Essai de charge du démonstrateur UniversalTimberSlab avec une charge de 20 tonnes métriques devant les visiteurs du Future Cleantech Festival à Remscheid. Crédit : Université de Stuttgart / ICD/ITKE/IntCDC
Les dalles de plancher en béton armé représentent environ 40 % des émissions de carbone intrinsèque des bâtiments. Or, jusqu’à présent, il n’existait aucune alternative pratique pour les bâtiments complexes à plusieurs étages.
À l’aide d’un prototype de construction, des chercheurs de l’Université de Stuttgart ont démontré pour la première fois comment construire des dalles de plancher de manière durable grâce à un système composite bois-béton innovant.
Le prototype, testé en juin dans le cadre du Future Cleantech Festival de Remscheid, présente « UniversalTimberSlab », la première dalle plate composite bois-béton à support ponctuel pour de longues portées bidirectionnelles.
« Avec UniversalTimberSlab, nous visons à rendre la construction composite bois-béton à plusieurs étages beaucoup plus flexible, performante et adaptable. Ce démonstrateur est le fruit de plusieurs années de recherche à l’Université de Stuttgart et repose sur des méthodes innovantes de conception et de fabrication numériques », explique Achim Menges, professeur et directeur de l’Institut de conception et de construction computationnelles (ICD) et porte-parole du pôle d’excellence « Conception et construction computationnelles intégrées pour une architecture transformatrice » (IntCDC).
Dalle plate composite bois-béton pour bâtiments mixtes à plusieurs étages
« UniversalTimberSlab » offre les mêmes performances et la même finesse qu’une dalle en béton armé, tout en étant nettement plus durable. Ce système repose principalement sur le bois, une ressource renouvelable, ainsi que sur une construction économe en matériaux et une conception circulaire.
L’utilisation de segments préfabriqués en bois lamellé-collé rend ce nouveau système de dalles de plancher économique. Crédit : Université de Stuttgart / ICD/ITKE/IntCDC
Comparée aux systèmes de dalles de plancher classiques à ossature bois poteaux-poutres, qui nécessitent des poutres profondes pour les grandes portées bidirectionnelles, la dalle compacte « UniversalTimberSlab » réduit la hauteur de la structure de 30 à 70 centimètres. Il en résulte un avantage économique considérable : à hauteur sous plafond égale, un bâtiment peut accueillir davantage d’étages et la surface de façade est réduite jusqu’à 20 %.
« UniversalTimberSlab » établit également de nouvelles normes en matière de conception pour la construction bois. Ce système structurel repose sur des appuis ponctuels, ce qui signifie que les charges du bâtiment sont transmises par des poteaux relativement espacés. Les cloisons porteuses ne sont pas nécessaires ; les murs peuvent être agencés librement selon les besoins. Dans les bâtiments à usage mixte, cela permet des aménagements flexibles adaptés aux commerces, restaurants, bureaux et logements.
Les plans d’étage peuvent également être modifiés ultérieurement en cas de réaffectation du bâtiment. La nouvelle dalle de plancher pourrait ainsi contribuer à développer la construction bois en milieu urbain.
Les éléments qui changent la donne : nouvelles méthodes de segmentation des dalles et de conception numérique
Dans la construction bois, les grandes dalles sont divisées en éléments préfabriqués. Auparavant, pour des raisons techniques, ces éléments et leurs supports devaient être disposés selon des trames rigides. Le système « UniversalTimberSlab » permet de réaliser des dalles de plancher aux géométries régulières et irrégulières.
Cette approche repose sur une nouvelle méthode de segmentation en instance de brevet. L’utilisation de segments de bois lamellé-collé à lamelles droites, faciles à préfabriquer, permet de réduire les coûts. Les fibres de la dalle sont disposées de manière à suivre le flux des forces, optimisant ainsi la capacité portante du système.
Le projet a également permis de développer de nouvelles méthodes de conception numérique pour les bâtiments en bois. Lors de la planification, des outils d’intelligence artificielle génèrent des modèles détaillés pour de nombreuses variantes de plans et de bâtiments, et contribuent à l’optimisation de la conception. Par exemple, si un concepteur déplace une colonne, l’impact sur les coûts, la hauteur des dalles et la durabilité est immédiatement visible.
Jalon : Démonstrateur réussi à Remscheid
« Ce qui était particulièrement enthousiasmant pour nous, c’est que le premier essai de charge n’ait pas été réalisé en laboratoire, mais devant les quelque 200 visiteurs du Future Cleantech Festival de Remscheid. Cela a permis de vérifier la capacité portante requise pour la construction dans des conditions réelles », explique Jan Knippers, professeur et directeur de l’Institut des structures du bâtiment et du calcul des structures (ITKE).
Pour l’essai structurel, l’équipe a construit en seulement trois mois une maquette de dalle de plancher à l’échelle réelle, mesurant 9 x 5 mètres, avec une portée bidirectionnelle de 8 x 4 mètres. D’une épaisseur de seulement 36 cm, elle était aussi mince qu’une dalle en béton armé supportant une charge et une portée équivalentes, tout en nécessitant environ deux tiers de béton armé en moins.
Dans un premier temps, les chercheurs ont effectué des calculs informatiques (simulations par éléments finis) afin d’étudier la déformation et les vibrations de la dalle de plancher sous charge. Lors de l’essai structurel, le démonstrateur a été chargé d’une charge totale de 20 tonnes, en plus de son propre poids. Cela a permis à l’équipe de tester la capacité portante d’un immeuble de bureaux à forte fréquentation, avec des charges de finition de 1,4 kN/m² et une charge d’exploitation de 3,0 kN/m².
Les mesures ont confirmé les simulations, avec une déformation maximale de seulement 12 mm. Avec une fréquence naturelle supérieure à 8 Hz (soit huit oscillations par seconde), la dalle de plancher répondait aux exigences de déflexion et de vibration des bâtiments à plusieurs étages.
Perspectives de transfert rapide de technologie : Premier projet pilote en phase de planification
Grâce à la réussite du test de faisabilité, les chercheurs ont franchi une étape cruciale vers une utilisation généralisée d’« UniversalTimberSlab » dans la construction bois de plusieurs étages. « Ce système s’appuie sur le savoir-faire industriel existant dans le secteur de la construction bois. Il pourrait donc être rapidement déployé sur des projets de grande envergure une fois les travaux de développement complémentaires menés à bien », explique Hans Jakob Wagner, chef de groupe à l’ICD et responsable du projet EIC Pathfinder « UniversalTimberSlab ».
Le premier bâtiment pilote est déjà en construction : la ville d’Oberkochen, dans le Bade-Wurtemberg, prévoit la construction du « Zukunftsforum », un bâtiment de trois étages d’une superficie de 1 400 m² construit selon la méthode « UniversalTimberSlab ». Ce bâtiment accueillera des espaces d’exposition, des espaces de travail, des ateliers de fabrication, des ateliers et des laboratoires.
