Préfa Béton International OCTOBRE 20115 SPECIAL PRINT TECHNOLOGIE DU BETON Fabrication de produits en béton fibré à ultra hautes performances pour des applications architectoniques SPECIAL PRINT CPI 11/05
Lafarge North America, T2W 4Y1, Calgary, Alberta, Canada Fabrication de produits en béton fibré à ultra hautes performances pour des applications architectoniques Le présent article constitue la dernière partie d une série de cinq essais scientifiques rédigés par des collaborateurs de Lafarge sur le thème de l «Emploi du béton fibré à ultra-hautes performances Ductal» (UHPC, Ductal Ultra-High Performance Concrete). Ces articles parus dans PBI portaient sur les thèmes suivants: les marchés cibles du BFUP et les exigences de planification commerciale pour les producteurs d éléments préfabriqués, les matériels et techniques de production du BFUP, et enfin la fabrication de produits en BFUP pour applications structurelles et artisanales. Matériaux à la pointe de la technologie et à fort potentiel d innovation pour de nouvelles applications architecturales, les bétons fibrés à ultra-hautes performances réunissent des propriétés physiques et mécaniques supérieures qui permettent de concevoir et fabriquer des pièces minces et de grandes dimensions, aux formes géométriques complexes, avec des courbures plus ou moins prononcées et une variété quasi infinie d aspects de surfaces en somme, des concepts qui s avéraient difficiles ou impossibles à réaliser avec des éléments en béton armé traditionnel. Dans cet article, Lafarge fournit des exemples concrets de réalisations architecturales en BFUP et discute des différentes techniques de fabrication utilisées. Les projets présentés ici ont été choisis pour leurs qualités novatrices qui ont contribué à la réalisation d une vision architecturale («Un rêve devenu réalité»), mais ils ne représentent qu une infime partie des nombreuses innovations en BFUP qui ont pu voir le jour jusqu à présent. Kelly A. Henry, Peter J. Seibert, Lafarge North America A l instar de la fonte qui a révolutionné les façades au 19e siècle, la famille des bétons fibrés à ultra-hautes performances Ductal constitue la réponse du 21e siècle à la conception de façades en béton architectonique alliant la technologie à l esthétisme. Même si c est un matériau relativement nouveau dans le domaine des parements et revêtements de façades, la recherche sur les BFUP a fait des progrès considérables ces dernières années en matière de technologies de production, donnant naissance à des concepts architecturaux nouveaux et uniques au plan esthétique. La résistance à la compression d un BFUP peut atteindre 200 Mpa, sa résistance à la traction 40 MPa (l ajout de fibres organiques ou métalliques confère au béton ses qualités ductiles exceptionnelles). Grâce à sa combinaison unique de propriétés mécaniques et esthétiques, les architectes peuvent concevoir des éléments de sections plus fines et de portées plus longues, qui résultent en des ouvrages architecturaux plus légers alliant élégance et modernité, tout en offrant des caractéristiques améliorées en terme de durabilité et de résistance à la corrosion, à Fig. 1 et 2: Système de mur-rideau unifié ultra mince 2 PBI Préfa Béton International 5 2011
Peter J. Seibert est titulaire d un grade de Bachelor en Génie Civil de l Université de Toronto, obtenu en 1996, d un Master en Génie Civil de la Queen s University de Kingston, Ontario, obtenu en 1998, et d un MBA de la Wilfrid Laurier University de Waterloo, Ontario, obtenu en 2003 (Canada). Basé à Calgary, au Canada, il occupe les fonctions de Directeur Technique pour le produit Ductal dont il est responsable de la production, de la chaîne logistique, du contrôle qualité et des aspects techniques dans toute l Amérique du Nord depuis 2006. Peter.Seibert@Lafarge-na.com Kelly A. Henry est titulaire d un Bachelor of Science en microbiologie de l Université de Floride, et a aussi obtenu un Master en architecture ainsi qu un MBA en sciences économiques au Georgia Institute of Technology. En tant qu architecte, elle a travaillé à la faculté des technologies de modélisation des informations en bâtiment à l institut Georgia Tech, où elle avait un poste de professeur adjoint. Elle est également titulaire d une accréditation LEED pour les méthodes de conception durables. Domiciliée à Calgary, au Canada, elle occupe un poste dirigeant de Architectural Project Manager for Ductal (UHPC) chez Lafarge et dirige des projets de construction en béton architectural dans toute l Amérique du Nord. Kelly.Henry@Lafarge-na.com l abrasion, aux agents nocifs et aux chocs. Les performances mécaniques et rhéologiques exceptionnelles des bétons Ductal peuvent aider à réduire le nombre de composants d une structure, éliminent Le béton BFUP Ductal et le développement durable Les propriétés exceptionnelles de durabilité et de résistance du béton fibré à ultra hautes performances Ductal en font un matériau écologique et à faible empreinte environnementale, qui s inscrit dans la logique du développement durable. Les produits en BFUP, souvent utilisés pour fabriquer des éléments de forme élancée dans les applications architectoniques, nécessitent moins de matériaux à la fabrication, mais présentent une durée de vie augmentée, ce qui résulte en un plus faible impact environnemental à long terme (comparé à l acier, à d autres métaux ou au béton traditionnel). Sur la base de la méthode de la modélisation prédictive du transport des ions chlorures (méthode des éléments finis), cela pourrait prendre jusqu à 1000 ans avant qu un BFUP ne présente la même profondeur de pénétration par les ions chlorures que celle qu atteindrait un béton à hautes performances en moins de 100 ans. Prédiction de la durée de vie sur la base du transport des ions chlorures Modèle prédictif: BFUP Ductal vs. Béton à hautes performances (BHP)*. Profondeur de pénétration prédite du seuil de concentration en ions chlorures (Ct) = 0,05%. *Dr. Michael Thomas, P.Eng., «Performance of Reactive Powder Concrete in a Marine Environment», ACI Annual Conference, 2010, Chicago, IL, Etats-Unis. Profondeur de la valeur seuil de concentration, dt (mm) BHP Age (années) Profondeur de pénétration de C t dans le BHP Profondeur de pénétration de C t dans le béton Ductal PBI Préfa Béton International 5 2011 3
la nécessité des armatures passives et permettent de concevoir des structures en porte-à-faux qui n auraient pas été possibles avec du béton ordinaire. De plus, ils permettent la conception et la production de pièces en béton de très faible épaisseur, mais offrant des caractéristiques exceptionnelles de durabilité et d éco-efficacité. Leur grande résistance à la corrosion, à l abrasion, au phénomène de carbonatation, aux chocs ainsi qu au feu leur confèrent les qualités nécessaires pour la réalisation d ouvrages exposés à des environnements agressifs (maritimes ou industriels par ex.) et d édifices publics devant satisfaire à de strictes exigences en matière de sécurité, de maintenance technique et de résistance aux chocs sismiques. Le béton Ductal étant un matériau nouveau dans le domaine des parements en béton, les producteurs d éléments préfabriqués doivent développer des solutions capables de satisfaire aux exigences techniques en terme de rapport épaisseur/dimensions des éléments, de conception des raccords et de finition des surfaces. Ces nouveaux concepts de panneaux et autres éléments préfabriqués doivent être développés sur la base de prototypes, puis testés et validés. Comme mentionné plus haut, les éléments peuvent être conçus avec une très faible épaisseur, si bien que contrairement aux éléments préfabriqués traditionnels, leur dimensionnement dépend largement de facteurs tels que la flèche et les vibrations. Il peut arriver que des raccords normalement utilisés pour relier ce type de panneaux préfabriqués ne présentent pas une profondeur d encastrement suffisante dans le béton en raison de la finesse de l élément. En ce cas, il peut s avérer nécessaire de procéder à des tests de charge sur les raccords entre les éléments et de renforcer les parties situées autour des joints. Qu elles soient structurelles ou décoratives, les possibilités d utilisation du BUFP sont quasi-infinies. Dès les premiers inves tis - sements réalisés dans les matériels de coffrage et de coulage, il est possible de di - mensionner, de fabriquer et d assembler sur site des éléments aux formes géométriques les plus complexes. Les architectes et préfabricants découvrent encore régulièrement de nouvelles possibilités de réalisation de parements et d aspects de surfaces. La très faible porosité et la fluidité du matériau permettent de réaliser des finitions de surfaces et des textures complexes et détaillées. Ce sont toutefois ces mêmes propriétés qui peuvent poser des difficultés au moment de la production, obligeant les fabricants à adapter leurs matériels et techniques de cof frage afin de pouvoir tirer pleinement parti de tous les avantages de ce béton. Formes et courbures Les éléments de façades en BFUP peuvent être dimensionnés avec des rayons de courbures beaucoup plus importants, impossibles à réaliser avec des systèmes de façades traditionnels. Pour la conception de la façade de l Atrium, un grand édifice comprenant bureaux et commerces construit à Victoria, dans la province canadienne de Colombie britannique, l architecte (D Am bro sio Architecture + Urbanism) a choisi le béton fibré ultra performant Ductal car il permet de concevoir des éléments monoli-thiques avec des courbures extrêmement fines et complexes (voir Fig. 1 et 2). Pour obtenir les ondulations radiales de cette façade, un système traditionnel à panneaux plats aurait nécessité l assemblage de panneaux découpés sur mesure mais laissant apparaître des jointures et des écarts peu esthétiques et inefficaces en matière d économie d énergie. Le système de mur-rideau modulaire a dû être dimensionné avec des panneaux ultra fins et grâce au gain d espace ainsi réalisé, le déplacement du système de climatisation a été facilité. En raison des résistances élevées et de la ductilité exceptionnelle du béton Ductal, seules des d armature en plastique renforcé de fibres de verre (PRFV) avec un recouvrement minimal du béton ont été nécessaires. Au final, cela a permis d obtenir des panneaux d une épaisseur de 20 mm seulement, mais aussi d une manière générale, de réduire les éléments de structure porteurs du bâtiment grâce au poids limité des façades. Cette réduction globale du poids de la construction a également permis de limiter au minimum les exigences techniques relatives aux composants parasismiques de l ouvrage, la ville de Victoria possédant l un des taux d activité sismique les plus élevés du Canada. La fabrication des coffrages pour les élé- Fig. 3 & 4: Enveloppe de bâtiment en béton Ductal texturée façon Lego 4 PBI Préfa Béton International 5 2011
ments de façades de l Atrium s est avérée relativement simple. Grâce à une planification précise des opérations de coulage et de décoffrage, le profil de surface désiré (des nervures d une profondeur de 5 mm espacées de 10-15 mm) a pu être réalisé sans difficultés sur les panneaux droits et courbes constituant l enveloppe du bâtiment. Pour obtenir cette texture de surface, l architecte a créé à la main son propre motif en argile, qui a ensuite été appliqué au moule de coffrage. L équipe des matériaux préfabriqués de l usine Lafarge de Calgary a été chargée de la production de quelque 690 panneaux de façades à partir de trois moules différents. Des fers d armatures classiques n ont pas été nécessaires. Tous les panneaux mesuraient 1300 mm en hauteur et variaient en largeur de 750 à 2150 mm, la plupart ayant une largeur de 1300 mm. Les mouvements attendus sont amortis aux angles par des contreforts en équerre intégrés dans les structures porteuses de l ouvrage. Textures de surfaces Le nouveau bâtiment administratif du Centrebus de la RATP de Thiais, dans le sud de Paris, est l œuvre de l agence ECDM (Emmanuel Combarel Dominique Marrec Architectes) et a été entièrement recouvert d une peau en béton fibré ultra performant Ductal texturée façon «Lego» (voir Fig. 3 et 4). Cette coque en béton de 30 mm d épaisseur est incurvée au niveau de son socle, comme si elle émergeait du sol, pour s élancer élégamment vers le ciel. Mis à part le fait que leur surface est anti-glissante, les éléments constitutifs de l enveloppe et du socle créent des effets de moirage que démultiplient les jeux de lumière et de miroir des vitrages colorés des menuiseries extérieures. Les intervenants du projet ont investi un temps considérable dans les travaux de recherche et d études préparatoires, dans la fabrication des prototypes, la réalisation d essais de fonctionnement et enfin, dans la conception de moules capables de satisfaire à toutes les exigences en terme de durabilité et d économie des ressources. Le béton fibré à ultra hautes performances Ductal a constitué la carte maîtresse du projet en tant qu enveloppe, revêtement et élément physique et plastique de liaison sol-mur et sous-faces du bâtiment. Sa grande fluidité, sa finesse et l absence de granulats ordinaires dans sa composition lui permettent d épouser les moindres détails des coffrages et de reproduire précisément la texture des moules. L enveloppe du bâtiment, uniformément grise et recouverte de petits picots ronds et systématiquement déclinés sur les murs et le toit, façon Fig. 5: Coulage d une dalle en béton fibré à ultra hautes performances Ductal à surface texturée à l usine de Betsinor (France) plaque de Lego, est fixée en bardage sur le bâtiment et à plat à même les fondations sur son pourtour. Les arêtes supérieures du bâtiment offrent ainsi de beaux arrondis qui se perdent dans le ciel, assurant la continuité visuelle entre l édifice et le sol qui l entoure. Betsinor Composites, grand producteur d éléments architecturaux en béton, a conçu et fabriqué 378 dalles qui forment les 12 000 m2 de la peau minérale du bâtiment (voir Fig. 5). Pour ce faire, il a fallu résoudre différents problèmes techniques, tels que la nécessité de fabriquer une surface parfaitement homogène telle une plaque de Lego recouverte de 97 000 picots identiques de 24 mm de diamètre, 7 mm de hauteur et espacés entre eux de 12 mm et ce, malgré les déformations imposées par les courbes et contre-courbes de certaines dalles. Un travail minutieux de planification et de dimensionnement ainsi que les services d un menuisier ont été nécessaires pour concevoir, construire et fabriquer les moules des dalles. L assemblage des dalles de bardage n a nécessité qu un simple système de fixation, à savoir des bagues en acier inox de 15/20 mm, qui ont considérablement simplifié les opérations d installation ultérieures et amené des résultats satisfaisants. Fig. 6: Les panneaux ajourés en béton Ductal associés aux parois vitrées de l enveloppe du bâtiment forment un «double revêtement» qui préserve l intimité et protège les vitrages, tout en créant un subtil jeu de lumière PBI Préfa Béton International 5 2011 5
Fig. 7: Moulage par injection sous vide d un moucharabieh (résilles) en béton Ducta l Panneaux perforés et résilles Les résilles traditionnelles sont le plus souvent en métal, en acier peint ou en fonte, mais difficiles d entretien et coûteuses à la fabrication. Les bétons Ductal constitue une excellente alternative au métal pour créer des éléments en béton décoratifs aux motifs complexes et originaux, moulés à froid, nécessitant peu d entretien et qui sont à la fois esthétiques et durables (voir encadré). Le nouveau Centre Culturel de Sedan (France) a été construit en 2008 pour le compte de la mairie de la ville dans le cadre d un programme de renouvellement urbain. L architecte Philippe Gibert a imaginé une façade à «double revêtement» les panneaux perforés étant placés 60 cm devant les parois vitrées du bâtiment qui permette de jouer sur l éclairage intérieur tout en assurant la protection des baies vitrées. Ainsi, les parois ouest et sud sont constituées de panneaux ajourés en béton fibré Ductal de 2 m x 4 m x 45 mm, teintés dans la masse en bleu très clair, qui distillent la lumière et créent des jeux d éclairage subtils à l intérieur du bâtiment (voir Fig. 6). Dotés de perforations arrondies de différents diamètres, les panneaux, une fois positionnés à 60 cm devant les parois intérieures vitrées, jouent le rôle de brise-soleil. Les éléments sont fixés par deux sabots en partie basse et deux consoles en tête. Un jeu de trous oblongs dans les platines métalliques au contact du panneau permet d absorber les tolérances géométriques de la structure et les déformations thermiques. Le pourcentage de vide dans les panneaux ajourés approche les 30% et les motifs des ouvertures ont été définis de manière à respecter le souhait esthétique tout en permettant un coulage aisé des éléments. L assemblage des 330 m² de panneaux a nécessité une vingtaine de jours. Cette solution développée en accord entre Lafarge et Betsinor permet de réaliser des panneaux perforés très complexes en atteignant la même finition lisse sur toutes les faces de l élément (voir Fig. 7). Brise-soleil Fig. 8: Les lames brise-soleil en béton Ductal blanc préservent l intimité de l habitation et protègent de la chaleur Afin d assurer le confort des occupants mais aussi la performance énergétique d un bâtiment, tout en minimisant les coûts énergétiques causés par les systèmes de climatisation, les architectes ont de plus en plus souvent recours à des brise-soleil extérieurs, que ce soit pour les constructions neuves ou les projets de rénovation. Pour réguler de manière optimale les apports thermiques dans les bureaux de l Hôtel de Police de Nantes (France), l agence d architecture et d urbanisme Atelier 234 a conçu des lamelles brise-soleil en béton BFUP Ductal, montées en appui sur des poteaux et fixées par ancrage au moyen de câbles en acier. Les brise-soleil installés sur l enveloppe extérieure des bâtiments étant souvent difficiles d accès, il est important de minimiser les besoins en maintenance. Afin de limiter le nombre de fixations nécessaires d une part et de satisfaire aux ambitions esthétiques d autre part, les lamelles brise-soleil en Ductal peuvent atteindre une longueur de 5 m et plus. Dans ce cas, les éléments doivent supporter des charges structurelles importantes. Grâce aux propriétés excep-tionnelles du béton fibré à ultra hautes performances Ductal, les architectes peuvent concevoir des panneaux résilles et des lamelles brise-soleil d une grande finesse, avec une grande liberté de formes, de textures et de couleurs contrairement aux produits en métal fabriqués par extrusion généralement utilisés pour ce type d applications. Dans le cas du nouveau siège administratif nantais de la police française, le choix du matériau s est porté sur le béton Ductal au détriment de l acier pour des raisons à la fois esthétiques et techniques. Explication de l architecte: «Ductal nous permettait de réaliser une structure légère, élégante, d'une grande finesse. Mais au-delà de l'aspect esthétique, ce brise-soleil répond également à deux contraintes importantes: éviter la vue directe depuis la place Waldeck Rousseau vers l'intérieur de l'hôtel de Police et limiter les apports thermiques dans les bureaux en façade, exposés plein sud (voir Fig. 8). Installées à une distance de 800 mm de la façade, les lames brisesoleil en Ductal, d'une portée de 7,20 m, d'une profondeur de 400 mm et de 50 mm d'épaisseur, s'appuient sur des poteaux verticaux en béton blanc poli. Ils sont maintenus par des câbles en acier ancrés dans la structure et leur profil a été développé plus avant afin d améliorer leurs résistances aux intempéries et d optimiser leur dimensionnement. Autres possibilités d applications De nombreuses réalisations utilisant du BFUP Ductal pour ses performances à la fois structurelles et esthétiques ont vu le jour en 6 PBI Préfa Béton International 5 2011
Fig. 9: Toiture en porte-à-faux étanche et de conception monolithique Europe et en Amérique du Nord. La toiture en porte-à-faux de la Galerie Enrico Navarro par exemple, une galerie d art située au Muy, dans le Var, a été conçue par l architecte Rudy Ricciotti de manière à créer un lieu modulable entre habitat et exposition d art. L objectif architectural était de créer un ouvrage qui disparaisse dans la pente de la colline pour se fondre dans le contexte sauvage de la forêt de chênes du Massif des Maures. Deux éléments étaient censés dissimuler l ouvrage, en reflétant la forêt sur 40 m de longueur: un bassin dans le plan horizontal, et dans le plan vertical, une façade avec parois vitrées. La création d un plan de vitrage sans discontinuité impliquait la mise en place une toiture en porte-à-faux, sans poteaux porteurs. L emploi du béton classique armé ou précontraint aurait été trop lourd. Celui d une couverture en charpente métallique légère aurait nécessité un empilement de couches structurelles puis d étanchéité, trop complexe au plan constructif. Tout aussi léger mais beaucoup plus simple, l emploi du BFUP constituait une solution radicale et efficace, aussi légère qu une charpente métallique et aussi simple à concevoir qu un élément monolithique en béton préfabriqué. La conception de panneaux nervurés en section transversale, structurés en forme de U d iner tie variable, a permis de compenser les charges en flexion longitudinale (par les jambes du U) et transversale (par la traverse du U). Au final, la toiture a donc été réalisée en 17 panneaux nervurés et identiques reliés en entre eux, mesurant 2,35 m de large par 9,25 m de long, dont 7,8 m de porte-à-faux. Pour ce projet, le béton fibré à ultra hautes performances Ductal a fourni une solution monolithique pour une toiture étanche sans l empilement de couches structurelles qu impliquent les charpentes métalliques traditionnelles. De cette façon, le béton Ductal a également contribué à réduire les coûts de main d'œuvre sur le chantier et à raccourcir les délais d exécution de l ouvrage (voir Fig. 9). Les projets et applications décrits dans cet article ne représentent d une infime partie des nombreuses réalisations structurelles et architectoniques en béton Ductal qui ont vu le jour depuis 2000, l année de son introduction. Ces innovations architecturales marquent le début d une nouvelle ère, où les limites traditionnelles de la construction et de la créativité sont repoussées grâce aux propriétés exceptionnelles de ce nouveau matériau aux multiples facettes. La popularité du béton Ductal devrait grandir dans un avenir proche car de plus en plus d ingénieurs, d architectes et de collaborateurs des services publics d urbanisme sont familiarisés avec les qualités supérieures de ce matériau en terme de durabilité, d'esthétisme et de résistance, et parce qu il fait l objet de recommandations techniques et de directives constructives officielles de plus en plus nombreuses. AUTRES INFORMATIONS Lafarge North America 10655 Southport Road SW., Suite 1200 T2W 4Y1, Calgary, Alberta, Kanada T +1 403 271 9110 F +1 403 278 7420 ductal@lafarge-na.com www.ductal-lafarge.com PBI Préfa Béton International 5 2011 7