Le prototype de toit en béton créé par l’ETH Zurich sera refabriqué à l’identique sur le toit de l’immeuble du laboratoire NEST à Dübendorf (Suisse). © Block Research Group, ETH Zurich, Michael Lyrenmann

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Un toit en béton qui ne fait que 5 cm d'épaisseur

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Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé une méthode inédite pour concevoir des structures en béton ultrafines aux formes complexes. Leur prototype de toit de 160 m² ne fait que 5 cm d'épaisseur en moyenne.

  • Les structures architecturales complexes en béton nécessitent des coffrages sur mesure couteux et à usage unique.
  • Les ingénieurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich ont créé une technique de fabrication qui permet de réaliser des structures en béton très fines et multiformes en se servant d’un système de coffrage souple et réutilisable.

À bien des égards, le béton est un matériau étonnant. Sa résistance à l'usure du temps est incroyablement élevée, comme le montre le béton romain, et ses usages très variés. Et les progrès constants dans le domaine de la conception numérique et de l'ingénierie contribuent à nourrir l'audace des architectes qui peuvent aller vers des formes de plus en plus complexes sans renoncer aux structures en béton.

En témoigne la dernière innovation concoctée à l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) avec ce toit en béton aux formes courbes élancées. Réaliser une telle construction en béton n'est pas une prouesse en soi, cela s'est déjà fait. La performance tient à l'épaisseur qui mesure en moyenne 5 cm (de 3 cm sur les bords jusqu'à 12 cm sur les parties porteuses) et au fait que la structure soit autoporteuse. Résultat, ce toit dégage une impression de finesse et de légèreté assez bluffante. 

Un système de coffrage souple réutilisable à volonté

Sa conception a fait appel à des techniques de simulations numériques qui ont permis de créer une méthode de fabrication utilisant beaucoup moins de matériaux. Au lieu de recourir à un système de coffrages ou de mousses sur mesure à usage unique, les ingénieurs de l'ETH Zurich ont utilisé un réseau de câbles en acier tendus sur une structure d'échafaudage réutilisable. Ils ont ensuite recouvert cette toile d'un tissu polymère qui fait office de coffrage pour recevoir le béton. Plus économe en matériaux et réutilisable, ce procédé autorise aussi une grande complexité dans les formes.

Cette vidéo nous montre la construction du toit en béton selon la méthode développée par l’École polytechnique fédérale de Zurich qui s’est appuyée sur la simulation numérique pour concevoir une structure ultrafine grâce à un système de coffrage souple et réutilisable. © ETH Zürich

Un algorithme qui calcule la répartition de charge sur la structure a servi à déterminer la quantité exacte de béton à appliquer aux différentes parties du toit. Le béton lui-même a fait l'objet d'un traitement particulier afin de trouver une texture suffisamment fluide pour pouvoir être pulvérisé et damé selon une technique spécialement conçue pour l'occasion, tout en restant assez visqueux pour ne pas couler au contact du tissu polymère, notamment sur les zones verticales de la structure.

20 tonnes de béton projeté

Au final, ce toit de 160 m² (120m² de couverture effective) représente 20 tonnes de béton déposées sur une structure d'à peine 800 kg (500 kg pour la toile en câbles et 300 kg pour le textile polymère). Cette dernière est démontée une fois le séchage achevé et peut être réemployée sur un design totalement différent.

Une réplique de ce toit va servir à couvrir un appartement sur le toit situé au sommet du laboratoire Nest à Dübendorf dont se servent l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et l'Eawag (Institut fédéral de science et de technologie aquatiques). Un revêtement isolant ainsi que des serpentins pour le chauffage et le refroidissement seront intercalés entre deux couches de béton sur la partie intérieure du toit. La partie externe sera recouverte d'un film photovoltaïque pour capter l'énergie solaire.

Il a fallu quatre ans de préparation puis six mois de fabrication pour concevoir ce prototype. L'équipe de l'ETH Zurich a prévu de recréer cette même structure sur le toit du Nest en seulement huit à dix semaines, démontrant ainsi la viabilité du concept pour un usage commercial.

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