Des arcs por­teurs en ter­re uti­li­sés com­me plan­chers

De nos jours, des préoccupations telles que la construction respectueuse des ressources, l'habitat, le travail et le mode de vie durable, ainsi que les principes de l'économie circulaire, sont plus importants que jamais. De nombreuses techniques de construction actuellement proposées ont déjà existé par le passé, comme la dalle nervurée, les planchers en bois traditionnels, mais aussi le hourdis, ainsi que les planchers dits Kappendecke et Koensche Voutendecke. Cependant, souvent, les planchers entièrement en bois ne répondent pas aux critères minimaux d'isolation acoustique ou ont tendance à vibrer. Ils sont trop légers, leur masse thermique est insuffisante, nécessitant ainsi un lestage ultérieur. Il apparaît donc judicieux de lester ce type de plancher avec des matériaux écologiques. La terre est une option avantageuse, car c'est un matériau naturel qui offre une masse suffisante. De ce fait, il existe de nombreuses approches pour développer et améliorer les pratiques actuelles.

Repenser l'arc

Martin Stumpf, directeur du bureau d'ingénierie wh-p Ingenieure à Bâle et professeur ordinaire en conception de structures à l'École supérieure de technologie de Stuttgart, explore des alternatives aux planchers-dalles en béton armé. «Le plancher-dalle en béton armé, utilisé depuis de nombreuses années, domine la construction d'immeubles de bureaux et résidentiels. Il permet des portées allant jusqu'à 10 mètres et plus, particulièrement lorsqu'il est intégré dans un système de poutres continues ou associé à une précontrainte. De plus, il répond à toutes les exigences en matière de physique du bâtiment et de protection contre l'incendie. Sa mise en œuvre est simple et rapide, et toutes les entreprises de construction sont capables de le réaliser. Il facilite la pose flexible de conduites sous et sur la dalle, et le raccordement aux murs peut être effectué aisément sans être gêné par des éléments porteurs. Pour toutes ces raisons, il a été largement favorisé ces dernières années et décennies. Cependant, si nous voulons préserver nos ressources et réduire l'utilisation du béton, nous devons changer de mentalité et rechercher rapidement des alternatives.»

Ces réflexions ont conduit Martin Stumpf et son équipe à poursuivre un projet de recherche sur une structure composée d'arcs porteurs en terre. «Il ne s'agit pas de réinventer l'arc», précise Stumpf. «Les générations antérieures ont construit des arcs dans diverses formes à partir de nombreux matériaux. Cependant, la terre n'en faisait pas partie, principalement parce que le pisé ne supporte pas bien les efforts de traction et ne résiste que modérément aux efforts de compression. Notre objectif est donc de démontrer que la terre peut être un matériau porteur.»

Calcul de l'arc

Les structures porteuses en forme d'arc le sont grâce à leur géométrie. La forme et la dimension sont choisies de manière à éviter toute force de traction sur l'arc, ce qui rend l'utilisation de la terre particulièrement appropriée. La ligne de poussée, dans ce cas, se situe entièrement à l'intérieur de l'arc. Les contreforts absorbent les forces verticales mais sont également soumis à une force horizontale en plus de la poussée verticale.

Martin Stumpf et son équipe ont développé un outil de dimensionnement programmé pour saisir des paramètres tels que la longueur de l'arc, la hauteur de la flèche, les charges et la répartition des charges. Cet outil permet de tester différentes variantes en temps réel. Lors du dimensionnement, il est essentiel que la ligne de poussée demeure à l'intérieur du noyau de la section, excluant ainsi toute contrainte de traction. Martin Stumpf explique : «Nous adoptons une approche très conservatrice pour évaluer la capacité portante, car nous négligeons l'effet d'un joint ouvert. Pour le pisé, la résistance à la compression peut atteindre des valeurs caractéristiques d'environ 2.0 à 3.5 N/mm². Le niveau de sécurité admissible pour le dimensionnement est alors défini à partir d'un coefficient de sécurité global de 7.»

Construction de la maquette à l'échelle 1:1

Les arches en terre ont été conçues de sorte que, sous toutes les charges envisageables, la ligne de poussée reste à l'intérieur du matériau. En résulte une arche avec une portée théorique de 3,50 mètres et une flèche de 54 centimètres. Durant l'été, Nora Warhof, charpentière, ingénieure civile et collaboratrice scientifique à l'École supérieure de technologie de Stuttgart, a assemblé la structure en bois de la maquette grandeur nature, comportant deux travées adjacentes, dans les halls de production de l'entreprise de construction bois ERNE Holzbau. C'est également dans ces locaux que les deux arches en terre ont été fabriquées.

L'équipe de recherche a pu bénéficier de l'expérience acquise par l'entreprise lors de la construction de son nouveau siège administratif. Les gaines techniques ont été réalisées à partir de blocs de pisé de 3,0 x 1,20 mètres, confectionnés sur place avec l'aide d'un robot. S'inspirant de ces blocs de pisé, la méthode choisie pour les arches a été d'utiliser un coffrage vertical sous forme de mur incurvé. Le matériau en vrac a été ajouté couche par couche dans le coffrage, tassé manuellement, puis le coffrage a été retiré après un temps de séchage de six semaines.

Visite du site de production

«Le processus de basculement des arches pour les mettre en position finale, puis celui de leur levage pour les installer sur la structure en bois, a été très problématique», explique Martin Stumpf. Les arcs en terre couvrent désormais deux zones d'une largeur approximative de 3,5 mètres. En haut, une couche de gravillons, recouverte par un panneau de bois lamellé-collé qui assure la rigidité du plancher, sert d'égalisation et améliore la répartition des charges.

Dans le cas d'un plancher avec plusieurs travées, les arches se soutiennent mutuellement. Habituellement, les forces de cisaillement n'apparaissent qu'au niveau des contreforts aux extrémités des travées. Toutefois, pour ce montage expérimental simplifié, les lourds éléments en terre exerçaient une pression inévitable sur les murs en bois, les poussant vers l'extérieur de part et d'autre. Martin Stumpf a donc fait installer des barres de tension sur la face inférieure des arches pour sécuriser la structure. Ces barres de tension maintiennent la stabilité des éléments pendant le maniement et l'assemblage et peuvent être retirées après l'installation, à l'exception de celles aux travées extrêmes.

L'expérience s'est avérée fructueuse : la maquette à l'échelle réelle a montré que, compte tenu de l'épaisseur utilisée, la terre a une capacité porteuse. Lors du test, l'arc a supporté une charge d'environ 800 kg/m² sans montrer de déformations visibles.

La construction de planchers en terre dans la pratique

Il est maintenant temps de mettre en application les résultats de la recherche. Le nouveau centre d'accueil des visiteurs du Château de Charlottenburg, situé à proximité de Berlin, servira de cas pratique. La conception en cours de ce bâtiment de deux étages intègre des arches porteuses en terre. En été 2021, le bureau d'ingénierie wh-p Ingenieure, en collaboration avec le cabinet d'architecture Bez + Kock, a remporté le concours pour la réalisation de ce nouveau centre d'accueil. La structure porteuse se compose d'une ossature métallique fine, complétée par des arcs en pisé insérés entre les poutres métalliques, qui servent d'éléments porteurs.

Le maître d'ouvrage, étant réceptif à ce type de construction innovante, a alloué un délai de 18 mois pour mener des travaux de recherche supplémentaires, une période que les chercheurs ont grandement appréciée. Avec ses arcs en terre ayant une portée de 3,5 mètres, ce type de plancher pourrait être considéré comme une évolution du plafond prussien historique (preussische Kappendecke).

Des arcs résistants

Après quatre semaines, il a été nécessaire de démonter la maquette, le hall devant être utilisé pour d'autres activités. Cependant, avant le démantèlement, des tests supplémentaires ont été réalisés sur les deux travées. Les chercheurs souhaitaient obtenir plus d'informations sur la résistance et les modes de défaillance de la structure. Contrairement au béton, qui casse de manière ductile, la terre se fracture de façon fragile. Malgré cela, au début, les chercheurs n'ont pas réussi à induire la rupture de l'arc, même en appliquant des charges élevées et unilatérales ou tractées.

Les arches ont résisté aux charges. Elles ne se sont pas affaissées au niveau des contreforts, y compris face à des charges soudaines et dynamiques. Toutefois, une vibration de la structure en bois a été observée, ainsi que des tassements clairement perceptibles au niveau des joints en queue d'aronde. Il est apparu que le support, plutôt que l'arc en terre, constituait le point faible. La défaillance de l'arc a finalement été provoquée en soulevant la travée d'environ 40 cm depuis son centre à l'aide d'une grue, simulant une charge bien au-delà de celles rencontrées en pratique. Comme attendu, cette charge a entraîné la rupture des arcs au niveau du bord inférieur (aux quarts de la portée) ou du bord supérieur (au milieu de la travée).

La résistance à l'eau

En général, la terre est soluble dans l'eau. Lorsque de la terre durcie est exposée à suffisamment d'eau, la solidité obtenue après séchage est compromise et le matériau redevient plastique et malléable. Mais que signifie « suffisamment d'eau » ? Pour tester la résistance à l'eau du matériau, un tuyau d'arrosage a été placé sur la maquette. Initialement, l'eau s'est écoulée entre l'élément métallique et le contrefort en bois, se déversant ensuite dans le vide. Les extrémités se sont humidifiées, les joints ont commencé à se dissoudre et l'eau s'est infiltrée entre les éléments. Aux extrémités et sur les bords de l'élément, des morceaux de terre, saturés d'eau, ont commencé à se détacher. Cependant, le matériau situé en dessous est resté majoritairement sec. Après 60 minutes d'arrosage, les expérimentateurs ont mis fin au test. Durant cette période, la défaillance (même partielle) de l'arc n'a pas été observée.

Des résultats prometteurs

En plus d'offrir une meilleure appréhension de l'espace, la maquette a fourni des connaissances précieuses en termes de résistance, de processus de fabrication et de viabilité du projet. Un programme de recherche supplémentaire est maintenant prévu pour aborder les questions restées sans réponse, notamment en préparation de la construction du centre d'accueil des visiteurs du Château de Charlottenburg et en perspective d'une fabrication en série. «Nous envisageons de réaliser un test de résistance au feu pour évaluer la durabilité des matériaux en cas d'incendie. De plus, nous examinerons les propriétés acoustiques des planchers entre deux niveaux», explique Martin Stumpf. Après ces premiers tests, son évaluation est optimiste : «Les arcs porteurs en terre pourraient devenir une alternative solide aux planchers en bois. La terre servirait ainsi non seulement de masse thermique mais aussi de composant structural porteur».

Article en allemand

 

Ge­schoss­de­cken aus tra­gen­den Lehm­bö­gen

Personnes impliquées dans le projet de recherche

 

Subventions

• Fondation fédérale allemande pour l'environnement (DBU)

 

Direction du projet

• École supérieure de technologie, Stuttgart

 

Calcul de la structure porteuse

• wh-p Ingenieure, Bâle et Berlin

 

Construction 1:1-Mock-Up

• ERNE Construction en bois, pierre