Nous suivre Les Cahiers Techniques du bâtiment

Metz Une charpente-nappe en bois lamellé-collé

Sujets relatifs :

Metz Une charpente-nappe en bois lamellé-collé

Redéfinition de la structure bois à partir de la simulation en surface complexe continue (Doc DR.)

Le centre Georges-Pompidou, qui abrite la plus grande collection d'art moderne et contemporain d'Europe, se dote d'une seconde vitrine au cœur de Metz. Un autre manifeste architectural dont la charpente, d'apparence simple, a nécessité l'emploi d'outils informatiques issus du secteur de l'automobile.

Lorsque le projet des architectes Shigeru Ban et Jean de Gastines remporte en novembre 2003 le concours pour ce centre d'art, ses concepts extraordinaires lui valent très vite la réputation d'un « projet irréalisable ». En effet, la structure en bois imaginée par les architectes est une forme libre inspirée d'un chapeau chinois en paille au tressage hexagonal. Cette structure servant de support à une couverture en nappe, dont les plis s'accordent à épouser telle une robe un édifice de forme audacieuse ! Sur le plan formel, la charpente et la couverture enveloppent un empilement de trois parallélépipèdes qui s'entrecroisent, énormes tubes en béton décalés de 45° à chaque étage. Ces trois galeries d'expositions s'ouvrent ainsi à leurs extrémités sur des vues différentes de la ville. Elles sont reliées verticalement par une tour pivot, structure en acier de 77 m de hauteur, qui traverse la couverture. En partie basse, elle articule les bâtiments d'accueil, techniques et administratifs.

De principe simple, l'étude de cette structure hors norme allait poser une belle colle à l'ingénierie de la construction bois européenne !

Une « robe » en lamellé-collé moisé

La couverture de l'ensemble des bâtiments, accès, places et terrasses du centre, consiste en une structure d'environ 8 500 m2 qui épouse les formes de cette superposition bâtie et en laisse apparaître les extrémités. Cette résille se ­termine en partie basse par quatre pieds et en partie haute sur la tour pivot. Sa structure se compose d'un tressage à trame hexagonale de près de 1 800 poutres courbes, en un jeu de moisage de 6 couches interconnectées. Soit pas moins de 16 km de lamellé-collé assemblés par quelque 7 000 connecteurs (dont 1 800 en composite lamibois de hêtre) ont été nécessaires à la mise en œuvre de cet extraordinaire ouvrage. Les seuls points d'ancrage de cette structure sont ses quatre piliers dont la torsion rappelle la forme du pied de tulipe, une reprise à l'arrière de la structure béton et l'anneau central. Glissé sur la tour hexagonale en structure acier, ce dernier assure le contreventement avec ses assembleurs articulés.

Pour vérifier les hypothèses et les résultats ­calculés selon les eurocodes, de nombreux essais ont été réalisés en laboratoire en Suisse sur une section de la structure. Elle a ensuite été testée au vent à partir d'une maquette, à la soufflerie parisienne du Cstb.

Il est à noter que les bois utilisés sont des épicéas pour le « cannage », et des mélèzes pour les « pieds de tulipe », tous issus d'exploitation forestière durable, certifiés FSC et originaires d'Autriche, d'Allemagne et de Suisse.

L'architecte Jean de Gastines qui appelle cet ensemble « la robe », rappelle le très important travail de l'ingénieur bois Hermann Blumer dans sa conception.

Ce dernier est à l'origine de l'ensemble des solutions qui, non seulement ont rendu faisable cette structure, mais ont aussi traduit la volonté de fluidité, légèreté et translucidité recherchées par les architectes. Des dizaines d'ingénieurs bois à travers le monde ont cherché ­comment réaliser en grand ce qui paraissait à première vue si simple. Il a fallu attendre l'attribution du marché global à l'entreprise générale Demathieu & Bard, puis l'entrée en jeu du constructeur bois allemand Holzbau-Amann avec l'ingénieur bois construction suisse Hermann Blumer pour envisager la faisabilité de cette structure bois en terme de modélisation, de calcul, de vérification, de fabrication, de montage et de couverture.

Un tressage de pièces moisées et gauchies

Imaginons une structure bois composée de 1 800 pièces gauches, toutes différentes, elles- mêmes réalisées à partir de six éléments parallèles interconnectés. Quand il a fallu aborder le comportement structurel d'un tel cannage courbe - avec les constants changements de traction en compression et vice-versa - les interconnexions entre les couches et les croisements, assurer sa stabilité au vent, maîtriser les variations dimensionnelles naturelles du matériau et imaginer sa couverture par une membrane, l'ensemble des modes de simulation et de calcul contemporains du bâtiment en venaient à leurs limites.

Les travaux du bureau d'étude bois SJB.Kemper.Fitze, prenant le relais de Hermann Blumer, ne pouvaient aboutir qu'à partir du moment

où l'on savait modéliser cette structure non plus en réseaux de lignes et de points définissant sa géométrie sur les traditionnels axes x, y et z, mais virtuellement en surface continue dans toute sa complexité. Car un autre problème apparaissait, celui du découpage de cette structure en pièces réalisables en industrie, transportables sur route et aptes à un montage maîtrisé selon sa forme complexe.

Pour appréhender et modéliser la structure, Holzbau-Amann s'est servi d'un logiciel CAD, Rhino - que de plus en plus d'architectes détournent de sa première destination - la modélisation de formes de carrosserie et de pièces de moulage. Ce logiciel part d'un principe de modélisation en surface complexe continue, NURBS (1) - une représentation mathématique plutôt que géométrique - jusqu'alors pratiquement inconnu dans le bâtiment, s'appuyant sur les trouvailles d'ingénieurs français de l'automobile (Peugeot et Citroën) des années 60 et 70.

À partir de cette modélisation et des données fournies par Holzbau-Amann, les développeurs logiciels de designtoproduction et de iCapp ont pu développer les accessoires logiciels pour traiter le besoins de programmation de production.

Cette modélisation en surface complexe continue s'est appuyée sur quelque 3 000 points 3D relevés sur les plans d'architecte. Il fallait définir les couches successives des plis de tressage, les axes de connecteurs et le comportement de la structure, à partir d'un plan continuellement changeant par rapport au plan de couverture, depuis la surface de la forme.

Automatisation du process de fabrication

Cette approche a permis d'appréhender de manière précise ce qui se passe à n'importe quel point de la structure, à n'importe quel point de ses couches et aux interconnexions des couches. Il devenait alors possible d'envisager l'étude de fabrication, de découpage des bandes continues des poutres courbes et de maîtriser un autre impératif.

En effet, les sections de bois lamellé-collé ­servant de pièces brutes pour ces 1 800 pièces composant le tressage, devaient être facilement prédéfinies par les charpentiers, pour la fabrication et pour l'usinage en commande numérique (voir encadré).

La réalisation des pièces brutes de lamellé-collé ont été définies par Holzbau-Amann selon trois typologies :

- les pièces brutes droites pour les ­poutrelles de simple courbure, fabriquée en lamellé-collé ordinaire ;

- les pièces brutes courbes pour poutrelles à courbe forte ;

- les pièces courbes sur 2 axes, pour éléments à courbures complexes.

Ce dans un souci de simplification structurelle et de recherche d'optimum économique sachant que le coût brut avant usinage est respectivement de 400q/m3, 800 q/m3 et 2 400 q/m3 ! Ces dernières sont en effet composées de multiples sections carrées de environ 25 x 25 mm, seules dimensions permettant un cintrage extrême.

Les délais très brefs imposaient que ces opérations analytiques se fassent de manière automatique pour produire directement les modes d'emploi de situation, de statique, de typologie de production des pièces brutes, l'ordonnancement de la commande numérique à la taille et au fraisage des poutrelles dans le respect des tolérances, celles du moindre affleurement des fibres du bois en usinage, du logement des connecteurs bois comme des connecteurs ferrures, de leurs goujons et boulons. Le tout en respectant les limites de passage en machine d'usinage, du transport et des possibilités de montage sur chantier.

Convaincus par une première expérience

avec les membranes autonettoyantes du fabricant japonais Taiyo, l'entreprise générale Demathieu & Bard opte pour cette solution.

Membrane en teflon armé, autonettoyante

Ce textile à base de fibres de verre est recouvert de teflon et de dioxyde de titane photocatalytique. Ce dernier, sous l'action des rayons UV du soleil, décompose les salissures à son contact, les rendant facile à délaver lors de la prochaine pluie. Par la même action, il décompose les polluants oxyde d'azote et oxyde de soufre, largement responsables des pluies acides. La composante téflon, extrêmement anti-­adhérente, facilite l'enlèvement des salissures. Structurellement parlant, il n'était pas envisageable de recouvrir la charpente d'une peau continue, vue la tension extrême que cela aurait représenté pour la structure. Il fallait donc découper la membrane en une multitude de facettes, selon les opportunités de la structure bois.

À partir de trames d'approximativement de 6 m et 9 m de largeur, des rectangles de membrane sont formés sur une longueur pouvant atteindre 85 m. Pré-contraints, ils sont soudés en usine au Japon à partir de lés de 3,80 m et finis en ourlets prêts à recevoir des cordes en nylon.

Ces ourlets à cordes sont introduits dans les profilés à fente en aluminium qui servent à tendre chaque membrane sur la structure en bois. Les écarts laissés entre ces facettes sont fermés par couvre-joints du même matériau, appliqués par soudure sur place lors de la pose, afin de retrouver une surface jointive étanche.

Alors que la première pierre était posée en novembre 2006, le bâtiment entrera en fonction à la rentrée 2009 et ouvrira au public au printemps 2010.

vous lisez un article des Cahiers Techniques du Bâtiment N°291

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2009 des Cahiers Techniques du Bâtiment

Nous vous recommandons

Un siège social vêtu de bois dans une ancienne halle ferroviaire

Un siège social vêtu de bois dans une ancienne halle ferroviaire

À Versailles, une charpente en bois a été greffée sur les fermes en acier d'une halle SNCF désaffectée et une structure à poteaux et planchers en bois mise en œuvre conjointement, afin[…]

29/11/2018 | ChantierInnovation
Meccano géant sur le toit d'un bunker

Meccano géant sur le toit d'un bunker

Perspective, l'immeuble tertiaire en structure bois le plus haut de France

Perspective, l'immeuble tertiaire en structure bois le plus haut de France

Des joints creux réalisés dans l'épaisseur d'un système d'ITE

Des joints creux réalisés dans l'épaisseur d'un système d'ITE

Plus d'articles