Un design complexe

Feu vert pour un escalier en béton fabriqué numériquement

28 févr. 2023 | LORIS PANDIANI

La prochaine unité du NEST, le bâtiment de recherche et d'innovation de l'Empa et de l'Eawag, s'appelle "STEP2". Depuis environ deux ans, des partenaires de la recherche et de l'économie travaillent sur différentes innovations dans les domaines de l'économie circulaire, de la fabrication numérique et industrielle, de l'enveloppe du bâtiment et des systèmes énergétiques, pour en faire des produits prêts à être construits. L'un d'entre eux vient de franchir une étape importante : un escalier unique au monde, fabriqué au moyen de coffrages imprimés en 3D et précontraint par une innovation de la spin-off de l'Empa "re-fer", a passé avec succès les derniers tests de prototypes.

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Les marches de l'escalier "STEP2" sont alignées les unes sur les autres et fixées au moyen de la technique de précontrainte innovante de la spin-off de l'Empa "re-fer". Image : Digital Building Technologies, ETH Zurich

C'est l'un des grands défis de la prochaine unité NEST "STEP2" : un escalier en béton dont la forme rappelle une colonne vertébrale humaine. Bien que l'unité soit encore en phase de planification, certaines parties de l'escalier ont déjà été produites sous forme de prototypes. Car l'Unit poursuit un grand objectif : on ne construit que ce qui a de l'avenir dans le secteur de la construction. Les partenaires travaillent ensemble de manière conséquente pour atteindre la maturité du marché - c'est également le cas pour l'escalier.

"Au cours des deux dernières années, l'équipe de projet a élaboré ensemble un concept entièrement nouveau pour la fabrication d'éléments en béton sur mesure. Cela n'a été possible que parce que les experts ont collaboré d'égal à égal tout au long de la chaîne de création de valeur", affirme avec conviction Enrico Marchesi, manager de l'innovation au NEST et responsable du projet "STEP2". L'équipe de projet interdisciplinaire a été constituée en collaboration avec les experts en scouting et en incubation du partenaire principal BASF. Elle se compose du bureau d'architectes ROK, responsable de la direction du projet, de la chaire "Digital Building Technologies" de l'ETH, d'experts en impression 3D de la filiale de BASF, BASF Forward AM, et de l'entreprise d'impression 3D New Digital Craft, de spécialistes du fabricant d'éléments préfabriqués en béton SW Umwelttechnik, d'ingénieurs du bureau d'ingénieurs WaltGalmarini et d'experts de la spin-off de l'Empa "re-fer".

Des solutions sur mesure

L'escalier "STEP2" démontre de manière impressionnante comment les ouvrages en béton peuvent être réalisés à l'aide d'une conception assistée par ordinateur et des dernières technologies d'impression 3D. Grâce à l'utilisation de coffrages imprimés en 3D, il est possible de créer des formes plus complexes qu'avec les coffrages spéciaux utilisés jusqu'à présent. En même temps, il est possible de réduire considérablement les matériaux utilisés.

Ce procédé permet de réaliser des solutions sur mesure en béton, qui peuvent être adaptées de manière optimale à chaque cas d'application et qui présentent un haut degré de détail. En outre, il présente un grand potentiel pour la restauration, par exemple pour la rénovation de bâtiments historiques.

Une grande complexité
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Le coffrage imprimé en 3D permet d'obtenir une grande précision pour chaque marche d'escalier. Image : New Digital Craft

Le design de l'escalier a été conçu par la chaire "Digital Building Technologies" de l'ETH. Sur cette base, l'équipe de projet a développé un système de coffrage complexe, basé sur des paramètres, pour les différentes marches de l'escalier, qui est produit par impression 3D. "Il était important pour nous d'utiliser la fabrication numérique de manière à pouvoir produire des éléments en béton extrêmement filigranes. Un critère central pour le système était la possibilité de réutiliser le coffrage pour la production de plusieurs marches. En même temps, nous devions prendre en compte les exigences de l'impression 3D et du matériau, ainsi que les conditions de remplissage du coffrage", explique Benjamin Dillenburger, responsable de l'équipe "Digital Building Technologies". Pour répondre à toutes ces exigences, les échanges au sein de l'ensemble de l'équipe de projet ont été essentiels.

"Pour que le coffrage imprimé en 3D puisse être utilisé pour plusieurs étapes, nous avons utilisé un revêtement approprié. Dans un souci de durabilité, nous avons opté pour un matériau qui peut être détaché du coffrage. C'est la seule façon de garantir la séparation des matériaux", explique Jörg Petri de "New Digital Craft". Lui et l'équipe "Virtual Engineering" de "BASF Forward AM" ont apporté au projet leur savoir-faire de longue date dans le domaine de l'impression 3D.

"Pour BASF Forward AM, ce projet est une étape importante pour démontrer que les matériaux utilisés répondent à des exigences élevées. Il s'inscrit dans notre stratégie de réalisation de coffrages à l'aide de l'impression 3D comme alternative à la construction de moules traditionnelle", explique Anke Johannes, Director Sales Europe chez BASF Forward AM. Pour le matériau de coffrage, l'équipe a opté pour le filament Ultrafuse® PET CF15, car il présente d'excellentes propriétés pour les applications de coffrage de béton. Au final, c'est le concept de fabrication et d'assemblage des éléments de coffrage qui a été retenu.

Le test de résistance
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Les premiers prototypes de marches d'escalier dans la halle de construction de l'Empa. Image : Empa

Le temps était venu de réaliser l'escalier. SW Umwelttechnik a fabriqué les marches à l'aide des coffrages dans sa propre usine. Le matériau utilisé est du béton renforcé de fibres à ultra haute résistance. "Notre béton permet d'obtenir des formes très fines et complexes qui ne pourraient pas être réalisées avec du béton armé normal. Il est agréable de pouvoir le démontrer de manière aussi impressionnante à l'aide de l'escalier de l'unité "STEP2"", se réjouit Klaus Einfalt, CEO de SW Umwelttechnik.

Le bureau d'ingénieurs WaltGalmarini est responsable du calcul et de l'évaluation de la statique. Afin de vérifier si les valeurs calculées correspondent à la réalité, les marches ont été envoyées à l'Empa. Là, ils ont été soumis à différents tests de charge par des experts de l'Empa, sous la supervision du bureau d'ingénieurs. Le premier prototype composé de trois étages, tous testés individuellement, a largement répondu aux attentes et a en même temps fourni de nouvelles connaissances pour optimiser le système.

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Les experts de l'Empa ont mis le système d'escaliers à l'épreuve dans différents tests de charge. Image : Empa

Lors du prototype suivant, non seulement la statique, mais aussi la construction du système d'escaliers ont été mises à l'épreuve. Trois marches ont été enfilées les unes sur les autres et fixées à l'aide de la technique de précontrainte innovante de la spin-off de l'Empa "re-fer". D'autres essais ont ensuite été réalisés afin d'analyser la résistance des marches individuellement et du système dans son ensemble. Résultat : les ingénieurs ont estimé que l'ensemble du système était fiable.

"Je suis très heureux que l'escalier n'ait pas seulement convaincu sur le papier, mais aussi dans la pratique. Cela représente pour nous une étape extrêmement importante dans le projet", déclare Michael Knauss de ROK. Avec cette "preuve de concept", la production de l'escalier final peut maintenant avoir lieu - une autre étape importante vers la réalisation de l'unité NEST "STEP2".

À propos du NEST
Le NEST est le bâtiment modulaire de recherche et d'innovation des deux instituts de recherche suisses Empa et Eawag. Il a été inauguré en 2016 et se trouve sur le campus de l'Empa à Dübendorf. Le NEST réunit des partenaires issus de diverses disciplines afin qu'ils réalisent ensemble des projets d'avenir. Ainsi, plus de 150 partenaires issus de la recherche, de l'économie et des pouvoirs publics travaillent désormais en étroite collaboration sur différents projets. Les nouvelles technologies et les nouveaux concepts de construction sont testés et développés dans des conditions réelles au sein du NEST et font l'objet de démonstrations dans la pratique quotidienne. Cela permet d'accélérer la mise sur le marché de technologies de construction et énergétiques innovantes. nest.empa.ch
À propos de STEP2
L'unité STEP2 réunit des innovations dans les domaines de l'économie circulaire, de la fabrication industrielle et numérique ainsi que de l'enveloppe du bâtiment et des systèmes énergétiques. Dans le cadre de ce projet, des partenaires issus de la recherche et de l'économie travaillent de manière conséquente à des solutions et des processus prêts à être commercialisés. En conséquence, toutes les innovations sont développées tout au long de la chaîne de création de valeur dans une approche d'innovation ouverte. nest.empa.ch/step2
À propos de re-fer
La spin-off est née de plusieurs années de recherche à l'Empa. re-fer a développé la technique de précontrainte innovante "memory®-steel". Il s'agit d'un alliage à mémoire de forme à base de fer qui se contracte lorsqu'il est chauffé et qui précontraint ainsi durablement la structure en béton. Il suffit de chauffer brièvement l'acier, selon l'application, à l'aide d'un courant électrique, d'un brûleur à gaz ou d'un radiateur infrarouge. https://www.re-fer.eu/
Rédaction / Contact médias

Loris Pandiani
Communication
Tél. +41 58 765 47 03



Credits

Stair design: Digital Building Technologies - ETH Zurich, ROK Architects
Fabrication System: Digital Building Technologies - ETH Zurich, SW Umwelttechnik
Formwork Development and 3D Printing: Digital Building Technologies - ETH Zurich, BASF Forward AMNew Digital Craft
Structural Design: WaltGalmarini
Precast Concrete: SW Umwelttechnik
Post-tensioning System: re-fer
Project Management: ROK Architects


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