Les planchers en béton armé représentent environ 40 pour cent 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 démonstrateur de construction, des chercheurs de l’Université de Stuttgart ont maintenant montré pour la première fois comment des planchers peuvent être construits de manière durable à partir d’un système innovant de composite bois-béton.
Le démonstrateur, qui a été testé en juin dans le cadre du Future Cleantech Festival de Remscheid, présente l’« UniversalTimberSlab » – le premier plancher-dalle composite bois-béton à appuis ponctuels pour de grandes portées dans les deux directions. « Avec l’UniversalTimberSlab, nous souhaitons rendre la construction composite bois-béton à plusieurs étages nettement plus flexible, performante et adaptable. Le 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 le professeur Achim Menges, directeur de l’Institut de conception et de construction computationnelles (ICD) et porte-parole du Cluster d’excellence « Conception et construction computationnelles intégratives pour une architecture transformatrice » (IntCDC).
Un plancher-dalle composite bois-béton pour les bâtiments à usage mixte à plusieurs étages
L’« UniversalTimberSlab » est aussi mince et performant qu’une dalle en béton armé, mais nettement plus durable. Ce système repose en grande partie sur le bois, une ressource renouvelable, sur une construction économe en matériau et sur une conception circulaire.
Par rapport aux systèmes de planchers bois conventionnels à poteaux et poutres, qui nécessitent des poutres de grande hauteur pour les grandes portées dans les deux directions, le compact « UniversalTimberSlab » réduit la hauteur structurelle de 30 à 70 centimètres – 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 pour cent.
L’« UniversalTimberSlab » fixe également de toutes nouvelles normes en matière de possibilités de conception dans la construction bois. Le système structurel repose sur des appuis ponctuels, ce qui signifie que les charges du bâtiment sont transmises par des poteaux pouvant être relativement éloignés les uns des autres. Aucune cloison porteuse n’est nécessaire ; les murs peuvent être disposés librement selon les besoins. Dans les bâtiments à usage mixte, cela permet des agencements flexibles adaptés au commerce, à la restauration, aux bureaux et aux logements. En outre, les plans peuvent être facilement reconfigurés ultérieurement si le bâtiment doit être reconverti. Ce plancher novateur pourrait ainsi contribuer à favoriser l’essor de la construction bois dans les zones urbaines centrales.
Les facteurs de rupture : nouvelle segmentation des dalles, méthodes de conception numérique
Dans la construction bois, les grandes dalles sont divisées en éléments préfabriqués individuels. Alors que, pour des raisons techniques, ces éléments et leurs appuis devaient auparavant être disposés selon des trames rigides, le système « UniversalTimberSlab » permet désormais de construire aussi bien des géométries de planchers régulières qu’irrégulières. Le principe repose sur une nouvelle méthode de segmentation en instance de brevet. Des segments de bois lamellé-collé à lamelles droites, faciles à préfabriquer, garantissent l’efficacité des coûts. Les fibres du plancher sont orientées de manière à suivre le flux des forces afin d’optimiser la capacité portante du système.
Le projet a également développé de nouvelles méthodes de conception numérique pour les bâtiments en bois : durant la phase de planification, des outils propulsés par l’IA génèrent des modèles détaillés pour de nombreuses variantes de plans et de bâtiments et aident à l’optimisation de la conception. Par exemple, si un planificateur déplace un poteau, l’impact de cette action sur les coûts, la hauteur de la dalle et la durabilité peut être immédiatement affiché.
Jalon : un démonstrateur réussi à Remscheid
« Ce qui était particulièrement passionnant pour nous, c’est que le premier essai de charge n’a pas été réalisé en laboratoire, mais devant les quelque 200 visiteurs du Future Cleantech Festival de Remscheid. Cela a permis de vérifier dans des conditions réelles la capacité portante requise pour la construction », explique le professeur Jan Knippers, directeur de l’Institut des structures porteuses et de la conception structurelle (ITKE).
Pour l’essai structurel, l’équipe a construit en seulement trois mois un démonstrateur du plancher à échelle réelle de 9 x 5 mètres, avec une portée dans les deux directions de 8 x 4 mètres. Avec seulement 36 cm d’épaisseur, il était aussi mince qu’un plancher en béton armé de charge et de portée équivalentes, tout en nécessitant environ deux tiers de béton armé en moins.
Comme étape préliminaire, les chercheurs ont effectué des calculs assistés par ordinateur – des simulations dites FEM (méthode des éléments finis) – pour étudier la manière dont la structure du plancher se déforme et vibre sous charge. Lors de l’essai structurel, le démonstrateur a été soumis à une charge totale de 20 tonnes métriques en plus de son propre poids. Cela a permis de tester la capacité portante pour un immeuble de bureaux fortement sollicité, 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 propre de plus de 8 Hz – soit huit oscillations par seconde – le plancher a satisfait aux exigences applicables aux bâtiments à plusieurs étages en matière de flèche et de vibrations.
Perspectives d’un transfert technologique rapide : un premier projet pilote en préparation
Avec cet essai de faisabilité réussi, les chercheurs ont franchi une étape cruciale sur la voie de l’utilisation généralisée de l’« UniversalTimberSlab » dans la construction bois à plusieurs étages. « Le système s’appuie sur le savoir-faire de fabrication existant de l’industrie de la construction bois. Il a donc le potentiel d’être rapidement déployé dans des projets de construction de plus grande envergure une fois que les travaux de développement complémentaires auront été 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 préparation : la ville d’Oberkochen, dans le Land allemand de Bade-Wurtemberg, planifie le « Zukunftsforum », un bâtiment de trois étages et de 1 400 m² construit selon la méthode innovante « UniversalTimberSlab ». Ce bâtiment est destiné à accueillir des expositions, des espaces de travail, des fablabs, des ateliers et des laboratoires.
Projet EIC Pathfinder : « UniversalTimberSlab »
Le plancher « UniversalTimberSlab » est développé dans le cadre d’un projet EIC Pathfinder financé par le Conseil européen de l’innovation au titre du programme Horizon Europe. L’« UniversalTimberSlab » fait partie du Cluster d’excellence « Conception et construction computationnelles intégratives pour une architecture transformatrice » (IntCDC). Outre l’ICD, participent l’Institut des structures porteuses et de la conception structurelle (ITKE), l’Institut d’acoustique et de physique du bâtiment (IABP) et l’Institut des matériaux de construction (IWB) ainsi que l’Institut d’essais des matériaux (MPA) de l’Université de Stuttgart, de même que BUILT CoLAB à Porto. Les segments de plancher du démonstrateur de construction ont été fabriqués par le partenaire industriel HASSLACHER Group et installés par Dünschede Holzbau en seulement deux jours.
