Études de cas

15 novembre 2013

Charpente métallique et toitures en coussins gonflables: Pôle de Loisirs et Commerces de Lyon Confluences

Le programme de réhabilitation de la Confluence, au sud de la presqu’île de Lyon, s’étend sur 150 hectares. Il vise à transformer l’ancienne friche industrielle en un territoire constituant la prolongation naturelle de l’hyper centre-ville. Ce site, laboratoire de l’innovation architecturale en zone urbaine, abritera notamment à fin 2010 des programmes de logements, une place nautique en bord de Saône, le siège de la Région Rhône Alpes, ainsi qu’un pôle de loisirs et commerces dont la conception a été confiée par Unibail-Rodamco, le promoteur, à l’architecte Jean-Paul Viguier.

ARCORA a en charge depuis la phase Esquisse en 2002, la maîtrise d’œuvre d’un lot particulier correspondant aux sur-toitures de l’ouvrage. Ce lot, dit « Toiture Ciel », est composé d’une charpente métallique complexe et d’une enveloppe en coussins gonflables en matériau ETFE.

Caractéristiques du projet

Pôle de loisirs et commerces, intégrant commerces, restaurants, cinéma, hôtel.

Emprise en plan des sur-couvertures : 22 000 m² environ.

Poids estimatif de charpente métallique : 2 000 tonnes environ.

Hauteur maximale des sur-couvertures par rapport au niveau de rue : 30 mètres environ.

render

 Image de nuit Concours

Objectif visé et performances à atteindre

  • Structure de l’enveloppe la plus discrète possible,
  • Schéma statique adapté à l’hétérogénéité des super-structures béton supports,
  • Adaptation du concept de structure à une enveloppe innovante,
  • Développement d’une enveloppe en coussins gonflables,
  • Intégration de mises en lumière pour effet signal.

 

Etat de l’art et problèmes à résoudre

 Cette toiture est la première toiture en France en coussins gonflables d’une surface supérieure à 5000m², de surcroît avec des dimensions de coussins aussi importantes (losanges de diagonales 24 x 5 mètres).

La conception de cet ensemble nécessitait de traiter les problématiques suivantes :

  • Géométrie de l’enveloppe complexe (portion de cône),
  • Charpente métallique complexe avec tirants de sous-tension/sur-tension des arcs supports des coussins, le tout enjambant les JD des super-structures béton supports,
  • Recherche sur le matériau ETFE, caractérisation mécanique et définition de coefficients de sécurité pour le dimensionnement,
  • Recherche de solutions techniques pour le soufflage et la maintenance des soufflages lors de la vie du bâtiment,
  • Dimensionnement des épaisseurs des films ETFE des coussins.

Résultats obtenus et originalité de la solution proposée

La recherche sur la géométrie et le concept de charpente métallique ont été faites en parallèle, pour déterminer un concept statique global homogène.

Plusieurs schémas statiques ont été étudiés, donnant lieu à l’établissement des descentes de charges correspondantes, permettant à l’ingéniérie du gros-œuvre de se prononcer sur la capacité de celui-ci à reprendre les efforts importants ramenés par la toiture Ciel :

croquis

Croquis de recherche sur concept structurel

Le concept finalement retenu pour la charpente consiste à mettre en oeuvre entre chaque file principale de poteaux, sur une portée de 36 mètres, des voûtes constitués d’arcs croisés sous et sur-tendus par des tirants à haute résistance. Ces voûtes ont au droit d’une des deux files de poteaux une capacité de libre-déplacement, grâce à l’élaboration de détails particuliers avec bielles rotulées en tête de poteaux:

plan

 Détail de tête de poteau

Les recherches sur le matériau ETFE (Ethylène-TetraFluorEthylène) ont consisté tout d’abord en un état de l’art sur les différentes fabrications disponibles « worldwide » et leurs spécificités. Ensuite des études sur la caractérisation du comportement mécanique de ce matériau ont été conduites.

L’ETFE est un matériau plastique dont la courbe caractéristique de traction comprend plusieurs plages particulières. Il a donc fallu définir à l’intérieur de ces plages une plage admissible de travail, et à l’intérieur de cette plage de travail les coefficients de sécurité adéquats :

courbe

 Courbe effort / allongement ETFE

Le dimensionnement des épaisseurs de films à mettre en œuvre  a fait l’objet de développements :

–       tout d’abord d’un outil de pré-dimensionnement sous Excel tenant compte du comportement non-linéaire du film,

–       ensuite d’options particulières sous le logiciel de calcul PAM-LISA, permettant de tenir compte de la variation de la pression intérieure et du volume d’air dans les coussins (l’ensemble de chaque coussin étant ici modélisé et calculé).

isovaleurs

Isovaleurs déplacements/tensions dans différentes familles de coussins

Ces calculs ont conduit à des épaisseurs des films (films inférieurs et supérieurs) des coussins de 200µm dans les zones courantes de la toiture, de 300µm dans les zones de rive.

Un travail particulier été réalisé pour la mise en lumière des coussins.

Une sérigraphie a été mise en œuvre sur les films ETFE, permettant de fixer les éclairages par LED. La couleur et la taille des sérigraphies, comme l’implantation et la puissance des LEDs ont été optimisées par un travail sur prototypes :

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Prototype n°1 de mise en lumière

Deux photos de la Toiture Ciel en cours de pose :

poste

pose