Feu vert pour un escalier en béton fabriqué numériquement

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 expertes et 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 Zurich, d'expertes et 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'ingénieures et d'ingénieurs du bureau d'ingénieurs WaltGalmarini et d'expertes et experts de la spin-off de l'Empa re-fe.

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

Le design de l'escalier a été conçu par la chaire Digital Building Technologies de l'ETH Zurich. 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

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.

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.