L'ETFE au cœur de procédés de construction …
L’ETFE comme matériaux de construction, de plus en plus d’ouvrages conçus s’ornent d’une enveloppe composée de très fines membranes en ETFE. Utilisées comme enveloppes dans des toits et des murs dans le cadre de la physique du bâtiment. Grâce au matelas d’air isolant entre les couches, on obtient d‘excellentes propriétés calorifuges. Un poids propre extrêmement faible et une grande solidité du matériau permettent d’obtenir de grandes étendues et de planifier de larges surfaces traversées par la lumière, assorties des contours les plus divers.
Le Stade olympique de Munich, en Allemagne, a jeté les bases de l’ETFE, créé en 1970 par la firme DuPont de Nemours sous la marque commerciale Tefzel. Matériau semi-cristallin, il permet une alternative au verre.
D’évolution en évolution, les membranes proposent le principe de la courbure inverse (construction anticlastique), générant ainsi une forme claire leur confére une prétension. Ces enveloppes textiles monocouches servent de protection contre le vent et les intempéries, celles-ci étant en règle générale mécaniquement précontraintes.
Ce matériau ETFE (éthylène- tétrafluoréthylène), tiré du spath fluor se prête de manière idéale à la réalisation de ces opérations. Au cours des trente dernières années, on a réalisé à travers le monde diverses enveloppes de bâtiments remarquables et exigeantes en termes d’architecture avec des coussins en ETFE.
Vector Foiltec, spécialisé dans la fabrication de ce matériau, conçoit depuis près de 25 ans, ces feuilles en matières synthétiques fluorées. Elle soumet ces feuilles à des tests d’exposition avec des agents atmosphériques naturels et artificiels, constatant qu’à ce jour, elles n’ont subi aucun changement significatif.
Vector Foiltec, dans le cadre des ces tests, tient en particulier également compte de rayonnements ultraviolets élevés et de très fortes pollutions de l’air.
Véritable alternative au verre, l’ETFE est transparent et résistant aux rayonnements ultraviolets et ne contient pas d’additifs chimiques supplémentaires
Recyclable, les produits fabriqués en ETFE peuvent être de nouveau intégrés dans le processus de fabrication. Grâce à leur composition, les membranes ETFE ont un état de surface anti-adhésive, les feuilles Texlon® se sont avérés être autonettoyantes, même des encrassements tenaces comme les excréments d‘oiseaux sont nettoyés par des conditions de pluviométrie.
Sur le plan technologique, les caractéristiques de prétension pneumatique sont réalisés grâce à un processus d’air à basse pression empêche un battement ou un tremblement des feuilles et confère aux coussins une forme stable.
Via un bourrelet, les coussins sont ancrés de manière circulante dans un profil en métal léger. Ce profil, vissé sur une construction primaire, constitue un cadre sur lequel le coussin est fixé.
Le modelage de ces coussins varie à l’infini comme le montrent par exemple les formes élémentaires triangulaires et en forme de losange dans le toit voûté du DomAquarées de Berlin ou les coussins arqués au-dessus de l’égoût des eaux de pluie de la Kensington Academy de Liverpool. Les coussins sont soudés par voie thermique à partir de bandes. Les feuilles sont utilisées avec une épaisseur qui se situe entre 100 μm et 250 μm.
DomAquareé-Berlin
Le calcul de ces coussins s’effectue sur la base de la théorie des membranes. Des coussins très allongés et plans à partir d’un rapport de côtés d’environ l/b > 2 évacuent surtout la charge par l’étendue courte et peuvent être mesurés comme cas particulier grâce à un calcul bidimensionnel. En règle générale, il convient de procéder à des considérations tridimensionnelles selon la méthode FEM [méthode des éléments finis] afin de pouvoir évaluer le comportement de la portée des coussins sous différentes sollicitations avec suffisamment de précision.
Kensington Academy-Liverpool
Fabriquée avec une faible montée initiale, la feuille prend sa forme élémentaire sous l’effet de la pression intérieure de par exemple 200 Pa (système de basse pression).
L’impact de charges sur une courte période a pour effet qu’une charge continue à s’exercer sur une feuille alors que la feuille d’en face est déchargée, donc de manière analogue à une liaison croisée faite en câbles précontraints. Si l’impact extérieur dépasse la somme de la prétension pneumatique d’environ du double, il n’y a plus qu’une feuille qui porte, celle-ci devant être mesurée à cette fin.
Dans le cas d‘un impact qui ne survient que lentement, par exemple de la neige, il faut admettre que l’air est lentement évacué du coussin si la charge dépasse la pression intérieure (pas de système fermé). Les deux feuilles sont directement superposées l‘une sur l’autre et participent à l’évacuation de la charge. En fonction de la géométrie et de l’inclinaison du coussin, il convient, le cas échéant, de tenir également compte de l’accumulation d’eau de fonte ou de pluie. Dans le cas d’une grande étendue, l’accumulation d’eau et/ou de neige ou de fortes charges de vent (par exemple, des pics de succion sur les arêtes) peuvent exiger le soutien des feuilles en ETFE par de fins câbles en acier.
Une accumulation d’eau peut se produire si de la neige fond et que la pluie apporte encore des quantités d’eau supplémentaires. En cas de survenue de l’incident « défaillance de la pression intérieure du coussin », il est également possible que de l’eau de pluie s’accumule dans des coussins qui ne sont pas sous pression. Si dans le cadre du calcul l‘on en tient compte de manière correspondante, l‘accumulation d‘eau n’est qu’un état court et temporaire. Dans le cas d’une alimentation active en pression, le coussin retrouve sa forme et l’eau est évacuée. Il est cependant recommandé d’incliner les coussins de feuilles de quelques degrés. Ainsi il est possible d’éviter ou de réduire de manière suffisante l’accumulation d’eau.
On a en partie également recours à des drainages forcés dans les coussins. Mais cette pratique n’est cependant pas souhaitable au-dessus de pièces fermées, la fiabilité étant, entre autres, compromise par la présence de feuilles, de glace ou d‘autres matières solides.
Les connexions du comportement non linéaire des coussins sont illustrées par l’exemple du toit recouvrant la cour intérieure du bâtiment qui se trouve sur le Sandtorkai à Hambourg. Si la flèche augmente, la force portante croît de manière surproportionnelle. Les forces de traction marginales augmentent de manière proportionnellement inférieure.
Les profils de fixation et l’ossature porteuse sous-jacente doivent être mesurés pour les effets s’exerçant de manière verticale par rapport à l’axe du coussin et les forces d‘ancrage qui s’exercent de manière parallèle par rapport à l’axe du coussin et qui en fonction de la géométrie avec les forces déflectrices en résultant proviennent de la feuille et des câbles. Ce faisant, la pression intérieure provoque déjà l’apparition de forces de traction marginales, celles- ci se trouvant en outre augmentées par des charges extérieures. Bien souvent, les forces provenant de coussins voisins se trouvent en équilibre, de telle sorte qu’en règle générale seuls les cadres des champs marginaux doivent entièrement absorber les forces de traction en plus des charges extérieures.
Si l’on considère la stabilité statique, il convient également d’examiner l’incident dans le cas duquel un ou plusieurs coussins sont sans pression (par exemple, dans le cas d’un endommagement de la feuille par une tempête). Ce scénario doit également être pris en compte lors du calcul de l‘ossature porteuse primaire. En raison de la ténacité et de la solidité élevées du matériau ainsi que des réserves du système porteur analogue aux membranes, une flèche agrandie ayant pour conséquence une plus grande force portante, la résistance de la structure porteuse primaire sera en règle générale décisive pour la stabilité statique du bâtiment.
Dans le cas de certaines exigences adressées à l’enveloppe, le choix d’un système à haute pression peut également s’avérer judicieux, l‘effondrement des coussins sous des charges de service étant évité ici par une prétension pneumatique nettement plus élevée. Mais en règle générale, ce système exige cependant une plus grande quantité de matériau, entraîne des frais d’exploitation plus élevés et est plus exigeant en termes de pilotage et de densité.
Pour les épaisseurs de feuilles actuellement usinables et en fonction de la situation et de l’effet, il est possible d’obtenir des largeurs de feuilles pouvant aller jusqu’à 4,0 m sans renforcement supplémentaire des câbles. Ce faisant, la longueur des coussins ne connaît presque pas de limites.
Contrairement au verre, il est aisé de réaliser des courbures, des distorsions et des gauchissements. Pour des raisons géométriques, il est uniquement judicieux de réaliser des courbures jusqu’à une certaine mesure, ce fait ne revêtant cependant aucune importance en termes de pratique de construction. Des coussins carrés, à plusieurs angles ou ronds avec une évacuation de la charge à deux axes permettent bien entendu d’obtenir de plus grandes étendues. Également ici, une disposition, au moins légèrement inclinée des coussins s’avère être ingénieuse.
La conception de l’ossature porteuse primaire doit y être adaptée. Comme les coussins disposés dans le sens de l’épaisseur sont également dotés d’une certaine extension, il est souvent approprié d’utiliser le concept de supports qui s’entrecroisent et qui sont disposés sur deux couches.
En raison du fait que les profils ne s’interpénètrent pas, il est plus facile d’exécuter les connexions. Bien souvent, les forces de traction excentrées provenant de la feuille ne sont pas décisives pour mesurer la connexion. En raison de la souplesse des coussins et de la conduite flexible des soudures, les coussins peuvent être fabriqués pour les formes les plus diverses, laissant ainsi une grande marge pour un aménagement créatif. Même dans le cas d’un montage sur des structures porteuses souples et sous-tendues ou de coussins directement fixés sur les câbles, il est possible d’obtenir des enveloppes de bâtiments durables et étanches.
Le plus souvent, les systèmes de feuilles Texlon® sont utilisés pour des toits et des façades transparents d‘édifices exigeants en termes d‘architecture. En raison de la perméabilité de la lumière ultraviolette, leur utilisation sous forme de revêtements pour des piscines ainsi que dans des jardins zoologiques et botaniques est largement répandue.
L’impression ou la coloration des feuilles permet de gérer l’incidence de la lumière. Pour plusieurs feuilles par coussin et une impression décalée, le pilotage pneumatique permet d‘exercer une influence ciblée sur la projection d’ombre et de la modifier à brève échéance.
Avantages par rapport à la technique de la construction en verre
• faible poids du système (particulièrement avantageux dans le cadre d’une construction sur des bâtiments existants)
• plus grandes étendues = surface transparente/translucide plus grande
• modelage 3D libre
• insensible à la déformation, se prêtant ainsi de manière idéale à des ossatures porteuses cinématiques à câbles • coloration libre et impression graphique riche en détails
• faible besoin en termes de nettoyage
• perméabilité élevée aux rayonnement ultraviolets
• très bonne acoustique de salle avec de courtes durées de réverbération
• structures porteuses primaires légères et variées
Inconvénients
• très faible insonorisation
• maintenance de l’alimentation en air comprimé
On atteint des coefficients de transmission de chaleur entre 2,94 W/m2K pour des coussins à deux couches et 1,18 W/m2K pour des coussins à cinq couches. Des feuilles à coloration translucide (effet de verre opale) se prêtent également particulièrement bien à une architecture de lumière moderne qui peut aller jusqu’aux façades de médias DEL, compatibles avec des vidéos (Texlon® flexipix). Entre-temps, les propriétés calorifuges des profils de fixation ont été considérablement améliorées.