Des zigzags pour une construction plus écologique

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde. Composé de ciment, d'eau, de sable et de gravier, ce mélange relativement bon marché peut être façonné selon les besoins et résister à des forces élevées en compression. En revanche, il est peu performant en cas de traction, ce qui nécessite une armature en acier, et des quantités excessives de matériau sont souvent utilisées. Cela alimente le changement climatique, car la production de béton et d'acier génère d'importantes émissions de carbone.

Les recherches menées par l'équipe de Philippe Block, professeur à l'ETH Zurich, ont toujours montré qu'il était possible d'obtenir une stabilité structurelle en utilisant moins de béton et d'acier. L'une des innovations du Block Research Group (BRG) consiste en des éléments de plancher voûté en béton. Grâce à une géométrie intelligente, ces planchers permettent d'obtenir des sections beaucoup plus fines que leurs homologues conventionnels et ne nécessitent pas d'armature en acier intégrée. Cette technologie est maintenant commercialisée par la société VAULTED AG, une spin-off de l'ETH Zurich.

Prendre en compte la durabilité dès la première étape de la production

Les planchers voûtés nécessitent un système de coffrage - des moules qui donnent au béton coulé sa structure délicate. Cependant, ces moules peuvent être encombrants et sont souvent fabriqués à partir de matériaux dérivés du pétrole comme le polystyrène. En outre, les coffrages destinés à des géométries non standard sont généralement à usage unique, et leur processus de fabrication génère des déchets importants. «Malheureusement, cela annule une partie des gains en termes de durabilité», explique Lotte Scheder-Bieschin. Cette doctorante du groupe de recherche de Philippe Block a mis au point un système de coffrage pliable qui peut être réutilisé et dont la production nécessite moins de ressources.

Réduction massive de l'utilisation du béton et de l'acier

Unfold Form se compose de fines bandes de contreplaqué flexibles qui sont reliées par des charnières textiles et peuvent être dépliées comme un éventail. Quatre de ces unités compactes peuvent être rapidement assemblées dans un cadre en bois pour créer un moule robuste en forme de zigzag sur lequel le béton peut être directement coulé.

Après le durcissement du béton, le coffrage peut être facilement détaché du dessous, plié et stocké en vue de sa prochaine utilisation. Le système utilisé pour le prototype ne pèse que 24 kilogrammes, mais il peut supporter jusqu'à une tonne de béton.

«Je cherchais une solution qui me permettrait d'utiliser la force par la géométrie, non seulement pour optimiser la structure finale, mais aussi le coffrage lui-même», explique Scheder-Bieschin. «Cette approche permet de réduire l'utilisation de matériaux et de rendre l'ensemble du processus plus respectueux de l'environnement. La structure géométrique distinctive du coffrage permet des réductions allant jusqu'à 60% pour le béton et 90% pour l'acier d'armature.

«Le coffrage Unfold Form peut être produit et assemblé sans connaissances spécialisées ni équipement de haute technologie», note Lotte Scheder-Bieschin. L'un de ses objectifs était de créer un système simple et robuste pouvant être utilisé dans le monde entier, même avec des ressources limitées. Actuellement, les coffrages pour les formes de béton non standard nécessitent généralement une fabrication numérique. «Cela crée des obstacles à la construction durable en béton dans les pays en développement, où les besoins en nouveaux bâtiments sont particulièrement élevés», explique-t-elle.

Le coffrage peut être produit à peu de frais. «Les seules choses nécessaires en plus des matériaux sont un gabarit pour la forme et une agrafeuse», ajoute Lotte Scheder-Bieschin. Les matériaux du prototype n'ont coûté que 650 francs suisses au total.

Les différents éléments sont suffisamment légers et compacts pour être facilement transportés. Lotte Scheder-Bieschin a démontré la simplicité du système en l'assemblant elle-même pendant sa grossesse. «Je voulais m'assurer que ma conception était suffisamment simple pour que n'importe qui puisse la construire, quelle que soit sa situation», explique-t-elle.

Crêtes en zigzag comme des coquillages

Comment ce coffrage innovant atteint-il à la fois la légèreté et la stabilité ? Au cours du développement, Lotte Scheder-Bieschin a mis à profit son expertise en matière de structures actives en flexion, un sujet sur lequel elle avait travaillé pendant ses études. Cette technique consiste à plier des matériaux élastiques tels que des cannelures fines et longues ou des plaques de bois. La déformation qui en résulte crée de la stabilité et permet de créer des structures courbes et légères.

L'une des principales caractéristiques de Unfold Form est la disposition en zigzag des lamelles de bois. «Ces nervures apportent une rigidité supplémentaire sans augmenter de manière significative le poids total», explique Lotte Scheder-Bieschin. «On trouve de telles structures articulées dans la nature, comme dans les coquillages.»

Le motif en zigzag renforce à la fois le coffrage et le béton qui y est coulé : «Le béton incorpore ce motif dans une structure de nervures, ce qui facilite le transfert des charges.»

La force par la courbure

L'interaction entre les différentes bandes est cruciale pour la stabilité du coffrage, explique Lotte Scheder-Bieschin : «Lorsque vous pliez une seule bande ou une seule plaque, elle devient très instable lorsqu'elle est chargée et il est difficile de contrôler la forme dans laquelle la planche va se plier». En revanche, lorsque vous reliez deux bandes le long d'un bord incurvé, vous obtenez une rigidité beaucoup plus élevée. «Sous charge, les bandes se déforment très peu et il est possible de contrôler la forme finale grâce à la conception de ces courbes de connexion», explique-t-elle. Cette technique, appelée pliage en croissant courbe, existe depuis un certain temps et s'inspire de l'art de l'origami.

En général, le pliage progresse systématiquement de la taille la plus grande à la plus petite, en commençant par un élément plat qui est progressivement réduit au cours du processus de pliage. C'est pourquoi la technique de pliage n'est pas adaptée à la construction. «Prenons l'exemple d'un plancher voûté en béton de deux mètres sur trois : la plaque de départ devrait mesurer environ trois mètres sur cinq. Du point de vue du transport, c'est évidemment très peu pratique», souligne Lotte Scheder-Bieschin.

Du modèle papier au prototype concret

Lotte Scheder-Bieschin a été intriguée par le défi que représentait l'adaptation de ce système de pliage simple mais ingénieux à des fins architecturales. Elle a expérimenté des modèles en papier sur son bureau et a fini par mettre au point un système qu'elle appelle le dépliage en croissant courbe : «À un moment donné, j'ai commencé à coller les pièces différemment. C'est ainsi que j'ai trouvé un système qui commence par une forme empilée qui peut être déployée en éventail. Et en même temps, on obtient une forme incurvée».

Le défi suivant consistait à passer d'une fine feuille de papier à un matériau structurel d'une certaine épaisseur. La doctorante a résolu ce problème délicat à l'aide de charnières textiles.

Elle a ensuite développé une méthode informatique pour la simulation. «Les premiers prototypes ont déjà validé mon concept», se souvient-elle. «En utilisant une simple préfabrication en 2D, j'ai pu créer des panneaux pliés et compacts qui se déplient facilement et qui ont la rigidité nécessaire pour supporter le béton.»

Test grandeur nature en Afrique du Sud

Outre le prototype final de 3 mètres sur 1,8 mètre, qui se trouve dans le laboratoire de fabrication robotique sur le campus de Hönggerberg, une structure jumelle en béton existe également en Afrique du Sud. Elle a été construite en utilisant le même coffrage. Mark Hellrich, assistant scientifique et collaborateur du projet Unfold Form, a transporté le coffrage plié jusqu'au Cap à l'aide de deux sacs de planche de surf. En collaboration avec nonCrete, une entreprise locale spécialisée dans la construction durable et les solutions de logement abordable, le deuxième prototype a été coulé.

Celui-ci a démontré trois choses à la fois : le système de coffrage peut être réutilisé sans perte de qualité, il est facile à transporter et il fonctionne avec différents types de béton. NonCrete a utilisé son béton biologique à base de végétaux envahissants broyés provenant de la région. «Cela montre qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un béton de qualité supérieure pour créer des sols solides avec le nouveau coffrage», note Lotte Scheder-Bieschin.

Elle ajoute que l'entreprise partenaire sud-africaine a été impressionnée par les résultats : «L'objectif est d'utiliser ce système de coffrage innovant pour construire des logements de haute qualité, dignes et durables dans les townships sud-africains.»

Aider les gens à s'aider eux-mêmes

Après avoir obtenu son doctorat dans quelques mois, la chercheuse poursuivra le développement de sa technique en tant que postdoc à l'ETH Zurich, avec l'intention de commercialiser son produit. Actuellement, la jeune femme de 33 ans travaille à la conception d'une halle de marché dans un township du Cap en utilisant son système de coffrage. Mais la prochaine étape consistera surtout à aider les gens à s'aider eux-mêmes : «Nous prévoyons des programmes de formation pour les habitantes et habitants afin qu'ils et elles puissent construire elles-mêmes et eux-mêmes les coffrages et les bâtiments.»