taillibert suspendue à 3 cordes à linges tendues entre le mat tronqué et 3 énormes poteaux haubannés à l'autre bout. Birdair y présentait aussi sa conception... Une commission parlementaire trancha plus tard que la solution Taillibert serait celle retenue car le mât allait être achevé. LAVALIN en serait le maître d'oeuvre. Néanmoins cette étude permit à Pierre Jutras le développement d'une nouvelle technologie qui fut brevetée et appelée AIRSOLID. Déjà l'année suivante cette technologie intéressa des japonais qui commanditèrent la fabrication de prototypes expérimentaux de grande ampleur, puis se basèrent sur cette technologie pour l'architecture d'un pavillon de haute technologie lors de l'exposition universelle de Tsukuba 85. Cette technologie y fut acclamée. Ici, qui n'a pas vu ce grand pavillon pneumatique utilisé pendant 5 ans, de 1989 à 1993 par le Festival de Jazz de Montréal et aussi par celui des Monggolfières, des Fêtes Gourmandes, départ du Tour de l'ïle etc... 3 ième essai (2002 et 2004) 2 ième essai En 1992, après bien des déboires avec la "Toile du Stade", un autre concours d'idées est lancé. Cette fois on veut une solution qui fonctionne. La RIO, dans ses critères d'évaluation, mentionne qu'elle souhaite que soient pris en compte le plus possible, les équipements existants. De nombreuses solutions sont présentées et les auteurs des plus intéresssantes sont convoqués par la RIO et leur solution respective étudiée. La solution de Pierre Jutras fut la seule à offrir un support structural principal composé des 26 câbles du mât soutenant une résille de câbles en forme de dome ou voute formant des mailles triangulaires, en quelque sorte une imitation cablée ou modèle mathématique simplifié de la toile Taillibert. La voute cablée ainsi formée, bien que pouvant soutenir toutes les charges imposées par le Code du Bâtiment demeure néanmoins d'une certaine flexibilité et le traitement de l'étanchéité devait se faire par le moyen d'un matelas pneumatique reposant sur la câblure. En fait 4 options de traitement architectural étaient présentées. La RIO conclut qu'aucune des solutions présentées au concours ne satisfaisait ses critères, et qu'elle allait elle-même développer sa propre solution. Les plans furent commencés d'une toîture ayant un anneau ovale comme base structurale. Cet anneau serait suspendu en son parcours par les câbles du mât et serait traversé par des arches principales qui à leur tour allaient être garnies de poutrelles pour enfin maintenir en place une couverture de panneaux de fibre de verre et d'isolant. Une grosse charnière allait le stabiliser à sa base du côté du mât. De nombreuses caricatures montraient alors le Stade comme un... WC. Ce projet fut par la suite abandonné avant sa réalisation devant la complexité des équipements qu'il aurait fallu inventer et développer pour stabiliser la structure entière. En 1997 La RIO annonce la "Solution Birdair" qui utilisera le système de support structural proposé 5 ans plus tôt par Pierre Jutras mais avec un traitement architectural différent, de haute technologie, précaire et coûteux. Le traitement architectural "Birdair" a failli car on lui a dévolu une fonction structurale, soit celle de soutenir des charges de neige. L'ouvrage de membrane devait non seulement assurer l'étanchéité de la toîture, mais aussi assumer un rôle de support des amoncellements de neige et de glace. La solution présentée ici propose comme en 92, l'utilisation de la structure câblée existante et ne suggère qu'un remplacement du système de tentes Birdair afin de finalement et économiquement doter le stade d'une toiture d'une grande longévité, fiabilité et invulnérabilité aux charges de neige même excessives ainsi qu'aux perforations dus à des chutes d'objets ou de glaçons. Nous croyons que cette solution remplit à 100% tous les critères de sécurité. De plus les ouvrages d'entoilement peuvent être réalisés par l'industrie locale, ce pour des coûts défiant l'élaboration de toute autre solution.
SYSTÈME STRUCTURAL PRINCIPAL ACTUEL DE LA TOITURE DU Résille de câbles formée de mailles ou facettes, maintenue tendue et en pleine extension vers le haut et entre ses points d'ancrages périphériques, grâce aux câbles du mat qui tirent vers le haut tous les nodes ou points de jonction des éléments câblés de la résille pour lui donner un aspect de voute. Cette résille devient une voute câblée dont tous les éléments sont en tension; non extensible mais dotée d'une certaine flexibilité permettant certains mouvements sous l'influence des agents atmosphériques, sans s'endommager ou affecter sa performance structurale. L'ensemble est conçu pour recevoir toutes les charges cumulées prévues aux divers Codes du bâtiment en vigueur et constitue l'ossature de soutien de tous assemblages secondaires lui étant adjoints. ORIGINE DU SYSTÈME Ce système fut d'abord imaginé par Pierre Jutras et présenté officiellement à la RIO le 4 nov 1992 à l'issue d'un concours d'idées lancé par elle. Ce fut la seule solution de toutes celles présentées alors qui exposait ce système de suspente en forme de voute formée exclusivement d'un jeu de câbles. Il fut adopté quelques 5 ans plus tard et devint la base de support de la solution RSW-RIO-Birdair. Câbles du mât (26) Mailles de voute (62) (facettes) Points d'ancrages périphériques (16) Nodes de voute (26) Câbles de voutes (85) STRUCTURE PRIMAIRE ACTUELLE LA VOUTE CABLÉE Page 1 de 7
SYSTÈME D'ÉTANCHÉITÉ ACTUEL, ARCHITECTURE, SYSTÈME STRUCTURAL SECONDAIRE "ALL IN ONE" Rappel: toutes les mailles de la résille ou voute de câbles, à l'exception de quelques unes, sont de forme triangulaire et toutes constituées de câbles d'acier de fort calibre. Ils sont calibrés et connectés pour que l'ensemble puisse supporter toutes les charges de neige accumulées pendant tout un hiver sans déneigement. Chacune des mailles, ou facettes de la voute de câble est obturée par une tente à 3 mâts. Ces tentes sont assimilables à des chapiteaux traditionnels mais dont la toile doit être fermement et uniformément tendue car elle ne peut subir ni élongation ni traction en diagonale sous peine de rupture. Aucune déformation ne peut être tolérée sans bris. L'ajustement est critique et toute inégalité dans le patronnage ou l'assemblage peut causer des concentrations de stress amenant à la rupture de la membrane. La toile et le jointage de ces tentes doit non seulement garantir l'étanchéité mais pouvoir aussi assumer des stress structuraux importants correspondant au support de charges prévues au code du bâtiment et ce pour une longue période sans défaillance. Les tentes juxtaposées partagent leur périmètre avec leurs voisines. Ces périmètres forment des vallées qui évacuent l'eau ou la neige. Ces vallées sont obstruées cependant à leurs jonctions par les connecteurs des nodes faisant plusieurs pieds de hauteur. Ces nodes relient la voute de cables au mat. Ils sont en plein dans les voies d'égouttement et celles-ci n'ont jamais pu être étanchéisées parfaitement. À certains endroits il s'y forme même des flaques d'eau morte pendant la pluie. Ce design permet des accumulations dandereuses (ponding) de neige et d'eau. De plus tout glaçon ou morceau de neige durcie tombant du mat peut aisément perforer une membrane tendue telle que celle utilisée pour la confection des tentes "Birdair" Connecteurs rattachant les nodes des cables principaux de la voute aux cables du mat. Ils sont localisés à tous les coins (ou pointes) de tente. Ceux-ci forment des obstacles à l'écoulement d'eau, de neige, de glace. L'écoulement doit descendre dans des vallées formées par les flancs de tentes adjacentes et puis suivre les vallées jusqu'à la base du toit Depuis son installation, de nombreux dispositifs tels des drains pour évacuation de flaques, aérothermes pour fondre la neige, fils chauffants dans les vallées, supports structuraux additionnels(champignons) pour grands pans de toile, etc, ont été ajoutés et qui n'étaient pas prévus à l'origine. De nombreux trous et accrocs durent être réparés et qui furent causés autant par la manutention à l'installation que par la chute de glaçons ou par les simples opérations de déneigement. Les déneigeurs doivent prendre des mesures spéciales pour y marcher et à chaque année, des blessures sont infligées aux toiles à cause de ces opérations. SYSTÈME BIRDAIR ACTUEL (suite) Page 2 de 7
SYSTÈME STRUCTURAL SECONDAIRE ACTUEL Chacune des tentes comporte 3 mats volants. Ces mâts sont supportés à leur base par des cables (comme des cordes à linge) eux-mêmes reliés aux nodes de la voute Le dessous de ces mâts se trouve donc sous le niveau de la courbure générale de la voute cablée tandis que le haut est situé au-dessus de celle-ci pour permettre l'écoulement vers les vallées que constituent le niveau des câbles de la voute. Les charges de vent, de pluie, de neige sont d'abord subies par la membrane de la tente qui devient plus tendue puis transmises à ses supports et accastillage, puis à la voute cablée. La membrane se trouve ainsi en première ligne dans la chaîne de transmission des charges, et une défaillance de cette membrane, par surcharge ou accident équivaut à une mise en cause de la sécurité du toît. INSTALLATION DE LA MEMBRANE D'UNE TENTE BIRDAIR HISSAGE DE 3 MÂTS VOLANTS ET LEURS HAUBANS La toile d'une de ces tentes se rompit sous une charge excessive de neige TENTE BIRDAIR TYPIQUE ET SON SUPPORT SYSTÈME BIRDAIR ACTUEL Page 3 de 7
SYSTÈME STRUCTURAL SECONDAIRE PROPOSÉ Blindage pouvant être formé en place à partir de panneaux de grillage genre métal déployé déposés et chevauchés sur le filet et soudés les uns aux autres. La retenue du blindage au filet se fera à partir d'une quincaillerie simple à tous les nodes du filet à une étape ultérieure. Partout où et dès que le blindage est posé, la sécurité totale est acquise pour la suite du travail au toit. Position des cables de voute Quincaillerie de retenue aux cables principaux de la voute Filet préfabriqué de cables d'acier continus de calibre approprié tissé sur 3 axes et comportant des mailles d'environ 1m. Le tout calculé pour pouvoir supporter toutes les charges réglementaires (et plus) exigées par la RIO. Il est maintenu en place, à sa bordure aux cables de voute, et étendu grace à une quincaillerie simple La configuration finale du filet n'est pas plane et tendue mais plutôt lâche et en forme de hamac Il pourrait être hissé, fixé en place et blindé aussitôt qu'une tente Birdair serait descendue. Cette structure flexible et extrêmement résistante par rapport à son poids, recueillera toutes les charges pour les retransmettre uniformément aux cables de voute Filet de cables d'acier de calibre approprié à soutenir toutes les charges réglementaires. Aux nodes, une fixation simple permet de garder les brins croisés selon la géométrie établie FILET HAMAC BLINDÉ Page 4 de 7
ENSEMBLE STRUCTURE-ARCHITECTURE PROPOSÉ La voute cablée originale maintenue tendue par ses 16 points d'ancrage périphériques existants et 26 cables de soutien issus du mat et comportant 62 mailles triangulaires ou trapésoidales constituera le support primaire à la nouvelle toiture constituée de 62 sections. Chacune des mailles ou sections est obturée par un filet de cable se rattachant linéairement à son périmètre. Ce filet assume une position concave et lâche tel un hamac. Il est blindé et habillé d'un revêtement pneumatique et d'une membrane d'usure. Plénum ou espace d'air maintenu sous légère pression positive Surface du dessus du plénum d'air Cables du mât Surface d'usure Voute cablée (structure principale) Filins séparateurs permettant la détermination de la sculpture de la surface supérieure du plénum d'air Points d'attache des filins se reliant au blindage et filet de cable sous-jacents Membrane inférieure du plénum d'air Membrane tampon (coupe-feu & coussinage) Blindage Grillage métallique en panneaux soudés et rendus monopièce Filet de cable d'acier constituant une voilure structurale monopièce CONCEPT GÉNÉRAL & VUE D'ENSEMBLE Page 5 de 7
Toile bleue réassemblée (recyclage à évaluer) TENTES BIRDAIR (à enlever) Supports des tentes Birdair (à enlever) Toile Sheerfil Birdair découpée et couchée sur grillage (recyclage) Brides d'attache aux cables de la voute de cables Points d'attaches reliant tous les éléments et offrant une prise pour l'habillage CABLES DU MAT (structure primaire) Filet de cables d'acier tissé en triangulation (toile d'araignée) Panneaux de grillage étendus sur filet de cable et soudés les uns aux autres VOILURE COMPOSITE BLINDÉE INDESTRUCTIBLE ET INVULNÉRABLE (environ 4500 pi.ca. moyenne) du dessous vers le dessus: CABLES DU MAT(26) (structure primaire) SURFACE D'USURE surface du dessus (architecture) Ventilation naturelle possible Toiture rigide VOILURE COMPOSITE BLINDÉE 62 sections (structure secondaire) CABLES PRINCIPAUX DE LA VOUTE CABLÉE (structure primaire) Mur périphérique souple rétractable à déploiement pneumatique et à fermeture étanche Filins d'écartement et de retenue de la surface CABLES DE LA VOUTE (structure primaire) PLENUM PNEUMATIQUE à pression positive contrôlée (habillage architectural) Voilure composite blindée (structure secondaire) COUPE TRANSVERSALE SHEMATIQUE Filet de cable d'acier triangulé indéchirable Surface intégrale de grillage métallique Toile de fibre de verre enduite de Teflon (si recyclage toile Birdair) Toile de fibres synthétiques enduite de PVC (si recyclage toile bleue) Toutes les couches sont liées entre elles selon une géométrie étudiée par une quincaillerie laissant autant de prises d'ancrage sur le dessus de la toile de PVC Verrous d'amarrage 16 en place Anneau de compression en place CONCEPT GÉNÉRAL & VUE D'ENSEMBLE Page 6 de 7
REVÊTEMENT PNEUMATIQUE Toile de polyesther enduite de PVC de l'ordre de 16 à 20 oz/v.ca Ce type de matériel est courant dans l'industrie des auvents, tentes et chapiteaux. Assemblage par couture et soudure conventionnelles Les tensions dans cette membrane sont proportionnelles à la pression maintenue à l'intérieur du plénum et correspondent en temps normal a environ 1/100 de sa résistance à la rupture et à 1/12 lorsque pressurisé pour un chargement équivalent à 7 pi de neige et qu'il n'y en a pas à supporter SURFACE D'USURE Toile de polyesther résistante enduite de vinyle et comportant d'autres enduits assurant protection contre UV et avec fini autonettoyant genre "Fluotop", "Tedlar". Calibre approx: 20 à 24 oz/ v.ca Elle n'a à assumer aucune charge car reposant à plat sur un revêtement pneumatique sous-jacent Assemblage par couture et soudure conventionnelles Sous l'effet de la légère pression d'air maintenue dans le plénum, sa volumétrie même se rigidifie entrainant une fermeté proportionelle tant dans la surface supérieure que dans le filet-hamac ou voilure structurale blindéé PRESSION D'AIR L'air est insufflé entre les 2 membranes à l'aide de simples systèmes de souffleries dites à cage d'écureuils pouvant maintenir une pression statique d'environ 1" d'eau soit 25 kg/m.ca. en usage normal. Lors de chargement de neige importants, des senseurs activeront des surpresseurs pouvant fournir des pressions équivalentes jusqu'à au besoin de 8" d'eau ou 200kg/m.ca. Par comparaison, un aspirateur domestique peut facilement fournir une pression équivalente à 24". Le plénum peut être avantageusement divisé en zones étanches ayant chacune leurs systèmes de pressurisation pour parer à des enneigements assymétriques sans avoir à hausser la pression de tout le plénum FILINS SÉPARATEURS Petits cables d'acier inoxydable d'une capacité d'environ 1000kg La tension dans ces filins va de 20 kg au repos à 400 kg en pleine pression sans chargement de neige. Ils retiennent les deux surfaces du plénum à une distance et force calculées pour sculpter la surface du dessus. MEMBRANE ÉTANCHE DU PLÉNUM Peut être constituée de n'importe quelle membrane étanche qui ne perdra pas ses propriétés en condition d'entreposage idéales. Elle n'a pas à supporter aucune tension DÉTAILS DES COMPOSANTES SECTION TYPIQUE Page 7 de 7