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Une grande légèreté associée à la transparence

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Une grande légèreté associée à la transparence

Les sept pavillons du pôle de loisirs et de commerces de Lyon Confluence (69) sont recouverts par deux grandes toitures translucides en coussins ETFE, mis en œuvre par Seele Cover pour une surface totale dépassant 22 500 m2. Les calculs conduits par le BE Arcora ont conduit à des épaisseurs des films des coussins de 200 µm dans les zones courantes de la toiture et de 300 µm dans les zones de rive. La couche supérieure des coussins est sérigraphiée avec opacité à 50 %, avec des points blancs de diamètre 16 mm. (Doc. Seele Cover - Architecte : Jean-Paul Viguier) Les coussins de la toiture de ce parking munichois intègrent des modules photovoltaïques Fuji de 46 W en cellules amorphes. Sa puissance totale est de 142 kWp. Les coussins sont composés de trois couches avec sérigraphie argentée sur les couches inférieures. Les cellules fixées sur la couche médiane sont protégées des éléments extérieurs, de même que les câbles et connecteurs. La réduction de la variation de température garantit un rendement plus fiable et constant de cette réalisation de Taiyo Europe finalisée en octobre 2011. (Doc. Taiyo Europe)

La mise sous pression de coussins gonflables est indispensable pour exploiter les remarquables performances mécaniques des membranes en ETFE, un plastique transparent développé à l’origine pour l’aérospatiale qui s’avère indispensable dans ce type de couverture.

Apparues depuis de nombreuses années en couverture de bâtiment (piscine, gare…) ou de patio et atrium, les couvertures gonflables combinent isolation thermique, résistance, légèreté et transparence. Elles sont généralement réalisées à partir de films en ETFE dont la durée de vie est supérieure à trente ans.

Développé à l’origine pour l’aérospatiale, ce fluoropolymère thermoplastique offre une très bonne résistance mécanique et à la déchirure évaluée à 400 N/mm2, ainsi qu’à la chaleur et une résistance aux UV supérieure à vingt-cinq ans. Ces membranes peuvent être utilisées en simple couche dans une structure, à condition d’être pré-tendues avec des ressorts et stabilisées avec des câbles en acier.
Du fait de la grande élasticité du matériau, il est préférable de le mettre en œuvre en coussins gonflables composés de deux à quatre couches étanches, mis en légère surpression, sertis dans des cadres aluminium et fixés sur une structure précontrainte.
Le gonflage améliore les propriétés isolantes de l’enveloppe et aide à répartir les efforts. La résistance aux effets de charge du vent est accrue. Son grand atout par rapport à une verrière pour une utilisation en couverture réside dans sa légèreté. Sa densité est de 1,75 g/cm3, contre 2,5 pour le verre. Conjuguée à sa très faible épaisseur, la membrane en ETFE est cent fois plus légère que le verre à performances égales. Son poids peut être négligé dans les calculs statiques de structures. Avec les cadres alu de l’ossature des coussins, le poids d’une telle couverture avoisine les 1,5 à 2 kg/m2, montant exceptionnellement jusqu’à 5 kg/m2. Léger et autoportant, chaque coussin peut atteindre des longueurs de 40 à 60 mètres pour une largeur maximale de 4 à 5 mètres. Avec l’aide de renforts comme des filets de câbles, le rayon de courbure des coussins peut être réduit, ce qui permet d’augmenter sa portée. La légèreté est aussi un avantage pour le transport et la pose des coussins qui sont livrés roulés.
Visuellement, tant l’ossature que la structure porteuse d’une couverture gonflable sont plus fines et moins présentes que dans le cas d’une verrière classique. Conçue et fabriquée sur mesure, la couverture gonflable offre une grande liberté de formes tridimensionnelles. À noter cependant que l’usage des ouvrants, qui requiert un renforcement des cadres, est peu pratiqué et nécessite des études spécifiques. L’adaptation à toutes sortes de formes organiques et fluides fait de la couverture gonflable une solution présentant un intérêt pour les opérations de prestige, mais aussi en rénovation. En effet, ce type de couverture s’adapte très facilement aux irrégularités d’une structure existante. Avec une pose facilitée et une ossature allégée, le coût d’une couverture gonflable peut être jusqu’à trois fois inférieur à celui d’une couverture traditionnelle.

De bonnes performances globales

L’ETFE est un matériau qui cumule les bons points, mais qui répond de manière minimale aux exigences de la RT 2005. Le coefficient Ug de transmission thermique d’un coussin gonflable composé de deux feuilles avoisine les 3 W/m2°K, avec trois feuilles se trouve proche de 2 W/m2°K, et avec quatre feuilles sa valeur descend à 1,5 W/m2°K. C’est plus performant qu’un double vitrage classique, mais sans atteindre les performances des doubles vitrages à faible émissivité, dont l’Ug est à 1,1 W/m2°K. Le fait de nécessiter moins de cadre avec l’ETFE aide aussi à obtenir de bonnes qualités thermiques, surtout si la rupture thermique au niveau des cadres est assurée par une garniture en silicone.
Sur le plan acoustique, comme la masse volumique de l’ETFE est négligeable, ce matériau est acoustiquement transparent et se caractérise par une absence de réverbération. Version thermo- plastique du Téflon, la membrane possède un fort pouvoir antiadhésif qui permet aux salissures d’être naturellement lavées par la pluie. Sans entretien particulier, les coussins gardent leur propreté et leur transparence. Enfin, ce matériau est neutre électriquement, peu combustible et écologique à fabriquer, d’autant que les chutes résultantes de la découpe des lés peuvent être recyclées. Enfin, la membrane n’émet pas de composés toxiques pendant sa durée de vie. En revanche, les profilés en alu sont énergivores à fabriquer, mais leur poids rapporté à la surface de la couverture est réduit par rapport à celui d’une verrière classique.
La transparence en lumière visible de ce matériau semi-cristallin est de 92 % pour deux feuilles et de 85 % pour quatre feuilles.
Les couvertures gonflables sont donc appréciées pour les atriums de bâtiments (logements, restaurants, écoles, hôpitaux, bureaux, centres commerciaux...), ainsi que pour des couvertures de grande portée à destination des jardins botaniques, jardins d’hiver, serres, zoos ou centres de loisirs tels que le CenterParcs en Moselle, ou le Vitam’Parc, à Neydens près de Genève. Bien implantée en Angleterre et en Allemagne, la technique demeure encore confidentielle en France. Elle nécessite des études sur mesure, souvent des essais et un savoir-faire spécifique à la pose, d’autant que l’enveloppe fonctionne avec un réseau de soufflage garantissant une surpression permanente, dont la consommation électrique est heureusement très faible.

Un matériau conçu pour l’espace

Quelques projets phare ont assuré la promotion de l’ETFE cette dernière décennie, en particulier les dômes de deux serres du projet Eden en Angleterre (Cornouailles, 2000), l’enveloppe du stade Allianz Arena (Munich, 2005) réalisé par les architectes Herzog & de Meuron pour la coupe du monde de football de 2006. Deux réalisations emblématiques ont aussi marqué les JO de Beijing en 2008, le « Nid d’oiseau » du Stade olympique (38 000 m2 de membrane simple couche) et le Cube d’eau (ou Centre national de natation) avec ses 3 000 coussins ETFE en forme irrégulière de bulles.
À l’origine l’ETFE (Éthylène tétrafluoroéthylène) a été créé par DuPont de Nemours pour la Nasa qui souhaitait un matériau transparent très résistant. Il peut être fabriqué avec une épaisseur variant entre 80 et 300 µm, mais en architecture, son épaisseur varie de 100 à 250 µm, suivant les besoins. Par exemple, la couche intérieure pourra être d’épaisseur plus faible que la couche extérieure du coussin. Dans certaines réalisations, les matériaux utilisés sont mixtes. Ainsi, pour un parking, Canobbio a fabriqué des coussins gonflables en trois couches, une en membrane PVC (B7145 Sioen) pour le dessous et deux membranes ETFE pour le dessus.
Les films ETFE commercialisés peuvent être transparents, blancs, sérigraphiés ou dépolis comme chez Buitink Technology, partenaire en France de la société bordelaise High Point. En pratique, il est assez courant d’avoir au moins une des couches du coussin sérigraphiée, afin de réduire l’apport solaire à 45 ou 50 %, avec des impressions décoratives ou une trame de points gris. Les films sont découpés en usine d’après le modèle 3D, assemblés par thermo-soudage et livrés roulés. Sur le chantier, les membranes sont clipsées dans des profils fermés et boulonnés avant gonflage des coussins. Afin d’assurer la tenue en traction des membranes pincées, l’ourlet en ETFE en rive des coussins entoure une cordelette de moins de 10 mm de diamètre en polypropylène. Elle peut être complétée en option par une baguette de silicone transparente, afin d’écarter les deux films au point de pincement.

Des études tridimensionnelles

Les couvertures gonflables sont non- traditionnelles, et sont de préférence utilisées pour des opérations hors normes, avec des formes complexes, qui demandent une phase d’études assez longue. Il arrive que les formes et dimensions des coussins soient toutes différentes, par exemple dans le cas d’une réhabilitation où il faut s’appuyer sur une structure existante. Dans la conception, un élément important à prendre en considération est l’épaisseur de la couverture due au rayon de courbure des coussins, qui doit être suffisant pour optimiser la répartition des efforts de traction, principe de la bulle de savon. Le guide ETFE, édité par Buitink Technology, indique que « l’épaisseur des coussins est typiquement fonction de la largeur, soit deux fois 15 % de la portée de leur dimension la plus faible (30 %) ».
Les logiciels de dimensionnement et de calculs de structures utilisés sont spécifiques aux textiles, souvent développés en interne chez les fabricants comme pour Vector Foiltec. Buitink Technology, pour sa part, utilise le logiciel Easy d’analyses statiques de volumes textiles développé par Technet (Berlin) en partenariat avec le monde universitaire. « De même, le BE structures Arcora tire parti sur ce sujet de son savoir-faire historique en textiles constructifs, détaille son directeur général Vincent Moraël. Notre capacité à modéliser les membranes textiles et à étudier la forme de l’écoulement des eaux permet d’éviter d’alourdir avec des valves de sécurité. Pour cela, nous utilisons un logiciel développé en interne, Lisa ST qui sert à analyser les efforts sur des structures textiles, avec un moteur universitaire de calculs. » Habituellement, il est demandé à la structure de résister à une pression de vent normal inférieure à 1 200 Pa. Les coussins peuvent être renforcés avec l’ajout de poutre en poutre de câbles antineige en Inox revêtus d’ETFE, qui épousent la forme des coussins. Sinon, la structure métallique supportant les cadres et les coussins doit être conçue suivant les bonnes pratiques ayant cours en la matière, en prévoyant une capacité de libre déplacement (par exemple avec des bielles rotulées en tête de poteaux) et une consolidation des arches avec des tirants à haute résistance, en sous-tension et surtension.

Garantir la surpression

Le réseau d’air met sous pression indépendamment chaque chambre d’air entre 200 et 250 Pa. D’un diamètre d’environ 60 mm, les gaines principales en métal ou en PVC sont fixées à la charpente principale ou à la maçonnerie. Elles se ramifient en un réseau secondaire de tuyaux flexibles en PVC de 25 mm de diamètre qui raccordent aux valves des coussins vissés avec des rondelles d’étanchéité. Comme l’ETFE permet de concevoir une structure fine, il est préférable de ne pas l’alourdir avec de la tuyauterie. Une des options pour alléger le réseau de tuyaux d’arrivée est de mettre les coussins en série avec des flexibles. Chaque coussin est pourvu d’une seule arrivée d’air à une extrémité et possède un petit trou, afin de vider l’air et d’empêcher la condensation. Les besoins en ventilation sont faibles. Il s’agit essentiellement de compenser les défauts d’étanchéité. Le soufflage fonctionne par intermittence, avec mesure par sonde ou manomètre. Il se déclenche lorsque la pression (mesurée au dernier coussin de la série) tombe en dessous de 200 Pa. Le compresseur remonte alors la pression à sa valeur maximale à 250 ou 300 Pa. Le réseau d’air est alimenté en général par deux compresseurs avec déshumidification et filtre à air, un principal et un de secours. Les deux machines peuvent aussi fonctionner en alternance. La mesure de la pression au niveau des compresseurs permet de détecter la rupture d’un coussin. La mesure du vent et de la neige sert à actionner le débit du soufflage avec plus ou moins de pression en fonction des conditions météorologiques. Il est aussi bon de sécuriser le circuit électrique, afin d’éviter un dégonflage intempestif des coussins.
Naturellement non-combustible et avec une charge combustible extrêmement faible, l’ETFE est classé au feu selon l’Euro Class b s1 d0 (M2 selon Afnor). La membrane fond au-dessus de gaz de combustion chauds, pouvant entraîner la formation de trous par lesquels la fumée s’évacue, ce qui est plutôt favorable. En revanche, les ouvrants motorisés pouvant servir pour le désenfumage, ainsi que pour la ventilation naturelle, ne sont pas considérés comme standard. La présence de fenêtres à l’intérieur de la couverture n’est d’ailleurs pas prise en compte par l’Avis technique de Vector Foiltec. Dans un certain nombre d’ouvrages, la couverture gonflable est ouverte à ses extrémités, comme dans le cas des couvertures des centres commerciaux de Lyon Confluence (69), et de Tours « L’heure tranquille » (37). Le CenterParcs de Moselle est en revanche pourvu d’ouvrants de grandes dimensions au centre et aux extrémités, servant à la ventilation naturelle. Sur ce chantier, l’assureur a aussi demandé l’ajout d’un système de sprinklage, afin de protéger la structure.

Une mise en œuvre assez rapide

La légèreté des membranes facilite la pose qui s’opère de manière relativement classique à partir de dispositifs extérieurs de montages et de levages. Sur la charpente primaire ou la maçonnerie de l’ouvrage, est fixée la structure acier servant de support aux cadres alu. Des supports boulonnés de type platines ou pattes en T, accueillent les cadres en profilés en aluminium extrudé qui peuvent être anodisés ou laqués. Une précaution à prendre est d’éviter le couplage galvanique entre aluminium et acier. Les coussins sont déroulés et enfilés par pincement dans les profilés. Les cadres sont pourvus de rainures pour l’insertion du joint d’étanchéité en EPDM ou en caoutchouc nitrile. Habillant les lignes de jointement des coussins, des capots serreurs viennent se visser. Comme pour une verrière classique, les risques d’infiltration d’eau sont limités par la bavette d’étanchéité extérieure et par l’usage de profilés drainants. L’eau de pluie circule des coussins vers les profilés (ou les drains de la charpente), puis vers les chéneaux. « Un des points importants de la conception, assure Emmanuel Viglino, directeur de projet chez Arcora, est de prévoir la forme initiale des coussins et le dessin des pentes, de manière à pouvoir évacuer l’eau, même dans le cas d’un coussin crevé ou dégonflé. » Afin de garantir l’étanchéité du résultat, la pose doit être soignée lors du chevauchement des garnitures d’étanchéité au raccordement des profilés et lors du serrage des vis de fixation. Il est aussi bon de prévoir l’évacuation des éventuels condensats pouvant se former sur la face interne, en particulier en atmosphère humide lors de la présence de végétation ou de bassins. Les profilés sont alors pourvus de goulottes d’évacuation des condensats, qui descendent jusqu’en bas de l’ossature secondaire.
Lors de la première mise sous pression de la couverture, certains coussins peuvent être plissés du fait de différences entre la géométrie des profilés et la découpe des coussins. Ces coussins doivent être refabriqués. Enfin, il faut aussi penser à garantir l’accès pour la maintenance.

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