Architecture des structures | Technologie des enveloppes
Passerelle piétons et cycles franchissant deux voies ferrées sur une portée de 45m.
La structure en poutre treillis métallique de type Pratt possède une hauteur statique d’environ 3m, et intègre toutes les fonctions pour franchir le faisceau ferroviaire en toute sécurité.
La passerelle est prolongée par une pergola végétalisée, qui créé un tunnel de verdure entre les deux rives.
Passerelle pour piétons et cycles reliant deux parties du Ralph C. Wilson Jr Centennial Park à Buffalo.
Passerelle pour piétons et cycles franchissant la rivière Assiniboine au cœur du centre-ville de Winnipeg.
Projet de rénovation des coupoles textiles de la Cité des Sciences et de l’Industrie de Paris, et remplacement des oculus verriers par des coussins en ETFE.
Le chantier de remplacement des coupoles textiles et des verrières de la Cité des Sciences et de l’Industrie démarre.
Après plusieurs mois d’études pour affiner les méthodes et concevoir les détails de tous les éléments remplacés, ces travaux exceptionnels, en site exploité, peuvent commencer. Ce sont plus de 2 millions de visiteurs qui circuleront sous nos installations de chantier.
La première étape consiste à installer les échafaudages et les bâches de protection qui nous permettront d’isoler nos travaux du reste du musée, au cœur même de l’édifice.
Ensuite, l’objectif est simple : remplacer les éléments usés par 34 ans de bons et loyaux services, en améliorant les performances thermiques de l’enveloppe, tout en maximisant l’apport de lumière naturel dans le hall du musée. Tout ceci sur une surface de 2000 m².
« Depuis le hall d’accueil, en levant les yeux, vous découvrez le volume colossal de l’ancienne salle des ventes jusqu’à la toiture. Adrien Fainsilber a créé à l’intérieur de la Cité des sciences et de l’industrie une énorme ouverture après suppression des structures internes du bâtiment existant. La lumière naturelle pénètre ainsi largement à l’intérieur du bâtiment, notamment par deux coupoles de 17 mètres de diamètre. »
Extrait de l’audioguide « Architecture et histoire de la Cité des sciences et de l’industrie », mis à disposition des visiteurs par la Cité des Sciences et de l’Industrie.
La toiture de l’accueil de la Cité des Sciences et de l’Industrie à Paris, formée de deux ouvrages symétriques en toile, acier et verre, est située à l’aplomb du hall central qui dessert l’ensemble des activités du musée. Elle mesure environ 2160 m² en plan. Trois grands éléments composent chacun des deux ouvrages : une tenségrité en acier suspendue au bâtiment, une verrière circulaire portée par la tenségrité et une couverture textile à laquelle la tenségrité sert également d’appui. La couverture textile est formée de deux hyperboloïdes centrés sur les verrières. Ils sont joints entre eux par une forme de selle, constituant ainsi une seule grande surface anticlastique.
En 1970, la construction de la salle des ventes et d’abattoirs en route depuis plus de dix ans est brutalement arrêtée. Il faudra encore seize ans pour que le bâtiment abandonné à moitié achevé soit reconverti en Cité des Sciences et de l’Industrie, dédiée notamment à la créativité et à l’innovation, comme l’a voulu son premier président, le physicien Maurice Lévy. Dans la transformation du bâtiment par l’architecte Adrien Fainsilber, deux ouvrages singuliers émergent, les serres bioclimatiques qui font face au parc de la Villette et les deux coupoles qui éclairent le hall central, véritable fédérateur du musée.
Les coupoles ont été fortement endommagées en 1990, lors d’une tempête qui a soulevé et brisé une partie des verrières. Le projet initial prévoyait la rotation des coupoles pour suivre la course du soleil. Les rayons étaient dirigés dans l’atrium par le biais de miroirs intérieurs eux-mêmes orientables. Ces miroirs, partiellement brisés par la chute des verres des coupoles ont été déposés en 1991. La dimension héliotropique du projet a été oubliée, les coupoles bridées provisoirement en rotation, un filet de protection tendu en sous-face de la coupole, vingt-cinq ans ont passé.
Aujourd’hui, il a été décidé de rénover les coupoles en préconisant un certain nombre de produits, de dispositions et de travaux. Le traitement de la lumière, naturelle et artificielle, des coupoles est leur raison d’être. Dans le respect des « modèles d’énergie et de lumière », tout à fait en avance sur leur temps, de Peter Rice et de RFR, le maître d’ouvrage a choisi de remplacer les deux toiles initiales par une toile Tensotherm dont la transmission lumineuse est particulièrement intéressante à cet égard, et remplacer les verrières par des membranes gonflables en ETFE.
La principale difficulté de ce chantier a été de répondre à cette question : comment remplacer 2000m² de toile qui couvrent l’atrium central d’un musée fréquenté par plus de 2 millions de visiteurs par an, sans jamais fermer l’établissement ?
Pour cela, nous avons mis au point une opération en trois grandes étapes : la rénovation de la coupole ouest, la rénovation de la coupole est, et enfin le remplacement de la toile. Toutes ces étapes nécessitent des méthodes adaptées, entre travail à la corde ou depuis une plateforme suspendue, et livraison de la toile de remplacement par hélicoptère.
La rénovation portera sur les éléments suivants :
L’ultime étape consiste à remplacer la toile extérieure en une seule opération, après avoir héliporté la nouvelle toile sur le toit du bâtiment.
L’enveloppe initiale de l’atrium était composée de deux toiles, intercalées d’un isolant thermique. L’isolant a été déposé en 1991, à la suite de l’endommagement de la toile extérieure lors d’une tempête. Ces deux toiles vont être remplacées par une seule toile, le Tensotherm, constituée d’un sandwich toile/isolant/toile, d’une épaisseur totale inférieure à 10mm. Ce procédé innovant, breveté et produit par Birdair, est le fruit de l’assemblage de deux toiles en fibre de verre avec enduction PTFE, et d’un feutre aérogel de 8mm. Outre sa très grande pérennité, ses relativement bonnes propriétés thermiques (U=1,16 W/m².K), ce produit a été retenu pour sa capacité à diffuser la lumière, avec une transmission lumineuse d’environ 4%.
L’effet sera saisissant, et la lumière qui entrera dans le musée sera beaucoup plus homogène qu’aujourd’hui. Birdair a réalisé une rénovation similaire en 2014, au Talisman Centre de Calgary, en remplaçant la toile PTFE de 1983 par une toile Tensotherm. Le gain de lumière est manifeste.
A la Cité des Sciences, les verrières d’origine étaient couvertes par des verres feuilletés de 1,60 x 1,60m. Après la tempête de 1991, les verres ont été divisés, en ajoutant des profils aluminium intermédiaires, pour obtenir une trame de 0,80 x 0,80 m.
SPAN et Taiyo Europe ont proposé de maximiser la transparence des verrières, en réduisant le nombre de poutres métalliques et en augmentant la portée des éléments de remplissage. La réduction des éléments métalliques ne s’arrête pas à la suppression des profils en aluminium ajoutés en 1991, mais concerne aussi toutes les traverses et la moitié des poutres treillis. Ces adaptations permettront d’installer 5 grands coussins en ETFE à 4 couches. Outre le gain de transparence apporté par la forte réduction des éléments métalliques, les coussins ETFE présentent une transmission lumineuse importante (TL = 0,70), et une isolation thermique deux fois meilleure que la verrière actuelle (Ug = 1,5 W/m².K).
Au cours des études, SPAN et Taiyo Europe ont développé une solution alternative pour le remplacement des verrières : une lentille formée d’un coussin unique de 16 m de diamètre.
Cette solution aurait permis de supprimer l’ensemble des poutres treillis de la structure existante, le coussin ne nécessitant d’ancrage que sur sa périphérie. La forme circulaire des verrières était idéale pour cette solution, car les charges appliquées au coussin sont distribuées sur sa périphérie, reprises facilement par la structure annulaire existante.
La vision vers le ciel aurait été presque directe, le coussin ne nécessitant qu’un réseau de câbles très fin, pour résister aux intempéries en cas de dégonflement accidentel.
A notre grand regret, cette solution n’ayant pas été prévue dans le budget initial de l’opération, le maître d’ouvrage n’a pas souhaité s’engager dans cette voie.
Passerelle piétonne de 44m de long, 3,5m de large.
Structure mixte acier / béton. Épaisseur du tablier : 15cm. Hauteur statique de la poutre treillis : 1,3m.
Structure en bipoutre avec structure sur le tablier, travées balancées sur des béquilles intermédiaires. Portées de 11, 22 et 11m.
La passerelle est une structure mixte acier-béton, constituée d’une dalle en béton armé qui sert de tablier et de deux treillis latéraux, situés de part et d’autre du tablier béton, dans la hauteur des garde-corps. La structure de franchissement ainsi formée est une poutre retroussée en forme de « U » dont la membrure inférieure est le tablier en béton. Sa membrure supérieure est constituée de deux ronds en acier qui font aussi office de main courante. L’âme de la poutre est formée par des barres carrées en acier diagonales disposées dans la hauteur du garde-corps. Les parties métalliques sont assemblées par soudure, la liaison acier-béton est assurée par des connecteurs, à la façon d’un pont bipoutre conventionnel.
La poutre en « U » porte sur trois travées définies par les deux culées et deux appuis en béquille encastrées en tête et articulées en pied. Les appuis en béquille sont disposés de façon que les portées intérieures et extérieures soient équilibrées. Cette disposition permet de maintenir les travées en encorbellement depuis les béquilles, pour obtenir une compression de la membrure inférieure en béton, et une traction de la membrure en acier.
La passerelle au nord d’Arras doit permettre aux piétons de franchir la Scarpe, entre le chemin de hallage au nord, et un plateau arboré au sud, situé environ 4m plus haut. Le franchissement doit aussi respecter le gabarit de navigation, pour permettre un jour aux péniches de circuler sur le canal. L’ouvrage doit être accessible à tous les usagers, ce qui signifie que les pentes doivent être les plus faibles possibles. La réponse que nous apportons est la création d’un sol continu, qui s’élève doucement depuis le chemin, trouve son apex au-dessus de la rivière, et redescend progressivement vers le plateau arboré.
La partie qui s’élève doucement depuis le chemin est constituée d’une rampe en pente. La partie qui franchit la rivière est constituée d’une poutre, appuyée de part et d’autre sur des culées.
Lorsqu’une poutre simple fléchi, sa partie supérieure est comprimée, et sa partie inférieure est tendue. La plupart des ponts dit « bi-poutre » fonctionnent selon ce principe. Les poutres latérales en acier, qui travaillent bien en traction, sont situées dessous, et le tablier en béton, qui travaille bien en compression est situé dessus. La plupart du temps ces poutres sont des I, à âme pleine.
Dans notre cas, l’ouvrage à construire n’est pas un pont, mais une passerelle piétonne, qui franchit une petite rivière, dans un site paysager. La légèreté et la transparence s’imposent donc, pour ne pas superposer une grande poutre inférieure, un épais tablier, un garde-corps et son remplissage. L’idée première est donc de combiner la poutre structurelle et le garde-corps, et de l’ajourer au maximum : économie de matière, et surtout réduction drastique de l’épaisseur à imposer à travers le paysage. Pour que ce schéma fonctionne, il faut donc que la poutre structurelle se trouve en partie supérieure.
En outre, le but de notre ouvrage est de franchir la Scarpe en libérant un tirant d’air suffisant. Toute structure disposée sous le tablier augmenterait donc la hauteur à atteindre pour l’ouvrage, et donc la longueur de la rampe. Il est donc crucial pour minimiser l’impact sur le site environnant, de placer la structure au-dessus du tablier.
Le tablier en béton est en bas, et la poutre en acier est en haut. Il faut alors s’écarter du schéma traditionnel de poutre simple, pour aller vers un schéma qui garantisse un effort de traction en permanence dans la poutre supérieure, et un effort de compression dans le tablier inférieur. Pour cela, la longueur totale du franchissement a été recoupée en soutenant le tablier à l’aide de béquille. La disposition d’un appui intermédiaire au milieu d’une poutre engendre un moment négatif à cet endroit : la poutre ne peut plus fléchir au point d’appui, ce sont ses deux extrémités qui fléchissent. Le schéma initial est donc inversé, la partie basse est en compression, et la partie haute en traction. Les matériaux choisi (acier et béton) travaillent donc dans leur domaine d’emploi privilégié. Encore un point pour la légèreté et la finesse, le tablier ne fait que 15 cm d’épaisseur.
Pour éviter toute inversion des signes des efforts, la position des points d’appuis n’est pas choisie au hasard. Les béquilles recoupent la portée globale en son premier et dernier quart. Les travées sont donc balancées : 1/4 – 1/2 – 1/4 (11 m, 22 m, 11 m). Les piles sont ensuite inclinées, pour fonder leurs appuis sur les berges, et ne pas impacter la rivière.
Pour résister à des efforts horizontaux, et pour limiter les déformations de l’ouvrage, il est nécessaire de conserver une continuité du tablier. Toutefois, la membrure supérieure est interrompue à l’axe de l’ouvrage. L’inertie de la poutre en treillis est donc subitement réduite à celle du tablier seul, constituant ainsi une articulation. Le moment fléchissant est alors forcément nul au centre de l’ouvrage, garantissant que les efforts ne changent pas de signe le long de la poutre (la membrure haute est en permanence en tension, la membrure basse en compression).
L’âme de la poutre est ajourée le plus possible. Les diagonales du treillis, nécessaires pour transférer les efforts entre les membrures supérieure et inférieure, sont disposées en fonction des besoins : elles sont denses vers les appuis, où les efforts de cisaillement sont maximums, et plus rares aux extrémités, où les efforts sont moindres.
Dans ce type de treillis, sans montants, certaines diagonales, inclinées dans le sens de la flexion globale, sont tendues. Les autres sont comprimées. Le choix est fait d’utiliser les sections les plus fines possibles, identiques pour chacun des deux fonctionnements. Les diagonales tendues sont donc dimensionnées pour reprendre la traction maximale qui s’applique sur elles. Pour les diagonales comprimées, la situation la plus préjudiciable est celle de l’instabilité de la barre par flambement. Afin de pouvoir utiliser la même section pour ces barres, il a été décidé de doubler les barres, ce qui permet de réduire l’effort de compression repris par chaque barre individuelle, et de connecter ces barres au centre à la diagonale tendu qui les croise. Ce point de jonction réduit la longueur de flambement par 2, ce qui rend ces barres comprimées très stables.
La membrure haute du treillis est aussi dédoublée, pour limiter l’encombrement de la section, et réduire son impact visuel. La membrure intérieure fait office de main courante, la membrure extérieure permet de fixer la maille métallique de remplissage du garde-corps.
Aucun accessoire ni aucun réseau ne chemine sur la passerelle, celle-ci n’est donc dimensionnée que pour son usage de traversée de piétons.
Conception de la verrière du nouveau pôle d’échange de la gare de Strasbourg.
