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innovationJEUDI 12 JANVIER 2017
Le bois devient high-tech
Le bois connaît un regain d’intérêt comme matériau de construction depuis les années 1990. Mais l’essor du bois d’ingénierie permet désormais de donner vie aux rêves architecturaux les plus fous.
Par Ben McCluskey

De quoi sera faite la ville de demain? D’acier, de verre, peut-être de graphène? En réalité, elle pourrait tout simplement se composer de… bois! Aujourd’hui déjà, les architectes rivalisent d’ingéniosité pour construire des bâtiments en bois toujours plus hauts.

Une discipline dans laquelle les Européens s’illustrent avec brio. Exemple avec «Treet», un immeuble de 14 étages construit en Norvège, qui détient actuellement la palme de la structure en bois habitable la plus haute du monde. Un record qui sera brièvement battu outre-Atlantique, avec l’ouverture l’an prochain de la résidence étudiante de 18 étages «Brock Commons» sur le campus de l’Université de la Colombie-Britannique. Mais le flambeau dans cette course aux étages reviendra à l’Europe dès la fin 2017 avec la construction de l’immeuble «Haut» de 21 étages à Amsterdam et de la tour «HoHo» à Vienne, dont les 24 étages devraient être achevés en 2018. Parmi les autres projets ambitieux en cours d’élaboration, on peut encore citer le «Tratoppen» («la cime des arbres») et ses 40 étages à Stockholm ou l’«Oakwood Timber Tower» (surnommé «le cure-dent»), un gratte-ciel en bois d’une hauteur de 300 mètres projeté à Londres.

Faible empreinte carbone

Mais l’attrait architectural est loin d’être le seul atout du bois. Car depuis l’Accord de Paris sur le climat de 2015, décideurs politiques et militants écologistes ont accentué la pression sur le secteur du bâtiment, pointant du doigt l’impact environnemental particulièrement néfaste des matériaux de construction traditionnels.

Contrairement au béton, qui représente actuellement 5 à 8% des émissions de gaz à effet de serre au niveau mondial, les arbres peuvent absorber le dioxyde de carbone à hauteur d’une tonne de CO2 par mètre cube environ. Ainsi, là où la construction d’un immeuble de 20 étages en ciment et en béton émet près de 1’200 tonnes de CO2, son équivalent en bois en capture 3’100 — soit une différence de 4’300 tonnes. «Ces dernières années, le bois est passé du statut de ressource secondaire à celui de matériau principal dans le secteur du bâtiment grâce à sa faible empreinte carbone», souligne Yves Weinand, directeur du laboratoire IBOIS à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne.

Bien sûr, le béton et l’acier ne disparaîtront pas du jour au lendemain. De nombreux immeubles de nouvelle génération combinent d’ailleurs une structure en bois avec des plateformes et des façades en acier ou en béton. Reste à savoir quels gratte-ciel doivent être désignés comme hybrides et lesquels constituent de véritables structures en bois.

Yves Weinand et ses collègues ont pour leur part imaginé une structure expérimentale encore plus audacieuse — bien que de moindre hauteur — pour le nouveau bâtiment du Théâtre de Vidy, à Lausanne, d’un coût de 2,4 millions d’euros. «Le design est inspiré de l’œuvre de Max Bill, qui a construit le théâtre principal en 1964», précise Yves Weinand. La construction de cet ouvrage aux allures d’origami sera achevée courant 2017. Sa structure nervurée bannit les poutres et les colonnes en faveur de planches de bois cintrées à la «surface active». «Chaque planche est reliée à une autre grâce à des connexions mécaniques et intégrées de bois à bois.» Cela permet de les assembler de manière rapide et précise, et de répartir les forces avec exactitude entre chaque planche. Une véritable prouesse! «Aucune attache métallique ne sera utilisée: c’est une première.»

Innovation autrichienne

Le bois d’ingénierie constitue la base de ce retour en grâce. «Il s’agit désormais d’un matériau très différent de celui que l’on pouvait obtenir avant les progrès réalisés en matière d’usinage et de colles», indique Richard Harris, ingénieur des structures et professeur honoraire d’ingénierie du bois à l’Université de Bath.

C’est notamment le cas du bois lamellé-croisé (CLT), qui a vu le jour en Autriche au début des années 1990. Il est fabriqué à partir de planches (souvent d’épicéa ou de pin) collées perpendiculairement les unes aux autres. Une technique qui réduit au minimum le gonflement et le rétrécissement de la matière et augmente considérablement sa capacité porteuse et sa stabilité dimensionnelle. Et comme il est conçu avec des résistances précises et qu’il coûte moins cher à transporter que l’acier et le béton, le CLT permet de réduire la quantité de déchets produite sur un chantier et les nuisances causées au voisinage.

Le bois n’est donc plus une simple matière première, il est devenu un véritable outil d’innovation. Le projet «Stadthaus», du cabinet d’architectes Waugh Thistleton, fait partie des projets-pilotes en la matière. Construit à Londres en 2009, il s’agit du premier immeuble entièrement réalisé en bois massif préfabriqué. Étonnamment, ce n’est pas l’aspect écologique qui a déterminé ce choix, mais bien l’efficience du bois par rapport au béton. La construction du bâtiment a nécessité 300 tonnes de bois, contre 1’200 tonnes de matériau pour une structure en béton, tandis que les travaux ont pu être bouclés en douze mois (contre dix-huit pour le béton), pour un coût identique.

Tensions et torsions

Kevin Flanagan fait partie des architectes européens qui repoussent sans cesse les limites de l’utilisation du CLT. Associé au sein du bureau londonien PLP Architecture, ses bâtiments de plus de 200 mètres de haut ont été récompensés par plusieurs distinctions internationales. C’est donc à juste titre qu’il a été invité par le département d’architecture de l’Université de Cambridge à participer à la conception d’un gratte-ciel en bois de 300 mètres de hauteur, en collaboration avec les ingénieurs de Smith and Wallwork. Le projet qui en résulte est spectaculaire: installée au cœur de Londres, «l’Oakwood Timber Tower» devrait offrir plus de 1000 nouveaux logements sur 93’000 m² répartis sur 80 étages.

Ce projet complexe présente plusieurs défis: «Les bâtiments ne réagissent plus de la même manière dès 200 mètres de hauteur, explique Kevin Flanagan. Par exemple, le vent et la torsion s’ajoutent à la charge permanente du bâtiment.» En général pour les gratte-ciel, mieux vaut utiliser des renforcements ou placer les charges sur l’extérieur de la façade plutôt que sur une structure intérieure.

Le facteur humidité

La résistance des bâtiments aux vents forts et aux pluies battantes doit aussi être étudiée de près. Le bois utilisé dans le CLT contient environ 12% d’humidité, un taux assez bas pour éviter parasites et champignons. «Mais avec l’altitude, il est important de conserver un environnement sec pour garantir la durée de vie prévue de l’immeuble, précise Stephan Ott de la Technische Universität München. Dans la mesure où le temps de construction de grands ouvrages est plus long, les matériaux sont davantage exposés à l’humidité.» Dans certains cas, l’humidité à la surface du bois pourrait atteindre 30%, et ainsi affecter la performance du bâtiment sur le long terme.

Stephan Ott participe au projet TallFacades financé par l’Union européenne à hauteur de 1,8 million d’euros. Ce programme vise à mettre au point un modèle — baptisé RiFa pour «RiskFacade» — qui permettra de mieux évaluer les risques de dégâts liés à l’humidité, qui seraient largement sous-estimés lors de la planification et de la construction. «Si ces dégâts s’accentuent, l’image des immeubles en bois pourrait en pâtir», remarque Stephan Ott. C’est pourquoi la mise au point de nouveaux concepts de sécurité est nécessaire pour perfectionner les constructions et éviter les dégradations dues à l’humidité.

Question brûlante

Reste une question des plus épineuses: la résistance au feu de ces gratte-ciel d’un nouveau genre. Mais gare aux idées reçues! Ainsi, bien que la température à laquelle l’intégrité structurale de l’acier (qui n’est pas combustible) défaillit varie en fonction de facteurs comme la charge et la répartition de la température, les petites sections d’acier laminées à chaud qui forment la structure d’un gratte-ciel traditionnel résistent au feu pendant seulement douze minutes sans protection supplémentaire.

A l’inverse, de grands panneaux et poutres de bois brûlent lentement et de manière prévisible. Ils résistent à la pénétration de la chaleur en générant du charbon isolant. La vitesse de carbo­nisation du CLT est ainsi de 0,67 mm par minute. Ces panneaux répondent donc aux normes de résistance de 30, 60 et 90 minutes requises pour les immeubles classiques.

Les données disponibles sur la résistance au feu des gratte-ciel en bois d’ingénierie sont cependant loin d’être étoffées. «L’un des critères fondamentaux devrait être qu’en cas d’incendie, la structure tienne encore debout une fois le feu éteint, observe Luke Bisby, directeur de l’Institute for Infrastructure and Environment de l’Université d’Edimbourg. Une exigence réaliste lorsque les éléments boisés sont contenus dans des matériaux non combustibles. En revanche, lorsqu’une grande surface de bois est exposée comme c’est de plus en plus souvent le cas pour des raisons esthétiques, la situation s’avère plus délicate.»

L’utilisation de matériaux combustibles impacte par ailleurs la conception des systèmes d’extinction d’incendie, le temps et la stratégie d’évacuation. Les réglementations concernant les bâtiments en béton et acier ne sont ainsi pas toujours applicables à ceux conçus en bois. D’où l’importance de faire collaborer architectes et chercheurs. «En général, ces collaborations s’avèrent fructueuses, le défi consiste plutôt à rester à jour avec la quantité de nouveaux projets», conclut Luke Bisby.

Cercle vertueux

Le bois profite par ailleurs de certaines adaptations législatives. Au Royaume-Uni, les architectes étaient tenus jusqu’ici de réduire de 50% la capacité porteuse par rapport à la taille des fondations. «Désormais, pour les immeubles de plus de dix ans, la réglementation tient compte du tassement naturel, ce qui signifie que l’on peut compter 100% de capacité porteuse pour les fondations», indique Kevin Flanagan. En proie à une crise immobilière majeure, Londres est particulièrement concernée par le sujet. «Tous les immeubles de faible élévation et de plus de dix ans de la capitale pourraient être rénovés en doublant leur hauteur d’origine.» Et puisque les panneaux de bois sont désormais reconnus comme une solution peu intrusive pour la rénovation urbaine, on imagine sans peine le potentiel de floraison du bois au sein des villes européennes.
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ENCADRES

Optimiser la construction

«Comment bâtir sans gaspillage?» Cette question est au cœur des travaux de Hermann Kaufmann et de son équipe de la Technische Universität München (TUM). Le chercheur allemand veut développer des modèles qui permettront de mieux coordonner les différentes phases de construction d’édifices en bois préfabriqué.

Le «lean construction» (construction «maigre» en anglais, c’est-à-dire sans gaspillage) n’en étant qu’à ses débuts, son projet s’inspire de secteurs où les processus «lean» sont déjà employés couramment, comme la construction navale ou automobile. Les données collectées sont ensuite traduites en processus spécifiques au bâtiment. Les méthodes «lean» s’appuient notamment sur la conception collaborative pour réduire la production de déchets et optimiser la plus-value économique, sociale et écologique pour toutes les parties impliquées dans la conception et la construction d’un bâtiment.

Le travail d’Hermann Kaufmann s’inscrit dans le cadre de TUM.wood, une initiative transdisciplinaire qui compte sept professeurs spécialisés dans la recherche sur le bois, et dont les travaux vont de la gestion forestière aux polymères biosynthétiques en passant par les techniques de construction innovantes. «TUM.wood permet de mettre en évidence notre expérience particulière de l’ingénierie et de l’architecture dans le domaine du bois.»
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3 QUESTIONS A

Bois programmable

Le monde du design repousse aussi les propriétés physiques naturelles du bois.

Diplômé de l’Ecole Cantonale d’Art de Lausanne (ECAL), le designer suisse Christophe Guberan collabore actuellement avec le laboratoire d’auto-assemblage du Massachusetts Institute of Technology pour concevoir des matériaux qui changent de forme et de propriétés de manière autonome.

Comment est-il possible de programmer du bois?
Des plaques de matériaux composites imprimés peuvent s’autotransformer en séchant, grâce à l’expansion et à la contraction naturelles ainsi qu’à leur réaction à l’eau.

Quel est l’intérêt de cette solution?
Les nouvelles technologies d’impression et la mise au point de matériaux composites innovants permettent de déjouer les contraintes existantes du cintrage (ou déformation, ndlr) du bois. Car les techniques traditionnelles de cintrage nécessitent un équipement complexe, beaucoup de travail et un haut degré d’expertise. Enfin, la structure naturelle du bois complique son cintrage en des formes complexes.

Dans quel contexte peut-il être utilisé?
Notre travail se trouve encore à un stade expérimental. Mais à terme, il y a un potentiel pour des utilisations très variées. On peut imaginer expédier des objets plats aux clients, sous forme de plaques de bois imbibées d’eau et emballées sous vide qui, en séchant, prendront la forme du produit final, comme un meuble ou de la papeterie.
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Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 11).

Pour souscrire un abonnement à Technologist au prix de CHF 45.- (42 euros) pour 8 numéros, rendez-vous sur technologist.eu.



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