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Structure isostatique et membrane pneumatique libèrent la piste

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Structure isostatique et membrane pneumatique libèrent la piste

1. Pylône porteur de la charpente et couverture. 2. Tube périphérique de 406,4 mm de diamètre. 3. Oreille d’ancrage des câbles de maintien de la membrane supérieure. 4. Platine goujonnée d’agrafage des membranes. 5. Tablier de la membrane supérieure. 6. Oreille d’ancrage du tablier. 7. Isolation thermique du chaînage. 8. Isolation thermique du mur. Le contournement des brides d’assemblage des poutres assure la continuité de la platine d’agrafage de la double membrane.

© (Doc. Covertex.)

Couvrant les 5000 m2 du vélodrome du centre mondial du cyclisme, une double membrane précontrainte, d’un seul tenant, a été tendue sur une ceinture métallique tridimensionnnelle légère conçue comme une jante de roue.

Construit à Aigle en Suisse, sur un terrain de plus de 30 000 m2, le complexe sportif, créé à l’initiative de l’UCI (Union cycliste internationale) et avec le soutien du CIO (Comité international olympique), a ouvert ses portes en mai 2002. Il est divisé en trois volumes spécialisés : le vélodrome, la salle de gymnastique de 40 x 20 m et le bâtiment administratif comprenant salles de cours, de conférences, restaurant… Chacun de ces volumes a été étudié et construit selon les besoins spécifiques des différentes activités, tout en organisant des liens fonctionnels entre les différentes parties du centre. Bâtiment phare de ce complexe, le vélodrome d’une surface de 5 000 m2 abrite une piste de 200 m, des tribunes pouvant accueillir 600 personnes et un espace central disponible pour d’autres activités sportives. La structure elliptique du bâtiment (90,8 x 66,83 m) se compose d’une charpente métallique légèrement inclinée de 6° 30’ suivant le petit axe de l’ellipse. Elle est supportée par 28 pylônes en acier d’une hauteur moyenne de 17,40 m et régulièrement disposés à la périphérie. L’ensemble est protégé par une couverture « dodue » en toile tendue, constituée d’une double membrane en forme de ballon ovale. Cette couverture gonflable est connectée, par un tube courant sur son périmètre, à une centrale d’insufflation d’air qui maintient une pression réglable entre les deux membranes. Pour offrir une transmission lumineuse suffisante tout en conservant un bon coefficient thermique, la couverture a été réalisée à l’aide de deux membranes translucides stables dimensionnellement, en composite PVC-polyester de la série 8 000 de Ferrari (Précontraint 1 002 pour la face intérieure et Précontraint 1 302 pour la face extérieure). Avec des coefficients de transmission lumineuse de 12 % et 9 %, ces membranes apportent un éclairage diurne naturel très homogène et permettent de générer des économies d’énergie liées à un recours moindre à l’éclairage artificiel et, en hiver, aux apports naturels de calories.

Un espace intérieur libre de tout point porteur

La charpente porteuse de la double membrane est une ceinture métallique tridimensionnelle, légère, en forme de roue. Ses rayons convergent au centre du vélodrome et portent les équipements de chauffage, l’éclairage ainsi que la sonorisation nécessaire aux activités du lieu. L’intérieur du bâtiment est ainsi totalement libéré de tout élément porteur. La structure de la charpente, d’un poids total de 260 tonnes, se décompose en deux parties techniquement et mécaniquement distinctes. En appui et boulonnée sur la tête des 28 pylônes, une poutre triangulée en 3D forme une couronne périphérique qui assure à la fois le chaînage du bâtiment et l’ancrage de la double membrane souple. Pour répondre aux impératifs de pose, cette couronne a été divisée en huit sous-ensembles indépendants agencés au sol, puis levés à l’aide d’une grue sur les 28 pylônes et maintenus temporairement en place par 12 poteaux d’étaiement. S’ancrant sur cette poutre, la structure légère de la toiture (tensegrity structure) est composée de deux couronnes de 28 cellules bipyramidales chacune (voir encadré). Le montage et l’assemblage de ces cellules ont été directement effectués sur le site. D’abord, les poutres radiales ont été mises en place et étayées dans leurs positions finales. Ensuite, ce fut l’assemblage des composants de chacune des cellules : montage des vérins tenseurs au milieu des poutres et leur étalonnage, entretoisement par les 2 x 28 poutres tangentielles, installation des mâts centraux et de leur 2 x 4 tirants, puis mise en place des réseaux de câbles inférieurs porteurs et des tirants supportant la couronne centrale. Les nœuds supérieurs des cellules ont été coiffés d’une coupole évitant à la membrane inférieure de s’endommager sur les têtes des mâts lors de sa mise en place ou en situation cou­rante. À la fin de ces séquences de montage, la structure était stable et les systèmes d’étayage ont pu être démontés.

Des membranes étanches gonflées pour être stables

Constituées d’un tissu en fibres de polyester recouvert d’une couche de PVC classé au feu B1, les membranes souples résistent à des tensions de l’ordre de 100 kN/m. La couche de PVC est elle-même enduite d’un topcoat qui lui confère une bonne résistance aux rayons ultraviolets et facilite son entretien au fil du temps. Les deux membranes sont amarrées à la charpente métallique sur le tube extérieur – de 406,4 mm de diamètre – de la poutre de chaînage général du bâtiment. « La structure porteuse (tensegrity system) nous a donné la base de départ pour la recherche de la forme de la membrane », explique Benoît Fauchon, directeur commercial export de Covertex. Prenant en compte les facteurs neige et vent et poids propre, un programme informatique conçu pour le calcul des membranes a modélisé la couverture en intégrant le modèle 3D de la structure métallique issu du logiciel de conception. À partir de ce modèle, les formes des différents lés ont été transmises directement à la machine de découpage. Les lés ont ensuite été soudés par des machines haute fréquence pour former une toile de 5 000 m2 pesant 7,5 tonnes. Le schéma de montage a été étudié avec l’entreprise responsable de la structure afin de prendre en compte tous les facteurs statiques et dynamiques, tant de la structure porteuse que de la membrane. La météo a joué un rôle primordial car la pluie ou le vent pouvaient gêner le montage. L’installation a commencé par la membrane inférieure qui a été mise en place en cinq jours. Celle-ci repose sur la charpente métallique et sur la couronne centrale et ses tirants de suspension. La géométrie des découpes a été calquée sur celle de la structure. Les soudures suivent le réseau de câbles et s’harmonisent avec l’architecture. Trois jours ont suffi au montage de la membrane supérieure, le travail étant facilité par la présence de la membrane inférieure sur laquelle il était possible de se déplacer. Les membranes obtiennent leur stabilité par tension. Compte tenu de la grande taille de la couverture, et cela sans appui central, cette tension est produite par un système pneumatique. La pression intérieure entre les membranes est réglée entre 370 et 1000 Pa en fonction du poids de la neige. Ce réglage est automatique grâce aux capteurs placés à l’intérieur des membranes. Ces derniers surveillent le déplacement de la membrane supérieure et insufflent plus d’air dans le cas où la neige vient à peser sur le toit. De la même manière, une trappe de dépressurisation s’ouvre automatiquement lorsque la pression interne devient trop importante. Vu la taille des membranes et des pressions relativement élevées, un réseau de 28 câbles radiaux, posés sur la membrane, maintient la couverture. Pour reprendre tous les efforts, le câble central circulaire a un diamètre de 80 mm et une longueur de 30 m. En raison de son poids particulièrement conséquent – 3 tonnes –, il fut posé à l’aide d’un hélicoptère.

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