La terre crue à la recherche de la finesse : par l'expérimentation de voile mince

La terre crue à la recherche de la finesse Par l’expérimentation de voile mince

Paul ANDRE

Architecture, Environnement et Culture Constructive Directeurs : Jean-Baptiste MARIE, Laurent MOULY, François STREIFF

ENSA - Normandie

2016-2017

ENSA - Normandie 04 Janvier 2017 Paul ANDRE

Sommaire

Résumé Remerciements

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Introduction Champs de réfléxion Hypothèse Méthode Résutats attendus

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I/ Etat de la littérature La terre crue Le matériau Les techniques traditionnelles structurelles Les domaines de recherche Les expérimentations

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Les voiles minces L’approche mathématique L’approche expérimentale L’amélioration des capacités du béton

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Les voiles et la terre

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II/ De la théorie à la pratique : l’expérimentation En laboratoire Protocole Résultats

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Les prototypes Protocole Résultats

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Limites associées au travail de recherche

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III/ Mise en perspective de l’expérimentation Du grain à l’éprouvette De l’éprouvette à la construction Le coffrage à l’épreuve de la masse Perspectives de travaux de recherche

53 54 55 57 58

IV/ Inscription de la recherche dans le champ de la terre crue Intérêt du développement de la filière terre crue à travers l’élaboration de voiles minces Le développement de la filière terre La construction mince pour améliorer la qualité de vie

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Conclusion

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Bibliographie Table des illustrations

68 72

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Résumé

Ce mémoire aborde le thème des voiles minces en terre crue et plus précisément, la possibilité de réaliser un voile mince de grande portée en terre crue par un dispositif de coffrage gonflable.

L’hypothèse développée est que la terre crue travaille principalement en compression, ainsi l’ajout de fibres et de textiles dans la composition de la terre permettrait d’augmenter ses caractéristiques mécaniques pour développer cette typologie constructive.

Une succession d’expérimentations souligne l’hypothèse de la structure gonflable qui se montre intéressante à petite échelle, mais nécessite des d’importants moyens lors du passage à grande échelle. La structure gonflable développée entraine des déformations créant des points de faiblesses et exigeant une pression importante pour limiter celles-ci. La structure gonflable présente de nombreux avantages mais ceux si sont à reconsidérer vis-à-vis du changement d’échelle.

Le changement d’échelle du voile mince ne peut pas être facilement développé à plus grande échelle homothétiquement, mais la création sous la forme d’un réseau de voile mince limitant la flèche de chaque arc pourrait réduire la pression nécessaire sur chaque coffrage.

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Remerciements

À Messieurs Laurent Mouly, Jean-Baptiste Marie et François Streiff pour m’avoir accompagné dans l’élaboration de ce travail. À Monsieur Richard Alexandre pour m’avoir autorisé l’accès au laboratoire d’essais mécaniques. À Monsieur Christophe Martinez pour m’avoir consacré un temps précieux lors des essais en laboratoire.

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Introduction

La terre est un matériau traditionnel, disponible sur l’ensemble des continents de la planète et utilisée depuis plus de 10 000 ans1.

Toutefois, selon les peuples et les cultures, les techniques constructives diffèrent, sa méthode de mise en œuvre n’est pas unique, la terre présente des techniques de construction plurielles. Ces méthodes répondent à un mode de vie, à des besoins particuliers.

Les constructions en terre peuvent avoir différentes fonctions, comme la fonction d’habitation, de grenier à céréales, ... Elles nécessitent donc des réponses différentes.

Aujourd’hui certaines techniques traditionnelles de mises en œuvre sont majoritairement utilisées par rapport à d’autres, notamment la bauge et le pisé. Cependant, elles nécessitent une quantité de matière importante influençant l’espace produit, notamment l’épaisseur des parois structurelles. De plus, les bureaux d’études sont souvent réticents à l’utiliser de la terre comme matériau structurel.

Ce matériau possède de nombreux atouts au vu de ces caractéristiques physiques. Il permet de réguler l’hygrométrie d’un bâtiment et offre une capacité de stockage de chaleur très importante. Associé à un déphasage, il contribue à la régulation de la température intérieure en limitant la perception de la chaleur en journée tout en restituant cette énergie le soir.

Du fait de ses caractéristiques et d’une grande disponibilité, un tiers de la population mondiale vit aujourd’hui dans des constructions en terre2.

Aujourd’hui, face à la prédominance des matériaux issus de l’industrie et aux problématiques environnementales, les matériaux locaux réintègrent la construction contemporaine. Les techniques constructives traditionnelles sont réinterprétées pour devenir compatibles avec les normes et les contraintes constructives actuelles.

Dans l’histoire de l’architecture, le questionnement sur les différentes techniques constructives a permis de développer des innovations pour répondre à de nouveaux besoins. Un des exemples les plus importants est le développement des voiles minces en béton aux XIXe et XXe siècles3. Cet exemple est fort car l’image des constructions en béton était auparavant un matériau nouveau, celle-ci a totalement changé grâce à la multitude de ses possibilités formelles qui ont augmenté.

La démarche entreprise par des ingénieurs et des architectes de l’époque s’appuie, d’une part, sur des calculs mathématiques peu fiables, mais aussi sur l’expérimentation permettant à grand nombre d’innovations de voir le jour4.

L’évolution typologique des constructions en béton démontre que les méthodes sont plurielles, avec une évolution des limites, il est possible de changer l’image perçue d’un matériau. Il semble intéressant de travailler sur la possibilité de réalisation de voiles minces en terre crue ainsi que sur leurs processus de mise en œuvre.

Ce mémoire explore les possibilités de concevoir des

1 - Eco construction Lorraine [en ligne]. Disponible sur : http://ecoconstruction.rpn.univ-lorraine.fr/co/Module_UVEDTEST_156.html (Consulté le 20/11/2016) 2 - DETHIER Jean, « Construire en terre», in : Ecologik, décembre 2008, n°12, pp.54-92, p.66 3 -PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, Paris, Editions du Centre Pompidou, Juin 1999, 600p, p.13 4- ESPION Bernard, Voiles minces en béton armé : genèse et expérimentations dans les années 1920-1930, Bruxelles, Université Libre de Bruxelles, 2011, p.1

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Introduction

voiles minces en terre crue. Il s’appuie sur l’idée que la terre travaille principalement en compression5.

Il semble intéressant de voir s’il est possible de concevoir ces voiles en hybridant les techniques constructives traditionnelles.

La questions mise en avant est la suivante : comment est-il possible de réaliser un voile mince de grande portée en terre crue ?

De plus, une structure gonflable peut-elle simplifier la construction de voile mince ?

L’hypothèse développée est la suivante si la terre crue travaille principalement en compression, l’ajout de fibres et de textiles permet d’accroître ses caractéristiques mécaniques en compression pour développer des constructions en voiles minces.

L’objectif est de déterminer une hybridation de la terre crue favorable aux efforts mécaniques sollicités dans les structures en voile mince. D’autre part, le but est d’élaborer un dispositif facilitant la mise en œuvre d’un voile mince à grande échelle de forme souhaitée.

La méthode pour développer ce travail est composée de deux parties.

Premièrement, un travail sur la littérature permettant de dresser l’état des lieux actuel de la construction en terre, au travers des ouvrages de Romain ANGER, Patrice DOAT notamment. Mais aussi, des expérimentions, notamment le festival Grains d’Isère (organisé par le la-

boratoire CRAterre6) et différents travaux de recherche. La seconde partie de l’état de la littérature est centrée sur les méthodes de développement des voiles minces en béton armé du XIX et XXème siècles, ainsi que sur les recherches concernant les capacités mécaniques de ce matériau. Cette partie permet de comprendre les efforts s’exerçant dans les voiles et coques minces. Les recherches bibliographiques sont principalement fondées sur des ouvrages de structures et des études d’œuvres majeures de voiles minces.

Deuxièmement, une recherche expérimentale est menée sur le matériau terre. Le but est de comprendre, via des tests, l’influence de l’ajout de composants (fibres, textiles) dans la terre crue pour améliorer son comportement en flexion et en compression. Il est intéressant de comparer le comportement de la terre crue sans additif aux comportements des terres hybrides. Afin de procéder à ces essais, la réalisation d’éprouvettes est nécessaire pour en établir une classification et pour comprendre l’intérêt de ces ajouts dans ce type de construction. Ces essais détermineront quelle hybridation semble la plus pertinente pour la construction d’un voile mince.

Cette première phase se poursuit par le développement de prototypes de voiles minces à échelle réduite, afin de voir si la terre est un matériau qui se prête à ce type de structure. La recherche de la forme de la coque sera déterminée à partir des travaux de recherche issus de l’état de la littérature. En

5 - KIND-BARKAUSKAS Friedbert, Construire en béton : conception des bâtiments en béton armé, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, juillet 2006, 296 p., p.164 6 - Association crée en 1979, laboratoire de recherche de l’école d’Architecture de Grenoble qui s’attache à améliorer et diffuser les connaissance sur la construction en terre crue.

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Introduction

reprenant le procédé utilisé par les architectes et les ingénieurs qui ont réussi à déterminer des formes de voiles minces à l’aide d’un travail en maquette renversée, ce prototype déterminera la forme favorisant les efforts en compression7. Cette forme parfaite représente l’objectif à atteindre grâce à d’autres méthodes de mises en œuvre que celle du retournement, notamment avec une structure gonflable.

Un premier prototype à petite échelle est réalisé pour valider le mode de construction, puis d’autres à plus grandes échelles permettent de faire des essais des différentes mises en œuvre.

L’idée prédominante est de se questionner sur l’adaptation d’un mode constructif d’un prototype à échelle réduite à un procédé constructif à échelle réelle par une approche expérimentale, puis de confronter cette pratique à l’état de la filière terre crue actuelle en France.

7 - DEPLAZES Andrea, Construire l’architecture du matériau brut à l’édifice, Bâle, Birkhäuser, 2008, 559p., p.77

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Etat de la littérature La terre crue

Le matériau terre

Depuis la sédentarisation de l’homme et sa volonté de se construire un abri, il a utilisé la terre crue. Cela fait plus de onze millénaires que les habitations sont réalisées en terre crue8, de la maison au palais.

Ce matériau fut employé sur tous les continents de la planète9. Sa disponibilité lui procure un grand avantage, en plus de ses caractéristiques physiques. Une majorité des populations a su s’approprier ce matériau pour développer leurs propres techniques, afin de répondre à leurs besoins en lien avec les conditions climatiques.

Ces techniques sont variables selon l’état de la terre : liquide, plastique ou solide, ils dépendent de sa teneur en eau. Bien évidemment, selon son état, sa mise en œuvre est différente.

Malgré ses atouts, son utilisation a connu un frein, notamment à cause de l’ère industrielle et de l’urgence de la reconstruction suite à la Seconde Guerre Mondiale.

C’est principalement depuis les années 1980 que la terre a connu une recrudescence d’activité dans le domaine de la recherche et de la construction.

Pour l’utilisation à bon escient de ce matériau, il faut appréhender sa composition et les différentes réactions de la matière.

Composition interne

La terre est un matériau composé d’une multitude de grains de différents diamètres issus de l’érosion de la pierre. Sa composition interne est un point important dans ses caractéristiques mécaniques et structurelles. Ce facteur permet de

différencier les différents types de grains : les cailloux (20 cm<ø<2 cm), les graviers (2 cm<ø<2 mm), les sables (2 mm<ø< 60µm), les silts (60 µm<ø<2 µm) et les argiles (ø<2 µm).10 La variété des grains assure une cohésion de la matière en limitant les vides à l’intérieur.

La terre est donc composée d’un mélange unique de plusieurs catégories de grains qui vont lui attribuer ses caractéristiques mécaniques, et ainsi en définir son utilisation.

Identification de la terre

La terre est toujours composée des mêmes constituants, mais ils ne sont pas présents, en quantité égale. Une identification granulométrique permet de définir les proportions de chaque constituant du matériau pouvant être enrichi par d’autres essais. De nombreux ouvrages ont été publiés au sujet de ce matériau, notamment : Bâtir en terre11. Les auteurs proposent une série d’essais répartis en plusieurs catégories : analyses d’identification, essais de mise au point, test d’humidification-séchage, test d’érosion, test de gel-dégel, test d’abrasion, mais aussi des essais de performance et de caractérisation. Ces différents types d’essais permettent de caractériser la terre pour l’identifier dans le but de la travailler au mieux et d’employer la technique la plus adéquate. Ces essais peuvent bien évidement être réalisés en laboratoire, mais dans la plupart des cas, ils sont réalisés sur site avec des méthodes plus artisanales afin de comprendre son comportement. Les auteurs3, chercheurs et enseignants délivrent des

8 - AsTerre. «La terre crue» [en ligne].8p. < www.asterre.org/component/attachments/download/147>. (Consulté le 08/12/16) 9 - ANGER Romain, FONTAINE Laetitia, Bâtir en terre : du grain de sable à l’architecture, Paris, BELIN, 2009, 224p.

10 - Ibid.

11 - DOAT Patrice, Hays Alain, Houben Hugo et al., Construire en terre, Paris, Editions alternative, 1985, 287p.

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Etat de la littérature La terre crue

Les techniques traditionnelles structurelles outils d’analyse rapides pour les identifications de terre, en détaillant aussi l’influence de chaque élément de sa composition.

Les techniques traditionnelles structurelles

Aujourd’hui, un tiers de la population mondiale vit dans des habitations en terre12. En France, ces constructions font majoritairement partie du patrimoine (15% du patrimoine français est en terre, principalement en bauge et pisé),13 cependant elles sont très peu développées au sein de la construction contemporaine.

Pisé

Le pisé est une technique traditionnelle ayant connue une recrudescence d’activité, notamment grâce au travail de François Cointeraux14 au XVIIIème siècle.

Ce procédé de construction de mur en terre crue consiste à compacter des couches successives dans un coffrage à l’aide d’un pisoir15 permettant d’élaborer des murs porteurs. Cependant, cette technique n’autorise pas la succession de couches de plus de 14 cm, car les chaines de force ne sont plus continues et la matière n’est plus compactée.

Il est conseillé d’utiliser une terre légèrement humide contenant de l’argile à environ 10%, ayant un rôle de liant. La mise en œuvre est longue, en prenant en compte les temps de préparation de la terre, du coffrage, de la manutention et du décoffrage, il faut compter 4 à 6 heures de travail au total. Cependant dès la fin du compactage, celui-ci peut être

directement décoffré. Son aspect est lisse comme les banches. La mise en œuvre de terres différentes permet de jouer sur l’esthétique du mur.

Dans la première partie de l’ouvrage Construire en terre, rédigé par Patrice DOAT, Alain HAYS et Hugo HOUBEN16, est expliqué la mise en œuvre de cette technique en prenant pour exemple la construction d’une maison simple.

Cette technique a quelque peu été abandonnée dans les années 1950.

Mais, certains pays industrialisés ont essayé d’actualiser cette méthode de construction, notamment pour produire un habitat à faible coût. Plusieurs bâtiments expérimentaux ont vu le jour en Europe et en Amérique.

Bauge

La bauge est un système constructif monolithique en éléments de terre crue empilés. Pour l’application de cette méthode de construction, la terre est à l’état plastique et souvent mélangée à des fibres telles que de la paille. Le mélange peut se faire de différentes façons, selon les moyens disponibles lors de son élaboration. Il est possible d’obtenir un mélange homogène de terre et de fibres par l’action des hommes et des animaux, ou par des machines de chantier classiques (ex : pelleteuse). Sa mise en œuvre est manuelle et se fait l’aide d’une fourche.

C’est en Europe que cette technique fut particulièrement utilisée, contrairement à d’autres méthodes, celle-ci demande des murs épais avec une terre principalement argileuse.

Même si ce mode de mise en

12 - AsTerre, op. cit., p.2 13 - GUILLAUD Hubert, «Construire en terre dans un démarche globale», in : Les cahiers techniques du bâtiment, mars 2010, n°295 14 - Architecte et inventeur français, auteur de 72 fascicules sur la construction en pisé.

15 - Outil traditionnellement en bois ou métal permettant de compacter la terre crue. Il existe aujourd’hui des pisoirs pneumatiques 16 - DOAT Patrice, Construire en terre, op. cit.

Fig. 1 : Texture pisé

Fig. 2 : C.I.P.A. Dehlingen, Nunc Architectes

Fig. 3 : Entrepôt Ricolas, Herzog & De Meuron

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Etat de la littérature La terre crue

Les techniques traditionnelles structurelles

Fig. 4 : Construction en bauge

Fig. 5 : Boules de bauge

Fig. 6 : Construction en bauge

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oeuvre est long, il permet l’édification de mur porteur sans coffrage contrairement au pisé. Cependant, il est possible de dresser une levée de seulement 60 cm de hauteur en moyenne. Les couches empilées successivement sont tassées à l’aide d’une trique17 afin d’apporter une cohésion plus importante à l’ensemble des éléments.

Lors de la mise en œuvre, le mur est bien plus épais qu’il ne le sera finalement, c’est seulement après quelques jours de séchage qu’il sera retaillé à l’aide d’un paroir18.

Ensuite, il faut attendre quelques jours avant de pouvoir faire la levée suivante. Généralement, un mur en bauge fait 60 cm d’épaisseur mais cela peut varier selon sa hauteur et les contraintes qui s’appliquent sur lui. De plus, il est courant que son épaisseur soit variable, il s’affine en hauteur.

Comme le rappellent les auteurs de l’ouvrage Construire en terre19, la bauge permet de réaliser des formes libres, notamment grâce à l’absence de coffrages. Cette technique de construction est adaptée si le sol naturel ou les conditions climatiques sont trop humides (si la composition de la terre est cohérente avec cette méthode) pour le pisé, de plus le besoin de main d’œuvre est minime. Cela permet des constructions économiques avec un outillage limité.

Néanmoins, cette technique présente quelques inconvénients, un temps de séchage très long, surtout dans les climats humides et froids, ainsi qu’un besoin de matière important.

Adobe

L’adobe est une brique de terre crue, d’origine arabe, c’est une technique apparentée aux cultures méditerranéennes. Cette technique est issue de la région de l’Ouest de la Turquie, l’Anatolie où les premières constructions furent réalisées au VIIème millénaire avant notre ère18.

C’est une technique qui s’est principalement développée en Asie, en Afrique du Nord (Egypte, Iran, …) et en Amérique latine (Pérou, Mexique, …). Elle est particulièrement utilisée dans les pays chauds.

En Amérique latine, l’adobe a permis à des familles de se bâtir des abris facilement, même si sa réalisation requiert beaucoup de main d’œuvre.

Ces briques sont généralement fabriquées à partir d’une terre argileuse mêlée à des fibres naturelles.

Ces fibres permettent de limiter le phénomène de fissuration lors du séchage. Lorsque ces adobes sont façonnées sur le chantier, il y a un temps de séchage nécessaire avant de les utiliser, cependant celui-ci dépend du climat, souvent chaud et sec dans les régions où cette technique est employée. Ce délai est défini par le processus de fabrication lui-même, la terre doit être plastique pour la fabrication de ces éléments. Cela constitue un ralentissement dans l’avancement du chantier s’il n’est pas anticipé.

Toutefois, l’adobe permet des libertés dans la maçonnerie, avec une multitude d’appareillages possibles afin de répondre aux envies et aux besoins.

17 - Outil traditionnellement en bois, à tête plate pour compacter le mur et corriger sa forme.

18 - Outil comportant une longue lame tranchante.

19 - DOAT Patrice, Construire en terre, op. cit.

Etat de la littérature La terre crue

Les techniques traditionnelles structurelles Brique de Terre Comprimée Les briques de Terre comprimées, aussi appelées BTC constituent une technique plus récente ayant recours à des machines pour sa mise en œuvre, tout comme le pisé.

La matière est compactée à l’aide d’une presse mécanique afin de réduire au maximum les vides. Cette machine permet de retirer l’air du bloc de terre assurant une meilleure cohésion entre les éléments composant la terre crue.

Une fabrication sur site est donc plus facilement envisageable, seule une presse est à transporter et une manufacture peut être créée à quelques mètres du chantier. En règle générale, la terre peut être extraite à 50 cm de profondeur et doit être légèrement humide.

Il est possible d’ajouter des additifs afin de stabiliser la terre, cela va permettre de réduire le temps de séchage et d’augmenter les caractéristiques mécaniques de la brique. Cependant, le bilan carbone de la production sera affecté.

L’ensemble de ces techniques de mises en œuvre structurelles permettent d’explorer des typologies constructives différentes, pour répondre à des besoins qui diffèrent.

L’un des choix les plus important pour déterminer le mode de mise en œuvre est la composition interne du matériau, pourtant, celui-ci peut être modifié. Deux de ces trois techniques traditionnelles utilisent le système du compactage pour augmenter les caractéristiques mécaniques de la matière en réduisant les vides.

Fig. 7 : Mur d’adobe

Fig. 8 : La grande mosquée de Djenné, Mali

Fig. 9 : Presse pour BTC

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Etat de la littérature La terre crue

Les domaines de recherche

Cette recherche d’amélioration des capacités mécaniques de la matière s’est développée depuis les années 1980. Ce matériau suscite l’intérêt des chercheurs, des ingénieurs et des architectes qui sont à la recherche de modes de construction alternatifs.

Pour cela, ils s’intéressent à la terre et à ses comportements physiques très intéressants, pour le confort intérieur mais aussi structurel. La terre crue permet une régulation de l’hygrométrie intérieure, mais assure aussi une inertie thermique importante. Ces atouts ont suscité la curiosité des chercheurs allant plus loin dans l’exploitation de ses caractéristiques. De nombreux chercheurs tentent de comprendre le comportement de ce matériau naturel, afin de cerner l’influence d’additifs et de ses différentes techniques de mises en œuvre.

Ces chercheurs se regroupent souvent sous forme de laboratoires de recherche, tels que CRATerre20, mais aussi d’école, l’ENTPE21, ou d’associations telles que AsTerre, participant ainsi à la parution de nombreux ouvrages et à la diffusion de connaissances.

La stabilisation Ces recherches développent des travaux sur plusieurs thématiques telles que la stabilisation. Celleci consiste à agir sur la cohésion entre les différents composants du matériau pour modifier ses caractéristiques mécaniques. La stabilisation a pour rôle de densifier, d’armer, d’enchaîner, mais aussi de lier, d’imperméabiliser et d’hy20 21 22 23

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-

Association crée en 1979 Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat DOAT Patrice, Construire en terre, op. cit.

DOAT Patrice, Construire en terre, op. cit, p.188

drofuger la terre. Cette pratique est utilisée depuis très longtemps, néanmoins c’est principalement à partir des années 1920 que s’est développée une approche scientifique. Malgré ces recherches, la stabilisation est aujourd’hui antinomique, en posant la question de la réutilisation de la terre après la construction. Les terres sont uniques par leur composition, c’est pour cela qu’elles doivent être soumises à différents tests.

Un chapitre de l’ouvrage 22 Construire en terre , publié en 1985 est consacré à la thématique de la stabilisation qui est très importante lorsqu’un projet en terre est développé. L’ouvrage relève la problématique du réemploi de la terre pour une prochaine construction. Une terre stabilisée est plus complexe à réemployer, l’intérêt du matériau durable devient obsolète. Cependant, la réussite des projets est très dépendante des caractéristiques du matériau. Ces derniers sont variables selon de nombreux critères, et dépendent notamment de la provenance de la terre. C’est au moment du choix de mise en œuvre que le choix de la stabilisation est réalisée selon le type de terre à disposition. Malgré cela, il existe trois types de solutions comme le précise l’ouvrage : « 1) Utiliser la terre disponible sur place, donc concevoir le projet en tenant compte des propriétés de ce matériau. 2) Se procurer une terre de meilleure qualité. 3) Améliorer les caractéristiques de la terre locale, afin de créer un matériau convenant parfaitement. »23

Etat de la littérature La terre crue

Les domaines de recherche C’est dans ce troisième cas que la stabilisation est importante : les auteurs proposent d’identifier le comportement interne de la terre avec les différents éléments qui la compose, afin d’agir au mieux pour qu’elle puisse répondre aux besoins nécessaires du développement du projet.

Pour cela, il existe plusieurs possibilités. La première solution est la méthode que le pisé et les Briques de Terre Comprimées utilisent, c’est-à-dire le compactage. Il permet, comme l’indiquent les auteurs « […] de réduire les porosités du matériau par resserrement des particules. »24, et ainsi d’assurer une meilleure cohésion interne. Par rapport à cette solution de stabilisation, les auteurs exposent leurs résultats de recherches au sujet de la stabilisation par densification, sous forme de graphiques. Il est intéressant de voir que le compactage doit être signifiant pour influer sur la résistance mécanique de la terre. En effet, il faut que la densité se situe entre 2 et 2,7 pour que la résistance augmente significativement.

L’ajout de stabilisants chimiques inertes est une autre solution, celleci consiste à intégrer des fibres végétales, animales ou des armatures pour augmenter les caractéristiques mécaniques du matériau.

Un second ouvrage majeur dans le développement de la filière terre est le Traité de construction en terre25 publié à la fin des années 1980.

Les auteurs, Hubert GUILLAUD et Hugo HOUBEN, reprennent les grandes lignes précédemment évoquées tout en développant le sujet des terres armées. Cepen-

dant, de nombreux acteurs dans les constructions en terre ont pris l’habitude de stabiliser ce matériau de construction sans savoir si elle est nécessaire. L’idée à retenir est qu’un ajout trop important de fibre réduit significativement la masse volumique de la terre.

De plus, si la quantité de fibre est trop importante, le contact entre les fibres augmente et celui avec la terre réduit, en diminuant les résistances mécaniques. Le dosage idéal se situe aux alentours de 4% (de masse de terre sèche). Cependant, chaque type de fibre produit des résultats différents, il n’y a donc pas de dosage prédéfini. Ces fibres doivent être omnidirectionnelles pour être les plus efficaces, et apporter une meilleure de cohésion avec la terre.

Il est tout à fait possible de mélanger plusieurs stabilisants avec de la terre pour augmenter ses caractéristiques mécaniques.

Le troisième type de stabilisant est le physico-chimique, son principal objectif est de rendre la terre insensible à l’eau. Le type de stabilisant utilisé peut varier de la chaux, des résines ou encore du bitume. La stabilisation au ciment est apparue en 1915 aux USA, J.H. Amies a déposé deux brevets cette année là.

Cette technique s’est développée en Allemagne à partir de 1920, et aux USA dès 1935. C’est une méthode parfaitement maitrisée qui permet notamment l’élaboration de routes, d’aérodromes, mais aussi de bâtiments. C’est en 1920 que la stabilisation à la chaux également développée aux USA. Contrairement au ciment, la chaux est un

24 - DOAT Patrice, Construire en terre, op. cit. p.191 25 - GUILLAUD Hubert, HOUBEN Hugo. Traité de construction en terre : volume 1, Marseille, éditions Parenthèses, 1989, 355p.

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Etat de la littérature La terre crue

Les domaines de recherche

Fig. 10 : Voile mince en terre crue

Fig. 11 : Façade en terre coulée

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produit minéral naturel.

Ces différentes méthodes de stabilisation permettent d’ouvrir les possibilités quant à l’utilisation de la terre dans le domaine de la construction. Cependant, la stabilisation de la terre crue peut avoir un impact important sur le bilan environnemental de la construction.

Lors de la recherche du stabilisant, il ne faut pas entrer dans une systématisation du processus, mais plutôt comprendre la structure interne de la terre en faisant un choix cohérent. La terre crue ne doit pas être stabilisée si cela n’est pas nécessaire, car une stabilisation physico-chimique peut rendre la terre incompatible avec un réemploi futur.

Les expérimentations Les nombreuses recherches sur la terre ont mené à des expérimentations afin de valider les résultats obtenus en laboratoire. Différentes expérimentations existent dans ce type de recherche. Il faut savoir que chaque type de terre est unique.

C’est notamment pour cela, qu’il est difficile d’établir des normes avec ce matériau, et que l’expérimentation tient un rôle important dans le développement de la filière de construction en terre.

Il existe plusieurs types d’expérimentation sur ce matériau, du prototype d’auto-construction, aux mises en œuvre de bâtiment, ainsi que des initiatives collectives comme le festival Grain d’Isère.

Chaque année ce festival permet d’expérimenter de nouvelles techniques pour la réalisation de constructions en terre. Ces expérimentations n’ont pas forcément de but scientifique au premier abord, mais elles permettent d’étudier ce

champ de réflexion.

Etat de la littérature Les voiles minces

L’approche mathématique

Les constructions en voiles minces constituent de nouvelles possibilités en termes d’espaces et de formes architecturales. C’est pour répondre à un nouveau besoin, notamment dû au développement du stockage dans le domaine de l’aviation,

Fig. 12 : Pavillon du ciment Portland, Zurich

Fig. 13 : Marché de Royan, en chantier

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que les architectes et les ingénieurs du XIXeme et XXeme siècles ont développé de nouvelles techniques constructives à partir de toile tendue, mais aussi grâce à l’arrivée d’un matériau issu de l’industrie, le béton.

Ce nouveau matériau, le béton de ciment, supporte principalement les efforts en compression, contrairement à la flexion et à la traction. Ce dernier a rapidement évolué afin d’améliorer ses points faibles. Avec l’ajout d’éléments métalliques, celui-ci devient plus résistant en flexion, c’est l’arrivée du béton armé (1892).

C’est trente ans plus tard, que des ingénieurs vont chercher à développer de nouveaux types de structures avec ce matériau, notamment les voiles minces. Ces structures spatiales ont une épaisseur très faible par rapport à leur portée et à leur hauteur. Une des premières demandes de ce type de construction était liée à un usage bien particulier, celui de couvrir de grandes surfaces sans obstacle, notamment pour des hangars d’aviation.

Cependant, cette typologie constructive n’est pas toujours élaborée de la même manière. Il est possible de distinguer deux procédés différents dans l’histoire de l’architecture pour réussir ces formes complexes. Une première possibilité est un développement théorique, s’appuyant sur les mathématiques et des formules complexes qui ont fait l’objet de plusieurs publications ; l’ouvrage de l’ingénieur français Bernard Laffaille Mémoire sur l’étude générale des surfaces gauches minces, en 1935.

Tout comme le livre d’André Coin, enseignant à l’Ecole Supérieur des Travaux Publics : Cours de voiles minces, en 1971. Face à ce dévelop-

pement théorique, le second mouvement est plutôt pratique et requiert une recherche expérimentale de formes. Les protagonistes de cette démarche sont principalement Frei Otto, Edouardo Torroja, Heinz Isler.

L’approche mathématique Franz Dischinger a une approche mathématique pour ce type de construction, afin de prévoir leur comportement. Cependant il vérifie ses calculs par la mise en charge de prototypes ou de constructions physiques. Comme l’écrit E.-Y. Galantay dans la revue L’Architecture d’Aujourd’hui en 1956, il inventa notamment « […] les voiles à surface de translation qui permettent de couvrir des superficies rectangulaires mais aussi la théorie des coupoles sphériques sur plans triangulaires, carrés ou polygonaux. »28 Ainsi que « […] le principe de l’équilibrage statique des masses qui permet de calculer les systèmes spatiaux qui dérivent de formes symétriques par déformation linéaire. »29 Dans cette même démarche, Bernard Laffaille a développé de nombreuses constructions à partir d’une approche mathématique. Ses constructions sont qualifiées de plus techniques et moins plastiques que d’autres : « Un mode intellectuel de penser (qui) alimente l’imagination constructive au même titre qu’une réelle connaissance architecturale »30. Il a principalement travaillé sur des couvertures et c’est l’un des premiers à s’intéresser aux surfaces gauches minces autoportantes en béton armé. Il est le premier constructeur de conoïdes et paraboloïdes hyperboliques.

28 - CANDELA Felix. « Les voutes minces et l’espace architectural », in : L’Architecture d’aujourd’hui, mars 1956, n°64, p.22- 27 29 - Ibid.

30 - LAFAILLE Bernard, Mémoire sur l’étude générales de surfaces gauches minces, 1935, 39p, p.7

Etat de la littérature Les voiles minces

L’approche expérimentale

Par retournement

Le second courant est la recherche par expérimentation, développée principalement à partir du principe de la chaînette31, par Hooke en 1678. L’ingénieur suisse Heinz Isler a beaucoup travaillé avec ce principe pour créer des formes gauches en béton armé. Le principe est de suspendre un voile enduit de plâtre qui, se retourne avec la gravité et sèche en prenant une forme funiculaire. Les efforts auxquels il est soumis sont principalement la traction et le cisaillement. D’après la Loi de Hooke, en retournant le modèle, la matière travaille principalement en compression, les efforts pour lesquels le béton est le plus performant. Il est facile de faire varier et d’assembler différentes formes.

Avec ce principe, Heinz Isler a notamment élaboré la couverture de la station-service de Deitingen en Suisse en 1968, mais aussi le Wyss Garden Center en 1961, comme le montre l’ouvrage d’Antoine Picon, L’art de l’ingénieur : Constructeur, Entrepreneur et inventeur, publié en 1997, « La coque, supportée en 4 points, ne présente pas de renforcement d’extrémité ; les extrémités sont en légère tension pour éviter les risques de flambement.

32 » . Sa méthode de travail est relatée dans l’ouvrage consacré à Félix Candela, écrit par MOREYRA GARLOCK en 2008, il décrit son travail comme une structure d’art, mêlant efficacité, économie et élégance. Sa recherche a été élaborée en réflexion sur la résistance de la structure, à partir d’une utilisation minimale de la matière naturelle.

Par ses réflexions et ses recherches, il influença notamment les travaux de Torroja, Esquillan et Arup avec la

publicationNew Shapes for Shells où il explique, les différentes solutions pour développer des voiles minces avec plusieurs dizaines de possibilités de formes structurelles, grâce à des possibilités illimitées.

Cependant, le problème majeur de ces réalisations est le coût de réalisation. Sa réponse repose sur « […] de nouvelles formes pour de nouveaux systèmes de constructions. Il utilisait alors des morceaux d’arc en lamellé collé placés sur un échafaudage métallique et appuyée sur des planches de bois sur lesquelles reposait le cof33 frage. » Dans cette démarche, il n’était pas satisfait des formes géométriques qu’il avait développé. Envahi par la méthode de pensée de son ancien enseignant Pierre Lardy, il invente, à l’âge de 28 ans des formes qu’il appelle « formes pneumatiques ». En expérimentant, il développe une structure en bois sur laquelle il vient tendre une membrane en caoutchouc, ce qui donnera la forme d’un oreiller. Les efforts impliqués dans ces formes sont principalement des efforts en compression. Il en déduit donc que le béton armé est le matériau idéal pour ce type de structure, car les efforts de gravité font travailler la coque en compression. Son premier édifice utilisant ce principe, est un bâtiment pour la société Trösch en 1955. L’auteur nous apprend que cette même année, il découvre qu’un linge mouillé suspendu par ses quatre extrémités est en pure traction. Donc, par retournement, il est alors en pure compression, ce principe est issu de la Loi de Hooke. C’est par cet exemple qu’il développe la forme de la station-service BP construite en Suisse en 1968.

31 - L’observation d’une corde suspendue peut resister à la traction, en la retournant, cette courbe est soumise à la compression 32 - PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, Paris, Editions du Centre Pompidou, Juin 1999, 600 p.

33 - CANDELA Felix, « Les voutes minces et l’espace architectural », In : L’Architecture d’aujourd’hui, mars 1956, n°64, p.22- 27

Fig. 14 : Maquette d’étude, Heinz Isler

Fig 15 : Loi de Hooke

Fig. 16 : Station essence, Heinz Isler

21

Etat de la littérature Les voiles minces

L’approche expérimentale

Fig. 17 : Hippodrome de Zarzuela, Tarroja

Fig. 18 : Hippodrome de Zarzuela, Tarroja

Fig. 19 : Dôme géodésique, Walter Bauersfeld 22

De plus, l’ouvrage présente aussi le travail d’Edouardo Torroja, notamment l’hippodrome de Zarzuela, qui se rapproche du travail de l’ingénieur Felix Candela. Lors de l’élaboration de ce projet, Torroja est confronté à un problème majeur, il n’existe pas encore de méthode précise pour calculer les contraintes pour ce type de porte-à-faux courbe. Il a donc été obligé de passer par une élaboration expérimentale afin de vérifier ses intuitions. Ce voile a également survécu aux éclats et aux tremblements causés par les bombardements de la guerre civile espagnole.

Durant cette guerre civile, Antonio Candela s’est expatrié au Mexique.

Son fils Felix, fut intéressé très tôt par les voiles minces et a appris le système constructif de lui-même en analysant de nombreux ouvrages.

C’est au début des années 1950 qu’il a commencé à construire des voiles minces en béton. Ces premiers voiles à grandes échelles sont des reproductions d’ouvrage déjà réalisés, ils ont été refaits à titre expérimental. Ces premières constructions étaient des formes traditionnelles, conoïdes, et cylindriques ; c’est avec l’expérience qu’il a développé sa propre méthode et son art. Dans ce livre, Edouardo Torroja met en avant les différentes connaissances apprises lors de l’expérimentation en citant Candela : « […] l’épaisseur minimale pour une coque, d’un point de vue pratique et économique, était de 4 cm. » et le second, « […] Dans le cas d’un grand voile quelques précautions doivent être prises avec le décentrement, mais normalement vous pouvez retirer les coffrages, en commençant depuis les bords ou le centre de la structure, pensez juste à la symétrie de la conception. ». Ces coques simples font parties des pre-

miers travaux de Felix Candela.

Plus tard, il travaillera sur deux autres catégories de voiles. Ceux à doubles courbures précontraints pour éviter la flexion et ceux prévus pour supporter des charges s’apparentant à ses structures « parapluies ». La précontrainte a été un de ses axes de recherche et de publication.

Il a notamment évoqué au sujet des hyperboloïdes : « […] c’est la seule surface courbe dont l’équation est simple pour calculer la précontrainte avec des mathématiques élémentaires ». Comme pour la réalisation du travail d’Isler, la construction de ses voiles minces s’appuie sur un coffrage, posé sur des échafaudages en bois ou en métal.

A la même époque, en Allemagne, l’entreprise d’optique Zeiss de Léna souhaite projeter une image de la voûte céleste à l’intérieur d’un dôme.

Pour cela l’ingénieur, Walter Bauerfeld conçoit une structure spatiale en métal. Elle est composée de barres d’acier reliées par des nœuds permettant de respecter la courbure exacte. Mais la question qui se posait après avoir mis en place cette ossature, était comment réaliser la coque sur laquelle la projection peut avoir lieu. La solution a été de projeter du béton sur l’ossature métallique à l’aide d’un coffrage en bois. Le prototype faisait 16 m de diamètre pour une épaisseur de 3 cm (quotient : 1/530). Ce système a été breveté par les deux entreprises, Zeiss et Dywidag, le bureau d’études était à l’époque dirigé par Franz Dischinger qui développera par la suite un grand nombre de voiles minces. Le planétarium de Zeiss sera réalisé en 1925 avec une structure constituée de deux coques. Plusieurs édifices ayant cette même fonctionnalité seront créés en Europe.

Etat de la littérature Les voiles minces

Amélioration des capacités du béton

Afin de repousser les limites des constructions en béton, la matière a été hybridée pour améliorer ses ca-ractéristiques mécaniques.

Le béton armé Inventé à la fin du XIXème siècle, le principe du béton armé est d’allier du béton avec des éléments de structure en acier permettant de le renforcer. L’acier étant résistant à la traction, contrairement au béton, leurs propriétés mécaniques se complètent.

Pour les premiers bétons armés, les barres en acier étaient lisses, mais les chercheurs ont rapidement remarqué qu’en ajoutant de la rugosité (à ces dernières), l’adhérence entre les deux matériaux augmente de façon importante, ce qui est très intéressant pour la cohésion des éléments. De plus, d’un point de vue économique, l’alliance des deux matériaux est très intéressante, du fait qu’elle permette d’utiliser l’acier en faible quantité.

Développé au XVIIIème siècle, l’acier est plus résistant que le fer et la fonte, cela est dû à son dosage en car-bone.

Le béton armé permet d’améliorer les capacités mécaniques d’un béton traditionnel, et de construire des ouvrages plus hauts et plus grands, en les soumettant à plus de contraintes.

La précontrainte Ces contraintes et ces déformations, l’ingénieur français Eugène Freyssinet a pu les observer lorsqu’il a construit les trois ponts au-dessus de l’Allier, à peine l’ouvrage terminé, le premier pont a commencé à s’écrouler. Il en a déduit que les écrits sur les déformations du béton étaient erronés. Il a décidé de tout reprendre et de modifier la courbure de l’arc du pont en cours de chantier et de précontraindre l’arc.

Cette réalisation a été une réussite et l’a rendu populaire dans le monde de

la production.

De plus, pendant la guerre, le fer devient une ressource rare pour la construction, et la demande de ponts et de hangars est forte. Il a pris l’habitude de construire en béton très peu armé. La solidité de ses ouvrages est due à leur forme spécifique. Ses recherches pratiques et théoriques l’ont poussé à inventer la précon-trainte du béton. Selon lui, le mélange de l’acier et du béton dans le béton armé n’est pas très efficient. Il pense qu’il faut anticiper les déformations de l’ouvrage pour ainsi préparer le béton à ces efforts afin de limiter les efforts de traction entraînant des fissures. Il faut comprimer le béton de façon à ce que ces efforts soient supérieurs aux efforts de tractions auxquels il sera soumis. Le béton est compressé par des câbles situés à l’intérieur de gaines métalliques lors du coulage du béton. Une fois la poutre sèche, les câbles sont tendus de façon à compresser le béton jusqu’à la valeur calculée. Puis, le béton est injecté par les têtes d’encrage pour stopper le phénomène. Si la charge sur la poutre dépasse la valeur critique, des fissures se développent sur la partie inférieure, en raison d’une traction trop importante pour le béton. La partie supé-rieure de la poutre s’éclate à cause de la surcompression de cette partie.

Après ce stade de rupture, si la charge diminue, la poutre va se reformer et refermer les fissures observées. Une poutre non précontrainte ne peut pas se reformer après rupture. En 1928, Freyssinet dépose le brevet, mais la demande n’est pas à son espérance.

L’œuvre qui lancera la précontrainte est la gare maritime du Havre. Le sauvetage de cet ouvrage lui a permis de rencontrer de nombreux constructeurs, notamment Edmen Campenon, avec qui il s’est s’associé pour fonder la Société Technique pour l’Utilisation

Fig. 20 : Eugène Freyssinet

Fig. 21 : Hangar pour dirigeables, Orly, Freyssinet

Fig. 22 : Pont de Plougastel, Freyssinet

23

Etat de la littérature Les voiles minces

Amélioration des capacités du béton

Fig. 23 : Maquette du C.N.I.T.

Fig. 24 : Le C.N.I.T. en chantier.

Fig. 25 : Le C.N.I.T.

24

de la Pré-contrainte dix ans plus tard.

Antoine Picon, dans son encyclopédie écrit : « Avec la précontrainte, le couple béton-acier est remplacé par le couple béton- béton. Le béton devient alors un solide homogène, isotrope […] »34.

Cette technique constructive a permis la mise en œuvre de nombreux ponts préfabriqués en atelier, assemblés et précontraints sur le chantier avec une élégance et un finesse extraordinaire.

La méthode de la précontrainte ne s’applique pas seulement aux poutres, aux ponts et aux dalles, mais également aux constructions en voiles minces, telles que le CNIT à Paris.

Selon Freyssinet et ses confrères, ce type de structure a plusieurs avantages ; le gain de matière, ainsi que l’aspect esthétique et pratique, aucun besoin de raidisseurs parasites.

Bien évidemment, les constats faits à l’époque montrent que la forme détermine le pouvoir porteur et la rigidité de l’édifice. Mais il est tout à fait possible d’adapter la forme aux exigences spatiales et acoustiques. Cependant, ces typologies construc-tives ont un coût très élevé. Le développement de la forme est une phase de recherche très longue via des vérifications par des calculs complexes. De plus, la mise en œuvre doit être réalisée avec précaution, ce qui requiert du temps et des ouvriers compétents. Ce problème économique est notamment dû au coffrage nécessaire pour la réalisation des ouvrages.

Ces divers éléments sont évoqués dans l’ouvrage Shell Structure for Architecture traitant des voiles minces structurels, en expliquant plusieurs principes. Après une brève introduction sur ce sujet, les auteurs affir-ment qu’il existe trois méthodes pour calculer la résistance des voiles minces au-

jourd’hui. La première est le calcul simplifié en se rapprochant des formules pour voiles simples. La seconde est la simulation par or-dinateur et la dernière, l’expérimentation sur des prototypes. Ils expliquent que les prototypes physiques permettent de déterminer des formes de structures, mais ils ne sont plus employés comme unique vérité comme ils l’étaient auparavant.

Maintenant, une simulation informatique est nécessaire. Cependant, les au-teurs précisent que la simulation reste théorique, du fait que virtuellement la forme esquissée est parfaite, tout comme sa mise en œuvre. Ils prêtent attention au fait qu’il y existe souvent une différence entre les ré-sultats pratiques et théoriques.

Les auteurs nous livrent des raisons pour lesquelles les prototypes à échelle réduite sont utilisées : « La méthode de calcul est trop complexe ou prend trop de temps ; Cela coûterait trop cher de construire un proto-type à échelle réelle ; les méthodes d’analyses structurelles traditionnelles ne sont pas appropriées ; la géo-métrie de la structure ne peut pas être définie par une équation ; ce type de structure est sans précédent. »35 Afin d’obtenir la forme de voile voulue, les architectes et les ingénieurs suspendent des poids sur leurs pro-totypes retournés. Cela permet à la coque de prendre la forme voulue et de travailler principalement en compression après retournement. Heinz Isler utilisait notamment des tissus imbibés de résine ou de plâtre pour créer des charges uniformes. Il procédait aussi avec des tissus humides qu’il suspendait dehors, lors des nuits hivernales en Suisse.

34 - PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, op. cit.

35 - ADRIAENSSENS Sigrid, BLOCK Philippe, VEENENDAAL Diederik, WILLIAMS Chris. Shell structures for architecture : Form finding and optimization, Londres, Routledge, 2014, 340p.

Etat de la littérature Les voiles minces

Amélioration des capacités du béton

Les bétons fibrés ultra performants

C’est dans les années 1970 que les recherches vont mettre au jour les BFUP35, commençant au Danemark sous la direction du professeur Bache. En France, son développement date des années 1990. Ces recherches sont notamment menées par Pierre RICHARD du groupe Bouygues. Le Ductal a été développé dans les ateliers Lafarge de l’Isle-d’Abeau, c’est le premier BFUP commercialisé.

Ce type de béton fibré ultra performant est baptisé Ductal, en raison de sa forte ductilité. C’est grâce à l’envie de créer un béton très performant permettant de nouvelles réalisations, que des chercheurs ont développé ce produit en 1994.

Dans le même ordre que les recherches sur la terre, le but est de minimiser les vides dans la matière afin d’augmenter sa densité par conséquent sa résistance à la compression.

Pour obtenir un béton ultra performant, il faut réduire la teneur en eau de celui-ci. D’ordinaire, un béton a un rapport eau sur liant de l’ordre de 0,4 à 0,6. Afin de diminuer celui-ci, il faut avoir recours à un superplastifiant permettant la dispersion du liant. Avec du plastifiant, le rapport est de l’ordre de 0,25. Cela permet d’ajouter une quantité importante de liant. De plus, sa compacité est augmentée par l’ajout important de fumées de silices qui représentent au final 20% de la masse du béton.

Cette compacité accrue explique sa résistance importante à la compression. De plus, les graviers sont plus petit que dans un béton ordinaire afin d’assurer une meilleure

cohésion et ne pas créer de point de faiblesse.

Cependant, ces modifications entraînent un comportement très fragile de ce dernier. Afin de pallier à cela, il faut ajouter des fibres dans le mélange. Cela permet une meilleure cohésion de l’ensemble, et de le rendre plus ductile de 2 à 10% du volume selon les besoins en traction. Le taux de fibres élevé assure une microstructure fermée, qui est un gage de performance mécanique et de durabilité.

De plus, il ne possède pas d’armature passive, cela facilite la réalisation de structure légère et de formes complexes, telles que les coques et les voiles minces ; mais également pour la construction de pont et de passerelle, où ses caractéristiques permettent d’obtenir un ouvrage relativement fin.

Fig. 26 : Passerelle du Pont du Diable R. Ricciotti

xxxxxxxxx

35 - BFUP : Béton Fibré Ultra Performant

Fig. 28 : Le MuCem, Rudy Ricciotti

25

Etat de la littérature Les voiles et la terre

Fig. 29 : Voile mince en terre crue

Fig. 30 : Vaulter Brick Pavillion, Barcelone, Map13

Fig. 31 : Ecole Nationale d’art de Cuba, V. Garatti 26

Les voiles minces présentent de nombreux avantages peuvent être qualifiés en deux catégories. La première est usuelle, cette typologie constructive permet notamment de couvrir de grandes surfaces sans appui intermédiaire.

Cela assure une certaine modularité de l’occupation intérieure. La seconde catégorie est d’avantage liée à la finesse de la construction, à la légèreté. La fine épaisseur de matière permet de limiter les coûts en matière première et cela dans la majeure partie des éléments de construction (économie d’armatures, fondations réduites,…). De plus, il existe une certaine esthétique de construction, même si ce dernier point reste subjectif.

Cependant, le principal défaut de ce type de construction est le coût de mise en œuvre, notamment à cause des coffrages.

La forme est simple à déterminer, mais elle pose de nombreux problèmes pour sa réalisation. En utilisant le principe de la Loi de Hooke (principe de la chaînette), la forme est déterminée à l’aide d’un simple fil ou d’un textile suspendu.

La réalisation de prototype est très simple de ce fait, de nombreux exemples existent, notamment sur le travail de Heinz ISLER au cours du XXème siècle.

A l’échelle d’un prototype, le retournement ne pose aucun désagrément. De plus, ce principe d’élaboration permet d’obtenir une forme parfaite. Ce mode de mise en œuvre ne peut pas être appliqué à des voiles de grandes dimensions.

Pour un retournement aisé de ces formes (sollicitant des efforts en compression), il faudrait mettre en place une structure contraignant l’ouvrage pour qu’il n’y ait aucune

déformation possible.

De ce fait, la majorité des ouvrages de voiles minces en béton ont été réalisés à l’aide de coffrage. Ce sont ces coffrages qui représentent une part importante dans le budget de la construction à cause de plusieurs facteurs. Il est évident qu’il est possible de réutiliser ces coffrages pour reconstruire l’ouvrage, cependant il sera identique. De plus, ces coffrages représentent une matière importante qui peut être difficile à stocker, et influe forcément sur les coûts, avec une difficulté pour le transport.

Le système constructif des voiles minces peut-il être simplifié ?

II/ De la théorie à la pratique : l’expérimentation

A la lumière de l’ensemble de ces informations, la deuxième partie de ce mémoire a pour objectif d’analyser le comportement de la terre crue en flexion et en compression au sein d’un laboratoire.

Par la suite, l’exploration du coffrage sera abordée dans le cadre de la réalisation de prototype de voile mince en terre crue.

L’ensemble des illustrations suivantes est issue du travail de recherche et a été produit par l’auteur de ce mémoire.

29

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Laboratoire

Protocole d’expérimentation

L’expérimentation a pour but de déterminer si la terre est un matériau la viabilité du matériau terre dans la construction de voile mince, et si son comportement est semblable à celui de béton.

La première étape est de déterminer l’influence des fibres et des textiles sur la terre crue. Pour cela, des essais en laboratoire sont effectués. Le lycée Le Corbusier à Saint-Etienne-du-Rouvray possède des machines pour ces essais en flexion et en compression avec des éprouvettes de 4x4x16. Vingt configurations différentes y sont testées.

Cependant, par pouvoir réaliser des moyennes de ces résultats, chaque test sera effectué 3 fois.

Cette première étape nécessite au total la réalisation de 60 éprouvettes. Ces échantillons ont pour

but de tester les capacités mécaniques de la terre avec différents ajouts. Ces hybridations de terre crue sont composées de différentes densités de fibres (2%, 4% et 6% de la masse de terre sèche).

Ces fibres sont testées selon différentes longueurs, courtes (1 cm + ou - 3 mm), moyennes (3 cm + ou - 3 mm) et longues (6 cm + ou - 3 mm). Les fibres utilisées sont des fibres de jute pour des questions de calibrage et d’approvisionnement. Ces fibres végétales sont coupées manuellement permettant le contrôle des longueurs.

Pour les essais comprenant l’ajout de textile, il s’agit d’un morceau de toile de jute aux dimensions de l’éprouvette. Dans chaque éprouvette, il y a 5 couches de textiles réparties uniformément.

Tableau des différentes éprouvettes d’hybridation de terre crue.

30

Les coffrages de ces éprouvettes sont réalisés en bois MDF par découpe laser, afin d’assurer un niveau de précision important des côtes. Les parois des coffrages sont recouvertes de scotch afin de limiter l’imprégnation de l’eau et d’humidité, et d’éviter tout gonflement qui viendrait les déformer.

De plus, cette méthode permet un décoffrage plus aisé et une réutilisation des éléments.

Le séchage des éprouvettes dure 21 jours à température ambiante et à l’abri du rayonnement solaire direct, afin de limiter le risque de fissuration qui pourrait compromettre les résultats. Les éprouvettes sont réalisées le même jour afin d’assurer un temps de séchage équivalent pour chacune d’entre elles d’entre elles.

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Laboratoire

Confection d’éprouvettes : étapes suivant l’ordre chronologique Rouen, Avril 2016

Coffrage des éprouvettes

Réalisation des éprouvettes

Décoffrage des éprouvettes après 72h

Découpage des fibres de jutes

Surfaçage des éprouvettes

Séchage des éprouvettes (28jours)

Préparation des terres fibrées

Surfaçage des éprouvettes

Identification des éprouvettes

31

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Laboratoire

Résultats des essais en compression

Saint-Etienne du Rouveray, Mai 2016

L’élément le plus important qui ressort de ces essais est la différence de résistance entre la terre crue (environ 2 Mpa) et la terre crue fibrée (environ 7 Mpa36).

Cependant, les différentes valeurs entre ces résultats sont faibles, mais ils mettent en évidence quelques tendances.

A l’observation du graphique récapitulatif des moyennes obtenues lors des essais en compression (p.31-32), il est notable que l’une d’entre elle doit être écartée pour évaluer les tendances de ces résultats.

Le premier graphique montre que le textile (la toile de jute) n’apporte pas toujours plus de résistance.

Lors de l’observation des éprouvettes, après des essais jusqu’à la rupture, il est notable que cet élément ne permet pas la cohésion de la matière et apporte des points de faiblesses. Les éprouvettes en terre crue fibrées à 4% (de masse de terre sèche) avec des fibres courtes apportent des résultats nettement inférieurs. Ce résultat va à l’encontre des tendances esquissés par l’ensemble des essais et apparait comme une anomalie. Cette baisse significative montre que cette hybridation est moins performante en compression que la terre avec 2 ou 6% de fibres courtes. (cf : graphique p. 31).

tantes à la compression.

De plus, lors de la présence de fibre longues, au dessus de 2%, les valeurs chuttent. l’hypthothèse émise serait qu’il y a une saturation des fibres. Celles-ci ne permettent pas la cohésion totale de la matière contrairement à la fibre moyenne.

Ce second graphique met en évidence que sur les moyennes obtenues, les éprouvettes fibrées à 4% sont plus performante.

Eprouvette fibrée après compression

Machine essais compression

Eprouvette fibrée après compression

Eprouvette fibrée après compression

Eprouvette terre crue après essai en compression

En utilisant les mêmes données, le graphique suivant (cf : graphique p.32) met en évidence la relation entre la résistance à la compression et la longueur des fibres utilisées.

Il est visible que les éprouvettes ayant un poucentage de fibres de 2% sont nettement moins résis6

36 - Mégapascal : unité de contrainte et de pression 1Mpa = 10 Pa

32

Terre crue + % de fibre (masse sèche)

6,94

6,96

6,98

7

7,02

7,04

7,06

7,08

7,1

33

+ Textile

+ 2% Courtes

+ 2% + Textile + 2% + Textile Moyennes + 2% Longues +2% Moyennes Courtes + 4% Courtes

+ 4% + Textile + 4% + Textile Moyennes + 4% Longues +4% Moyennes Courtes

Essais en compression classés par pourcentage de fibre (par rapport à la masse de terre sèche)

+ Textile + 2% Longues

+ Textile + 4% Longues

+ 6% Courtes

Essais compression (Mpa)

+ 6% + Textile + Textile Moyennes + 6% +6% Moyennes Courtes

+ 6% Longues

+ Textile + 6% Longues

Terre crue + % de fibre (masse sèche)

6,94

6,96

6,98

7

7,02

7,04

7,06

7,08

7,1

34

+ Textile

+ 2% Courtes

+ Textile +2% Courtes

+ 4% Courtes

+ 2% + Textile + 4% + Textile + 6% + Textile + 2% + Textile Moyennes + 2% Moyennes + 4% Moyennes + 6% Longues +6% Moyennes Moyennes Moyennes Courtes

Essais en compression classés par longueur de fibre

+ Textile + 6% +4% Courtes Courtes

Essais compression (Mpa)

+ Textile + 4% + 2% Longues Longues

+ Textile + 6% + 4% Longues Longues

+ Textile + 6% Longues

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Laboratoire

Résultats des essais en flexion Saint-Etienne du Rouveray, Mai 2016

Machine d’essais en flexion

Machine d’essais en flexion

Lecture de la valeur de rupture

Les différentes éprouvettes ont été soumises à différents efforts en flexion afin de connaitre leur résistance. Ces essais ont été amplifiés jusqu’à la rupture externe afin d’observer et d’analyser ces ruptures.

Les données récoltées ont été retranscrites sur des graphiques permettant d’en déduire des tendances. (cf : graphiques p.34-35) D’après le premier graphique, classé par pourcentage de fibre, il est visible que les éprouvettes fibrées à 4% sont plus performantes en flexion que celles à 2% et à 6%.

Cependant, le fait que les éprouvettes comportent des couches de textiles ne semble pas tracer de tendance au vu des résultats obtenus.

Ces éprouvettes qui ont des textiles sont souvent plus résistants aux efforts en flexion, c’est notamment le cas pour les éprouvettes fibrées à 6% (sauf fibres longues).

L’observation des éprouvettes après rupture permet de souligner que l’ajout de textile vient apporter une cohésion dans l’ensemble de l’éprouvette. Il n’est pas possible de la rompre en deux morceaux contrairement aux autres. Cela vient probablement du fait que le textile apporte une surface importante de frottement.

Cependant, certaines éprouvettes avec textile tendent à se rompre dans le sens de la longueur après l’essais mécanique. Ce comportement est probablement induit par la densité des mailles du textile. La toile de jutte ayant des mailles sérrées, les particules de terre ne sont pas en parfaite cohésion, ainsi le textile tend à créer une rupture physique.

Eprouvette fibrée après essai en flexion

Eprouvette fibrée avec textile après essai en flexion

Eprouvette fibrée avec textile après essai en 35 flexion

Terre crue + % de fibre (masse sèche)

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

36

Terre + Textile crue

+ 2% Courtes

+ 2% + Textile + 2% + Textile Moyennes + 2% Longues +2% Moyennes Courtes + 4% Courtes

+ 4% + Textile + 4% + Textile Moyennes + 4% Longues +4% Moyennes Courtes

Essais en flexion classés par pourcentage de fibre (par rapport à la masse de terre sèche)

+ Textile + 2% Longues

Essais flexion (Mpa)

+ Textile + 4% Longues

+ 6% Courtes

+ 6% + Textile + 6% + Textile Moyennes + 6% Longues +6% Moyennes Courtes

+ Textile + 6% Longues

Terre crue + % de fibre (masse sèche)

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

37

Terre + Textile crue

+ 2% Courtes

+ Textile +2% Courtes

+ 4% Courtes

+ Textile + 6% +4% Courtes Courtes

Essais en flexion classés par longueur de fibre

+ 2% + Textile + 4% + Textile + 6% + Textile + 2% + Textile Longues +6% Moyennes + 2% Moyennes + 4% Moyennes + 6% Moyennes Moyennes Moyennes Courtes

Essais flexion (Mpa)

+ Textile + 2% Longues

+ 4% Longues

+ Textile + 6% + 4% Longues Longues

+ Textile + 6% Longues

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

L’analyse des résultats des essais mécaniques en laboratoire permet de tirer des tendance entre les différentes hybridations de terre crue.

Les résultats permettent de mettre en valeur certaines tendances observées dans l’état de la littérature.

L’intérêt de l’ajout de fibre augmente la cohésion de la matière et ses caractéristiques.

De plus, les résultats montrent que la terre crue est plus résistante face aux efforts en compression qu’en flexion.

Cela permet d’orienter la seconde phase de l’expérimentation au vue des résultats obtenus. Cette seconde partie développe une recherche sur la capacité de la terre crue au sein des constructions de voile mince. Pour cela, la forme développée est à la recherche d’éfficience pour ce matériau, pour favoriser les efforts en compression et minimiser les efforts en flexion.

De plus, ces différents essais permettent un choix d’hybridation de terre crue, le plus favorable pour la construction de voile mince travaillant principalement en compression.

39

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Protocole d’expérimentation

La seconde phase d’expérimentation s’appuie sur la réalisation de prototype de voile mince à la lumière des résultats issus des essais précendents. Pour réaliser ces prototypes, plusieurs méthodes sont envisageables : coffrage, moulage, retournement ...

Dans un premier temps, le principe choisi est le retournement, celui-ci permettra de développer des formes simples à la lumière du travail des ingénieurs du XXème siècle.

Sur la base du travail d’Heinz Isler, la forme d’oreiller, permettant de couvrir une surface carrée sera développée pour obtenir une forme parfaite travaillant principalement en compression. Les prototypes seront d’une taille d’environ 50x50 cm.

Des cotes seront prises pour reproduire cette forme à l’identique via un autre moyen de mise en œuvre.

Cela permettra d’éviter le retournement qui peut être complexe selon les dimensions du prototype, mais surtout impossible à faire pour une construction à échelle 1.

La première étape de cette seconde phase d’expérimentation revient à déterminer un prototype de forme dite parfaite, qui sera utilisé comme modèle. C’est la forme ci-contre qui sera recherchée par la suite. Pour la déterminer, un tissu enduit de terre sera retourné puis séché.

Puis, la recherche se basera sur la simplification de la mise en œuvre de cette forme, avec une réflexion sur la possibilité de mettre au point ce processus sur des échelles bien plus importantes. Le retournement n’étant pas possible, un premier axe de recherche sera réalisé à l’aide d’une structure gonflable, toujours en essayant d’obtenir la même forme déterminée par retournement.

40

Pour contraindre cette structure gonflable, plusieurs expérimentations seront menées. Dans un premier temps, des câbles seront posés afin de contrôler sa forme.

Cependant, cette méthode risque de créer des nervures qui, dans ce cas ne seront pas souhaitées.

Pour prolonger cette expérimentation et selon les résultats de la première tentative, un essai pourra sêtre réalisé à l’aide d’une résille de câbles ou d’un tissu, afin de contraindre cette structure gonflable.

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Prototype par retournement

Pour la seconde phase d’expérimentation, il faut déterminer la forme recherchée. Pour cela, le travail de Gaudi sur la Sagrada Familia utilisant la Loi de Hooke permet de développer une forme optimisant les efforts en compression. Ce type d’effort est favorable pour le travail de la terre crue.

La dimension de ce prototype est de 50x50 cm afin de tester le mode constructif. Le prototype est mis en forme avec une toile de jute enduite de terre crue fibrée avec 6% de chanvre, puis elle est suspendue.

Ce prototype obtenu par retournement est considéré comme optimal. Il permet notamment la prise de cotes afin d’en faire une modélisation et d’appréhender la réaction du modèle sous une charge.

Cette étape de modélisation se fait avec le logiciel Solidworks, qui autorise la réalisation d’essais mécaniques virtuels grâce à la fonction simulation. De plus, il est possible de configurer la matérialité de l’objet, pour cela, les résultats obtenus précédemment en laboratoire vont être pris en compte dans la mesure du possible. Cette modélisation permettra de comprendre le comportement du voile mince, mais aussi de déterminer l’épaisseur nécessaire pour établir l’épaisseur minimale suffisante vis-à-vis des caractéristiques du matériau. Pour ce fait, la terre crue sera fibrée à 6% avec des fibres courtes pour des raisons de disponibilité de matière.

soumis à la gravité de son poids propre et les quatre points d’appuis sont fixes.

Cependant, il y a forcément une différence entre la modélisation qui est un résultat théorique et le prototype réel, qui lui, aura probablement une forme imparfaite dû à son mode de fabrication.

Après avoir déterminé l’épaisseur nécessaire pour ce type de structure avec le matériau désiré, l’expérimentation avec un coffrage pneumatique peut commencer.

De ce fait, la dimension de celui-ci perdure à 50x50cm afin de valider les résultats obtenus numériquement.

Pour réaliser le coffrage, un ballon de baudruche est contraint dans un cadre en bois à l’aide de ficelles pour créer la forme recherchée.

Le but de ce premier prototype est de valider le système constructif à petite échelle afin de se confronter aux problématiques qu’il va engendrer. Ainsi, une fois surmonté, la réalisation d’autres prototypes utilisant le même principe constructif pourront être fabriqués, mais à plus grande échelle afin de tester les différentes mises en œuvre de la matière dessus.

Préparation du prototype par retournement

Mise en oeuvre du prototype par retournement

Les résultats de ces recherches informatiques exposent par tâtonnement, qu’une épaisseur de 5mm entrainera une déformation maximale d’environ 0.2mm aux points les plus sensibles. Le modèle est seulement Simulation statique des efforts mécaniques

41

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Prototype 50x50 Rouen, Juillet 2016

Bien que le ballon ne soit pas gonflé à son maximum, il est impossible de le contraindre pour obtenir la forme désirée. Cependant, après de nombreux essais la solution de poser un textile sur le ballon démontre que la forme recherchée pourrait être obtenue.

Préparation du coffrage

Mise en contrainte de la structure gonflable

Mise en contrainte de la structure gonflable

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Mais le choix du textile utilisé est important et doit répondre à plusieurs critères. Il ne doit pas être élastique pour ne pas se déformer facilement sous la contrainte. De plus, il doit pouvoir se retirer de la construction en terre lorsqu’elle est sèche pour obtenir un voile sans artifice, mais aussi avoir la possibilité de réutiliser l’ensemble des éléments ayant servi au coffrage.

Pour cela, plusieurs essais ont été effectués, la toile de jute s’est révélée trop élastique mais ses caractéristiques, ses fibres fines s’accrochent à la terre, et il n’est pas possible de retirer ce textile de la construction en terre sans l’abimer.

De ce fait, le choix s’est porté sur du tissu microfibré en PVC. Bien qu’il ne soit pas d’origine naturelle, ce matériau répond à l’ensemble des critères définis précédemment.

Essai de pose d’un textile

Mise en oeuvre du textile PVC

Mise en oeuvre du textile PVC

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Prototype 50x50

Le retrait du matériau PVC entraîne avec lui quelques particules de terre, sans pour autant endommager la structure, contrairement à la toile de jute.

Le coffrage gonflable, équipé d’un ballon au centre et de tissu maintenu aux quatre extrémités, créé de nombreuses déformations de la forme globale et il ne peut être utilisé en tant que tel. Pour remédier à ces déformations, quatre ballons ont été placés au milieu de chaque côtés afin d’y remédier.

Mise en oeuvre du textile PVC

Ajout des ballons pour contraindre le textile

Cette étape permet notamment de retendre la toile et de se rapprocher de la forme optimale recherchée.

Pour ce premier prototype ayantpour but de valider le processus de mise en œuvre, il sera enduit de terre crue fibrée (fibres courtes) à 6% (masse de terre sèche) afin de vérifier si les résultats de la modélisation font fiables.

Ajout des ballons pour contraindre le textile

Ajout des ballons pour contraindre le textile

43

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Prototype 50x50

Lors de l’application de la terre sur le voile PVC, la toile s’est légèrement affaissée sous la masse, sans déformation importante.

Après 4 jours de séchage à température ambiante dans un espace fermé, la structure peut être dégonflée pour voir si la terre est assez résistante pour cette construction.

Application de la terre crue fibrée

Textile enduit

Séchage du voile mince

44

Cependant, l’épaisseur de terre n’est peut-être pas uniforme et cela est difficile à contrôler malgré une application minutieuse. Le voile n’a pas bougé lors du décoffrage, l’ensemble est stable même si des fissures se sont formées lors du séchage.

Le manque d’anticipation de l’attache du voile PVC a obligé sa découpe. Un autre système d’accroche doit être pensé avant de réaliser le second prototype, dans le but d’élaborer une structure réutilisable.

Décoffrage du voile

Retrait du textile PVC

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Prototype 150x150 Rouen, Septembre 2016

L’étape suivante du processus d’expérimentation, une fois ce système gonflable validé, est de modifier l’échelle pour vérifier si le processus de fabrication est toujours viable ou s’il laisse apparaitre d’autres contraintes.

Pour cette étape, le prototype est de 150x150cm. De plus, ce changement d’échelle a pour but de valider le dispositif de structure gonflable.

Pour réaliser la structure de ce prototype au sein d’un espace extérieur couvert, il faut fabriquer un support permettant de limiter les remontées d’eau par capillarité qui viendraient fragiliser l’ensemble.

Le voile utilisé est le même que pour le prototype de taille inférieure, de la toile PVC. Premièrement, il faut créer un support afin de pouvoir y implanter des vis pour tendre et contraindre la structure. Celui-ci va réduire les remontées capillaires qui pourraient causer l’écroulement du voile en terre.

Le dispositif gonflable utilisé est similaire au prototype précédent, seule la dimension des ballons change, afin d’offrir un diamètre suffisant pour la dimension de ce prototype de 150x150cm.

Système d’accroche du textile pour un retrait facile

Ancien système d’accroche du textile

Préparation du socle

Préparation du socle

Préparation du socle

Préparation du socle

45

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Réalisation du prototype 150x150 : Etapes suivant l’ordre chronologique

46

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Analyse du prototype par retournement

Les voiles en terre crue ont été soumis à une charge en appui sur leur point central, afin comprendre comment ils réagissent sous la contrainte vis-à-vis de leurs géométries respectives et ainsi comparer les déformations sur le prototype aux déformation théorique de la simulation numérique.

Retrait du textile PVC après séchage (72h)

Mise en compression du voile, 800g

Mise en compression du voile, 2kg

Dans le premier cas, le modèle obtenu par retournement est soumis à une charge qui augmente progressivement.

Avec une observation vidéo, il ressort que certains points particuliers se déforment plus rapidement que d’autres.

Les premiers points qui fléchissent sont au niveau des pieds du voiles.

Les forces exercées sont transmises à ces endroits. Le fait que la matière soit uniformément répartie sur l’ensemble du voile ne permet pas de rattraper l’intégralité des efforts transmis à ces endroits.

Cela est vérifiable par la simulation 3D, réalisée avec des proportions identiques à celles du prototype.

C’est ainsi que l’on observe la partie supérieure abaissée sans pour autant se déformer. Seuls les pieds se déforment, jusqu’à leur rupture sous une masse de 6kg.

Déformation du voile

Déformation du voile

Voile déformé après chargement

47

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Analyse du prototype 50x50

Le second voile est soumis au même protocole pour tester sa résistance. Cependant, sa géométrie est quelque peu déformée, dû au mode de coffrage pneumatique. Son esthétique laisse deviner les emplacements des différents ballons en créant de nouvelles courbes.

Une observation vidéo de l’essai démontre que la structure ne bouge pas lors de sa mise en charge jusqu’à la rupture. Contrairement au prototype élaboré par retournement, ayant toujours de la toile de jute.

Ici, la rupture est nette, aucune élasticité n’est observée.

Ce prototype a rompu différement par rapport au précédent. Il s’est brisé d’une façon brute et non par affaissement.

Celui-ci est seulement constitué de terre crue fibrée, contrairement à l’autre qui avait conservé la toile de jute (impossibilité de retrait).

D’après ces deux modes de rupture, il est possible d’émettre l’hypothèse que la toile de jute apporte une certaine élasticité à l’ensemble du voile, ce qui évite une rupture brutale de la matière.

Ce second prototype a totalement rompu sous une masse de 17kg.

Les fissures se sont produites sur les axes médians du prototype ainsi qu’au niveau des déformations dû au mode de coffrage.

La liaison entre les différentes tailles de ballon ont induit des déformations qui se sont révélées être des faiblesses lors de la mise sous contrainte du voile.

Ces déformations ne permettent pas la transmission des efforts de manière optimale contrairement à la forme initialement souhaitée.

Ces déformations pourraient être réduites par une épaisseur plus importante de matière à ces endroits.

Après observation des éléments détruits, il semblerait qu’ils aient une épaisseur légèrement inférieure. Ce changement d’épaisseur expliquerait leur résistance plus faible.

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Déformations du voile dû au coffrage

Mise en compression du voile, 9kg

Voile après rupture

Mise en compression du voile, 15kg

Voile après rupture, point de liaison au sol

De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Analyse du prototype 150x150

Lors de la mise en oeuvre de la terre crue, la structure gonflable s’abaisse légèrement sans déformation importante.

Cependant, après quelques heures, la structure gonflable s’affaisse plus amplement. Des déformations importantes sont observables.

La masse de la terre crue semble exercer un effort trop important sur ce type de structure en ballon de baudruche.

Après 3 jours de séchage, la terre est complètement séche, mais le voile est totalement déformé, du fait que les ballons se sont dégonflés à cause de la pression exercée par la masse de la terre crue sur la structure.

L’épaisseur de la coque doit alors être plus importante du fait que les dimensions du prototype augmentent. Cela entraine évidemment une masse plus importante sur la structure gonflable.

La longueur étant trois fois supérieure à l’ancien prototype, l’épaisseur doit être également multipliée par trois. La pression nécessaire est donc bien supérieure, car la masse de matière déposée sur la structure augmente considérablement.

De plus, la forme imparfaite du voile entraine forcément certaines contraintes défavorables qui affaiblissent la structure, phénomène déjà observable sur le prototype précédent.

La longueur est trois fois supérieure, donc la surface totale est multipliée par neuf et l’épaisseur par le même facteur que la longueur.

Soit : M = Masse du voile 150x150 m = Masse du voile 50x50 m = s*e*mv = (0,5x0,5)x0,005x1450 = 0,00125x1450 = 1,8125 kg M = 9x3xmv = 27x1,8125=49kg

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De la théorie à la pratique : l’expérimentation Prototypes

Analyse du prototype 150x150

La masse totale du prototype est donc 27 fois plus importante que celle de l’expérience précédente.

Des fissures sont observables, cela montre que la terre a commencé à sécher avant que la structure soit dégonflée. La structure a continué a se déformer lors du séchage, même après les premiers jours.

Il est possible d’en déduire que l’épaisseur de la coque était trop faible pour résister à ces déformations et elle ne pouvait pas être autoportante, malgré sa rapidité de séchage.

Il aurait probablement fallu augmenter l’épaisseur de la couche de terre crue afin qu’elle puisse reprendre les efforts. Cependant, cette solution présente d’autres inconvénients, l’augmentation de la masse de terre du prototype, exerçant une pression plus importante sur la structure, et amplifient ses déformations. Cela remet en cause le dispositif de coffrage. D’autres solutions techniques pourraient être envisagées pour la réalisation de ce voile.

La confrontation des deux prototypes démontre que la structure temporaire doit s’adapter aux dimensions de l’objet désiré, et qu’il n’est pas possible d’utiliser le même, quelque soit l’échelle.

Ce constat peut-être mis en évidence par une relation mathématique.

T : la tension de la toile P : la pression du ballon l : la longueur du voile f : la flèche du voile

50

Dans le premier cas : l : 50cm (0.5m) f : 17cm (0.17m) Pour le second prototype, trois fois plus grand : l : 150cm (1.5m) f : 51cm (0.51m) Par cette démonstration, il est notable que la pression demandée est nettement supérieure pour le grand voile.

Pour une longueur trois fois supérieure, la pression doit être multipliée T = P.l² par un facteur supérieur à8f30, afin d’obtenir une tension de la toile équi.0,5² valente. Cela permettrait strucT =à Pla 8x0.17 ture de ne pas s’affaisser lorsque la terre est appliquée.

T = 0,25P Pour avoir une résistance satisfai1,36 sante, le ballon de baudruche n’est pas adapté. Il faut donc penser à un T autre système gonflableP= qui 0,18 peut être soumis à une pression constante et supérieure, pour que la structure ne soit pas déformée.

Ces résultats prouvent que la pression nécessaire pour le changement d’échelle est liée à l’augmentation de la masse de la matière exerçant un effort supplémentairesur cette structure.

Prototype : 150cm

T = P.l² 8f

T = P.l² 8f

T = P.1,5² 8x0.51

P= 8f.T l²

T = 2,25P 408

P= 8x0 0,5

P=

P= 1,3 0,2

T 0,0055

Prototype : 50cm

T = P.l² 8f

T = P.l² 8f

T = P.0,5² 8x0.17

T = P.1,5² 8x0.51

T = 0,25P 1,36

T = 2,25P 408

P=

T 0,18

P=

T 0,0055

Mise en perspective de l’expérimentation

Limites associées au travail de recherche

Dans le cadre de ce mémoire certaines expérimentations n’ont pas pu être élaborées par rapport à celles présentées en introduction. Au dela des facteurs matériel, contraint dans les équipements disponible à l’école nationale supérieure d’architecture de Normandie et les moyens financiers ; on soulignera que cela a permis de revoir les résultats obtenus, ainsi que les méthodes d’expérimentation pour poursuivre dans la même voie mais d’une manière différente.

Par exemple, suite à l’échec de la méthode d’élaboration pour les prototypes de 150x150 cm, il aurait fallu créer un mode d’élaboration permettant de créer une membrane de bonne géométrie soumise à une pression constante. Celel-ci n’a pas était rendue possible du fait du manque de moyen, un compresseur aurait été nécessaire.

De plus, contrairement au prototype 50x50 réalisé dans un espace intérieur, peu susceptible aux variations de température, le prototype plus grand a été réalisé à l’extérieur sous un espace couvert. Son exposition au changement de température est probablement un facteur prédominant dans la décroissance de la pression au sein de la structure.

Limités par certains facteurs, ces échecs ont permis de réorienter la réflexion et d’avoir un autre regard sur les résultats précédents, ceuxci pouvant être une source dans la poursuite de la réflexion au sein de ce domaine.

Une étude sur les différentes mises en oeuvre de la terre crue à cette échelle de prototype était initialement prévue. Cependant, la confrontation aux problématiques matérielles a remis en cause cette partie de l’expérimentation.

De plus, les résultats obtenus en laboratoire ont été réalisées pour déterminer les tendances de l’impact des fibres dans la terre crue. Pour cela, les essais mécaniques ont toujours été réalisés sur trois éprouvettes différentes, mais la variation de plusieurs valeurs peut remettre en cause la véracité de certains résultats.

Des essais en traction auraient pu être intéressants à mener afin de connaitre l’impact de la stabilisation par les fibres dans les trois types d’efforts majeurs (traction, compression, flexion).

D’autres essais à partir de la machine de traction auraient pu permettre la mise en relation avec d’autres types d’efforts, mais celleci était malheureusement indisponible.

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III/ Mise en perspective de l’expérimentation

Les différentes phases d’expérimentation ont permis de mettre en avant certaines données et de les confronter au sein de la troisième partie avec des résultats théoriques. Certaines de ces expérimentations se sont révélées concluantes tandis que d’autres n’ont pas atteint l’objectif escompté, notamment le prototype à grande échelle qui s’est révélé poser des problématiques insoupçonnées au départ.

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Mise en perspective de l’expérimentation

Du grain à l’éprouvette

Le processus d’expérimentation a permis de confirmer des hypothèses et d’en construire de nouvelles.

Les expérimentations avaient pour objectif de rendre compte des capacités de la terre crue, notamment de stabilisation à l’aide de fibres.

Comme il a été vu lors des essais en laboratoire, les fibres permettent de répartir les tensions et d’améliorer la ductilité de la matière en augmentant ses capacités de compression. Les travaux de recherche montrent que cette méthode doit être minutieuse et contrôlée pour ne pas atteindre l’effet inverse par saturation de fibre dans la terre.

Les résultats obtenus pour les essais en compression démontrent que les caractéristiques de la terre crue augmentent significativement avec la présence de fibres et/ou de textiles.

Cette tendance est comparable aux BFUHP37 où les fibres augmentent significativement la résistance à la compression et à la flexion du béton. Un béton classique, fabriqué sur chantier, a une valeur de rupture en compression de l’ordre de 25MPa tandis qu’un BFUHP a une résistance supérieure à 150MPa38 Cependant au cours de ces test d’éprouvettes, l’influence de différentes nature de fibres n’a pas été testée, seuls les longueurs et les pourcentages variaient.

Les essais en laboratoire ont aussi démontré une amélioration des capacités mécaniques en flexion de la terre crue lors de l’ajout de fibres ou de textiles. Le simple ajout de couches de textile (toile de jute) augmente faiblement sa résistance mécanique (de 0,78 à 0,89 Mpa).

Les résultats sont très variables, et il est difficile d’en tirer des tendances, même si les éprouvettes fibrées à 4% (de masse sèche) semblent en moyenne plus performantes.

La flexion n’étant pas le type d’effort favorable au travail de la terre crue, peu de recherche en ont étudié son comportement. Par ces essais, il est visible que cette caractéristique reste faible malgré les différentes variantes testées.

Cependant les résultats obtenus sont du même ordre de grandeur que ceux présentés dans une recherche sur des enduits en terre crue39 où les chercheurs arrivent à un résultat de 0,746Mpa pour des essais sur des éprouvettes 4x4x16cm non fibrées avec un protocole similaire. Ils en déduisent que les fibres, lors des essais en flexion permettent de jouer pleinement leur rôle de renforcement jusqu’à la rupture ou l’arrachement. De plus, ils observent aussi une dispersion assez forte dans leurs résultats, ils émettent l’hypothèse que même si leurs échantillonnages étaient plus importants, ils n’arriveraient probablement pas à une meilleure représentativité. Selon eux, la pertinence de leurs essais peut être remise en question.

Cette étape, mise en lien avec les recherches contemporaines sur les caractéristiques de la terre crue démontre les capacités de la terre

37 - Béton Fibré Ultra Hautes Performances 38 - BFUHP [en ligne]. Disponible sur : http://www.bfuhp.fr/ (Consulté le 03/01/2017) 39 - MESBAH Mahmoud, OLIVIER Myriam, ROJAT F, Caractérisation mécanique des enduits en terre crue fibrée, 2014, 16p.

40 - Planete séisme [en ligne]. Disponible sur : http://www.planseisme.fr/IMG/pdf/Polycopie_de_conception_niveau_technicien.pdf (Consulté le 03/01/2017)

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crue à travailler favorablement en compression. Le rapport entre les essais sur des éprouvettes en terre crue et les différents mélanges peuvent différer jusqu’à un facteur quatre, alors que pour les efforts en flexion, ce facteur n’est que de deux. Ces derniers peuvent être importants lors de contraintes provoqués par de tremblements de terres par exemple40.

La mise en relation des résultats obtenus sur les deux types de contraintes (compression et flexion) montre qu’il n’y a pas réellement de relation entre celles-ci, la solution la plus favorable pour les efforts en compression n’est pas la plus résistante face aux efforts en flexion.

Pour autant, l’ajout de fibre et textile rend, dans tous les cas, des caractéristiques mécaniques supérieur aux essais effectués sur les éprouvettes de terre crue.

Mise en perspective de l’expérimentation

De l’éprouvette à la construction

La seconde partie de l’expérimentation visait à développer des voiles minces en terre crue.

Pour cela, la première phase à été de définir une forme favorisant les efforts en compression au vu des caractéristiques mécaniques de la terre crue, explorés lors de la première partie en laboratoire.

De ce fait, à la lumière du travail développé par les ingénieurs du XIXème siècle utilisant la Loi de Hooke, la forme a été élaborée par retournement, ce processus favorise les efforts en compression.

En s’inspirant du travail d’Heinz ISLER, le voile mince prend la forme d’un oreiller afin de confronter la réalisation d’un voile mince en béton à un équivalent en terre crue.

Ce travail s’inscrit dans une dynamique similaire à celle développée à l’Ecole d’architecture de la ville et des territoires de Marne-la-Vallée en 2008 dans le cadre du séminaire Design41. Cependant, leurs recherches se développent sur l’élaboration de voiles minces par retournement avec une toile enduite de plâtre armé se référant au principe de la chainette. Par leurs expérimentations, ils établissent que ce principe s’adapte tout à fait à l’échelle du prototype. Ce résultat a également été vérifié par des étudiants de l’Ecole d’architecture de Normandie en 2015 avec le développement de plusieurs prototypes à petite échelle de voiles minces en terre crue42. Ces étudiants arrivent à un résultat similaire où il est tout à fait possible de créer des voiles en terre crue par retournement permettant une économie de matière.

Cependant, dans le travail mené

dans le cadre de ce mémoire, le voile par retournement était seulement une étape permettant d’obtenir une forme optimale pour favoriser les efforts en compression. Si la méthode d’élaboration formelle a été testée de nombreuses fois par différentes expérimentations, la mise en oeuvre de la terre crue est soumise à différentes caractéristiques créant des points de faiblesses tels que des fissurations dû au retrait de l’eau lors du séchage ou une épaisseur de matière non constante.

Le résultat obtenu lors de la manipulation semble prometteur du fait que cette expérimentation a permis d’élaborer un voile mince sans cette étape difficile du retournement. Cette phase de retournement n’est pas envisageable sans structure secondaire sur un prototype à grande échelle.

Cependant, en tentant d’obtenir une forme identique au prototype retourné, le résultat est plutôt incertain. À échelle équivalente, l’expérimentation a été définie comme partiellement concluante sur le coffrage gonflable. Le prototype est stable et autoportant, mais il a subi des déformations au niveau des interstices entre les ballons lors de la mise en oeuvre de la terre sur le coffrage, contrairement à celui obtenu par retournement. Ces déformations se sont caractérisées comme des points de faiblesse lors de la mise en contrainte du voile. Malgré cela, un parallèle peut être fait avec les typologies développées au XXème siècle, où certains architectes et ingénieurs ont élaboré des formes avec des nervures afin de renfor-

41 - Explorations-architecturales [en ligne].

Disponible sur : http://www.explorations- architecturales.com/ data/new/fiche_57.htm (Consulté le 30.12.2015) 42 - travail mené par REVIRON Niels, DUMAS Rémy et VALLEROY Marion dans le cadre du séminaire Architecture et Culture constructive à l’ENSA - Normandie.

cer la structure. Cette faiblesse induite par le coffrage réalisé en plusieurs éléments pourrait devenir une source de renfort mécanique si celui-ci reste voulu et maitrisé, mais cette piste n’a pas été poursuivie dans le cadre de cette recherche.

Fig. 32 : Voile mince retourné

Fig. 33 : Voile mince en plâtre armé

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Mise en perspective de l’expérimentation

De l’éprouvette à la construction

Suite au résultat concluant du petit prototype, la deuxième partie de cette seconde phase d’expérimentation consistait à développer le voile mince sur le même type de structure, mais à plus grande échelle en multipliant sa longueur par trois. Cette échelle ne permet plus le retournement aisé et nécessite l’utilisation d’une autre méthode de coffrage ou un outillage ad hoc.

Pour l’essai du de retournement d’un prototype à grande échelle, des étudiants de l’ENSA-Normandie s’y sont confrontés. Leur conclusion était qu’il fallait fabriquer une structure contraignant le voile pour ne pas qu’il se déforme lors du retournement, ce qui amoindrit l’intérêt de ce processus d’élaboration.

Si le voile n’est pas assez contraint lors de cette phase, il sera soumis à des efforts autres que la compression, (notamment des efforts de flexion) auxquels les caractéristiques du matériau ne permettent pas d’éviter les dommages comme lors des essais en laboratoire.

Malgré les résultats obtenus sur les précédentes expérimentations, la manipulation avec un coffrage gonflable pour un prototype de grande échelle s’est démontrée infructueuse vis-à-vis de la masse de la terre crue appliquée dessus. Des déformations bien plus importantes que sur le prototype précédent ont été observées lors de l’application de la terre crue ; cela a rendu impossible l’application de la terre crue en épaisseur convenable visà-vis des charges supportées par le voile.

Cette expérimentation révèle que

le type de coffrage utilisé doit avoir une résistance importante et exercer une pression suffisamment élevée pour résister aux contraintes du matériau.

Néanmois, même si cette expérimentation dans le cadre de cette recherche n’a pas atteint l’objectif escompté, d’autres expérimentation sur la même thématique ont déjà vu le jour. C’est notamment le cas lors d’une édition du Festival Grains d’Isère en 2013 où l’Architecture Association de l’école d’architecture de Londres a pu se confronter à la réalisation de voile mince en terre crue par le biais d’une conception numérique préalable43. Leur approche est fondée sur des prototypes à petite échelle par retournement, puis ils se sont confrontés à la grande échelle. Pour ces constructions, ils se sont tournés vers des coffrages en bois, leur permettant d’élaborer des constructions bien plus grandes, tout en évitant la délicate phase de retournement ainsi que les déformations dû au coffrage pneumatique.

crue, mais pour autant la méthode de coffrage peut être différente. Le coffrage bois semble offrir plus de résistance lors de l’application de la terre.

De plus, l’Institute for Advanced Architecture of Catalonia à Barcelone44 s’est engagée dans la recherche des voiles minces en terre crue poussent les chercheurs et étudiant à réaliser de nombreux prototypes à petites, mais aussi grandes échelles. Ces prototypes sont dans la majorité des cas réalisés sur un textile contraint par une structure en bois sur lequel est badigeonné de la terre en fine épaisseur.

Leurs travaux mettent en avant qu’il est tout à fait possible de réaliser des voiles minces en terre

Fig. 34 : Voile mince sur coffrage bois, IAAC

43 - Cratère [en ligne]. Disponible sur : http://craterre.org/diffusion:festival-grains-d-isere/ (Consulté le 08/01/17) : Bilan du festival Grains d’Isère 2013 : format PDF, 198p., p. 110 44 - IAAC Blog [en ligne]. Disponible sur : http://www.iaacblog.com/programs/phriends-for-shell/ (consulté le 08/01/2017)

Fig. 35 : Voile mince

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Mise en perspective de l’expérimentation

Le coffrage à l’épreuve de la masse

Comme il a été vu précédemment, les prototypes à petite et grande échelles ont été élaborés avec des coffrages gonflables sur lesquels étaient tendus un textile microfibré en polyester permettant son retrait une fois la terre sèche.

Ce mode de coffrage a terminé sur un échec lors du changement d’échelle émet de nouvelles problématique telles que la pression nécessaire afin qu’il soit compatible avec la charge admise, ainsi que les déformations produites. Cela nécessite donc une machinerie importante tout au long du chantier pour conserver la pression nécessaire. Par contre, avec ce type de dispositif il est envisageable de fabriquer une membrane sur mesure pour obtenir la forme voulue, tout en utilisant une faible quantité de matière pour le coffrage.

Cependant, au vu des contraintes observées lors de l’expérimentation, ce mode de coffrage peut être reconsidéré au mieux pour correspondre aux attentes énoncées précédemment. Il fallait obtenir une forme voulue et limiter la matière nécessaire pour le coffrage permettant ainsi un stockage et un transport plus aisé de celle-ci, avec une réutilisation.

construction, une alternative serait de développer une structure géodésique. Ce type de structure, inventé par Richard Buckminster Fuller et breveté en 195446 permet de « couvrir des surfaces importantes tout en présentant un poids structurel limité »47.

Ce type de structure pourrait être viable pour l’élaboration de voile mince à condition que le facettage induit par la structure du coffrage n’impacte pas la résistance structurelle du voile de façon considérable.

Fig. 36 : Dôme géodésique.

A la lumière des travaux réalisés par IAAC45, un coffrage bois semble plus adapté si une machinerie n’est pas souhaitée lors du chantier (elle sera sûrement nécessaire lors du montage et au démontage du coffrage). Cependant, pour limiter la matière et éviter les coffrages bois du XXème siècle, faisant augmenter considérablement le coût de la 45 - IAAC Blog [en ligne]. Disponible sur : http://www.iaacblog.com/programs/phriends-for-shell/ 46 - PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, op. cite., p. 199 47 - Ibid.

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Mise en perspective de l’expérimentation

Perspectives de travaux de recherche

Il a été testé et démontré grâce au prototype 150x150 que le mode d’obtention d’un voile mince sur une structure gonflable est notamment lié à la pression de celleci, elle-même dépendante de la flèche du voile désiré. Plus la flèche sera grande, plus la pression nécessaire sera importante.

Bien évidemment, la pression de la structure n’est pas le seul facteur intervenant dans l’expérimentation. Il est important de prendre en considération les capacités de la terre crue ainsi que les efforts auxquels l’ouvrage est sollicité.

D’après les différentes expérimentations menées, les facteurs les plus contraignants semblent être la pression au sein de la structure gonflable. Pour poursuivre la réflexion dans cette thématique, il faudrait mettre en place une réflexion pour réduire au maximum la pression nécessaire au sein de la structure.

La tension devant être dans tous les cas équivalente, et il n’est pas envisageable de faire varier ce facteur.

Dans un premier temps, afin d’obtenir un voile de dimension supérieur, il faudrait faire varier sa longueur « l », sans influencer la flèche (flèche constante), et la pression nécessaire diminuera. Cependant, la relation entre les deux éléments ne sera pas homothétique.

Pour tenter de généraliser le phénomène, il est possible de réaliser la démonstration suivante : a = (1/8f) constante l = p.l.Σ T/ Σ = a.l3 or, T/ Σ = σ donc, σ = a.l3

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Cela permet de mettre en évidence que la contrainte est relative à la portée de l’arc par un facteur 103 car « a » est dépendant de la flèche qui dans notre étude est constante.

La constant « a » est égale à 1/8f où « f » est la flèche de l’arc. Or dans cette démonstration, seule la longueur « l » est variable donc 1/8f est une constante.

Cela peut être symboliser par la coubre suivante.

σ

l Néanmoins, si la flèche ne varie Courbe schématique de la relation entre la pas, le grand voile ne travaillera contrainte σ et la longueur l pas en compression et le travail en flexion sera aussi important. La terre crue est très peu résistante face aux efforts en flexion, cela se traduirait donc par des faiblesses lors de la construction.

Mise en perspective de l’expérimentation

La seconde possibilité serait de faire décroître la flèche afin que la pression nécessaire soit plus faible.

Pour cela, une piste pourrait être de diviser cette flèche en plusieurs f éléments. Cela permettrait de réduire la pression nécessaire sous chaque élément et d’augmenter la portée totale du voile. l

Toutefois, les jonctions entre chaque élément du coffrage, les ballons (ou équivalents) provoqueraient des points de faiblesses, comme il a été vu lors de la rupture du prototype 50x50. Ces points précis pourraient être renforcés par un ajout de matière afin de reprendre les efforts à ces endroits.

La forme développée pour les prototypes reprend ce même principe. Il est tout à fait possible d’imaginer le développement de ce module en réseau pour couvrir une grande surface. Cependant, par l’augmentation de ce volume entrainerait des points porteurs à chaque intersection avec un module adjacent. De plus, cela formerait un assemblage de module autostable qui pourrait être réalisé sans trop de difficulté.

Afin d’éviter ces éléments porteurs, le module peut évoluer. Cela entrainera forcément des points qui devront résister à des efforts importants et être corrigés de manière différente. Ainsi, les modules ne seraient plus autostables, mais c’est le système de réseau qui apporterait la stabilité à l’ensemble de l’édifice.

Par la suite, le dispositif peut être développé en trois dimensions afin de mettre en place un réseau de coffrage gonflable pour développer un voile de grande dimension.

Pour cela, l’analyse du travail de Frei OTTO sur les bulles de savon est très enrichissant48. Son travail lui a permis de développer des structures tendues. Cependant, la réflexion et l’observation de phénomènes naturels peuvent permettre de comprendre l’optimisation des formes pour résister aux efforts.

L’ensemble de cette recherche démontre que la construction en terre n’est pas seulement envisageable avec des épaisseurs importantes, mais une économie de matière peut également être envisagée, ce qui apporterait de nombreux avantages (temps de séchage, coût,

main d’oeuvre, ...), malgré la perte d’autres caractéristiques de la terre crue (inertie thermique, ..)

Cette recherche ouvre des perspectives sur des constructions fines, mais pas seulement en voile mince.

La recherche formelle de dispositifs architecturaux tels que des murs ou des cloisons peut probablement être remis en question à la lumière de ces expérimentations. Ces nouveaux élements permettraient de changer l’image de la terre crue et de découvrir de nouvelles exploitations. On citera à titre d’illustration les travaux de l’équipe Terra Nostra ou de l’agence Lipsky & Rollet.

Cette fine épaisseur permettrait d’intégrer aisément la terre dans la construction contemporaine pour initier la transition vers des matériaux durables.

48 - NERDINGER Winfried, Frei OTTO, complete works : Lightweight construction natural design, Bâle, Birkhäuser Architecture, 2005, 391p.

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IV/ Intérêt du développement de la filière terre crue à travers l’élaboration de voiles minces

Ce travail met en avant différents axes de développement sur la construction de voile mince en terre crue sur lesquels la filière terre crue pourra s’appuyer pour se développer dans un futur proche.

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Inscription de la recherche dans le champ de la terre crue

Intérêt du développement de la filière terre crue à travers l’élaboration de voiles minces

En dépit du fait que la terre constitue historiquement un matériau de masse cette recherche démontre l’importance de requestionner les techniques constructives.

L’expérimentation menée à mis en avant certains avantages de la construction fine.

Premièrement, concernant la typologie expérimentée, la terre crue peut avoir un rôle de couverture des espaces. Les voiles minces permettent d’unifier les murs et la toiture en un seul composant et en une seule matérialité.

Un abris uniquement en terre devient possible en opposition à certaines techniques constructives actuelles (bauge, pisé) nécessitant d’autres matériaux (ex : une charpente en bois).

De plus, la construction mince permet une économie de matière importante. Celle-ci permettra la réduction des temps de mise en oeuvre grâce à la diminution des transferts de matière. Dans un environnement où les ressources sont comptées, ce type de construction pourrait être une piste à approfondir.

Cette économie de matière obtenue du fait de la réduction de l’épaisseur des éléments engendre un temps de séchage bien inférieur à certaines techniques traditionnelles, à l’exemple de la bauge qui nécessite un temps de réalisation en plusieurs phase à cause des temps de séchage.

Cette économie de matière suscite également un gain de temps en cas d’approvisionnement de la matière première et lors de sa pré-

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Fig. 37 : Réseau professionnel en 2012

Inscription de la recherche dans le champ de la terre crue

Le développement de la filière terre

paration si elle a lieu.

Concernant les moyens de coffrage, il a été vu lors des expérimentations que cette typologie constructive demande des moyens limités. Une membrane permettant d’établir la forme désirée et des compresseurs pour maintenir une pression suffisante afin d’éviter les déformations peuvent suffire. Cependant d’autres alternatives ont été esquissé précédemment, notamment des coffrages avec des éléments répétitifs et réutilisables à l’exemple des dômes géodésiques permettant de limiter le besoin des machines. De plus, au sein ces éléments la membrane ou la structure géodésique offrent une compacité intéressante lorsqu’elles ne sont pas utilisées. Cela permet de réduire la surface de stockage nécessaire, mais aussi avoir recours à de faibles besoins lors des phases de transport.

Développement des filières de construction La terre étant présente sur une grande partie de la surface de la Terre, cela permet de réduire les distances de transport de matière première et d’avoir recours à des entreprises et des artisans locaux afin de développer les filières courtes.

Aujourd’hui, cette filière est présente sur l’ensemble des régions françaises avec des acteurs ayant des statuts différents : entreprises, artisans, associations, ...

Cependant, celle-ci connait de nombreux freins pour son développement.

Malgré sa présence sur l’ensemble du territoire, la filière terre crue est polynucléaire, elle est regroupée autour de trois pôles majeurs (Nord-Ouest, Sud et Sud-Est). Les entreprises actuelles sont de petites structures qui ne permettent pas de répondre à de grands projets, car elles regroupent seulement quelques artisans.

D’un point de vu des filières pour la réalisation de coffrage, les structures gonflables sont aujourd’hui très peu déployées dans l’architecture. Elles ne peuvent pas s’associer à une filière existante contrairement à la filière bois qui est en plein développement actuellement. Cette filière pourrait être un support au développement des voiles minces pour un coffrage réalisé en assemblage d’éléments en bois, comme un dôme géodésique. Ce type de coffrage nécessite une multitude d’éléments semblables pour créer des coffrages très rapidement avec l’appui de la filière existante. Un équivalent serait également envisageable grâce à la filière de la sidérurgie.

Le manque de formation Si d’un point de vu des filières, certaines sont prêtes, d’autres nécessites encore de se développer afin d’assurer un suivi dans la construction de voile mince en terre crue.

Néanmoins, certains acteurs ne possèdent pas les connaissances nécessaires pour réaliser ce type de construction.

Premièrement, le matériau terre crue n’est pas très connu des ac-

teurs des projets de construction.

Un manque de connaissances général ne permet pas de mettre en oeuvre ce matériau dans les projets.

Aujourd’hui, l’architecture est un domaine très peu enseigné au niveau scolaire, et plus particulièrement l’architecture en terre est vu comme faisant partie du patrimoine.

Concernant la formation des professionnels, aujourd’hui très peu d’artisans et d’entreprises peuvent se lancer sur un chantier en terre crue du au fait qu’ils ne possèdent pas les compétences pour y répondre.

Cependant, le réseau d’artisans, d’entreprises et d’associations ayant les formations pour prendre en charge des chantiers gagneraient à se rassembler afin d’accroitre et de partager leurs connaissance. Cela permettrait de « mettre au point des méthodologies interprofessionnelles de développement de filières courtes de la terre crue »49.

De plus, aujourd’hui la typologie constructive des voiles minces a presque été abandonnée après les édifices du XXème siècle. Ce type de bâti n’est plus entrepris aujourd’hui, cela est probablement dû à un manque de formation et de connaissance à ce sujet.

Un mélange de compétence Cependant, il a été vu précédemment que la plupart des constructeurs de voiles minces lors du siècle dernier ont été entreprises plus par des ingénieurs que des architectes.

Cela expose la problématique de

49 - LEYLAVERGNE Elvire, La filière terre crue en France. Enjeux, freins et perspectives. ENSA - Grenoble, 2012, 154p. p.109

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Le développement de la filière terre

la relation entre architectes et ingénieurs dans la construction contemporaine. Ce type d’espace étant totalement dépendant de la structure, il nécessite un dialogue entre l’architecte et le bureau d’études afin de réaliser un projet commun. Sans les connaissances de l’un ou de l’autre, le projet ne pourra pas être en cohérence avec les attentes contemporaines.

Cette collaboration architecte / ingénieur est aujourd’hui de plus en plus présente dans le domaine de la construction, notamment pour répondre aux enjeux environnementaux. Ici le processus serait le même pour réactualiser la construction de voiles minces avec cette même collaboration.

Le retard de la réglementation Cependant, si les méthodes de coffrage et de mise en oeuvre de la terre sont connues, le frein principal reste probablement la réglementation.

Aujourd’hui, il est difficile de mettre en oeuvre la terre crue lorsque l’on souhaite l’utiliser pour ses caractéristiques mécaniques et donc en ayant un rôle structurel. L’absence de règles professionnelles ne favorise pas son développement, et par conséquent peu de projet sont réalisés réduisant la communication autour de ce sujet.

Toutefois, plusieurs associations et laboratoires de recherche développent actuellement de nombreuses recherches dans le but d’établir ces règles qui permettraient de développer la filière terre crue.

De plus, la terre pourrait connaitre

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un attrait particulier de la part des maitrises d’ouvrage si le bilan carbone des constructions était pris en compte. Ce bilan pourrait voir le jour avec la Réglementation Thermique 2020. La terre crue serait efficiente, du fait que son extraction serait plausiblement plus proche du site de construction et qu’elle nécessiterait pas forcément de traitement particulier pour sa mise en oeuvre.

Inscription de la recherche dans le champ de la terre crue

La construction mince pour améliorer la qualité de vie

La perspective de construction fine en terre crue ne se limite pas qu’à des constructions globales posant de nombreuses questions du point de vue des filières actuelles en France. La terre ayant de nombreuses caractéristiques intéressantes pour le confort intérieur du bâtiment, sa présence peut améliorer les conditions de vie au sein de celui-ci.

Il est facilement imaginable de développer des panneaux de terre crue que peuvant s’adapter sur une structure tel un parement ou un enduit.

Ces panneaux fins de terre crue procurent rapidement un effet sur l’intérieur de l’espace sans la problématique de la masse.

A l’exemple du projet Amplia de Lipsky et Rollet à Lyon Confluences en 2013, où les jardins d’hivers reçoivent un parement fin de terre crue afin d’accumuler de la chaleur en journée et de la restituer le soir.

Il y a aussi le projet de Terra Nostra 50 réalisé par des étudiants, des professionnels et des chercheurs. Ce projet expérimental est principalement construit à partir de bois et de terre crue. Sur les parois intérieures des espaces, une faible épaisseur de terre est appliquée pour améliorer le confort intérieur. Cette couche de quelques centimètres (2 à 4cm) permet de réguler l’hygrométrie au sein de l’espace lorsque celui-ci est utilisé51. Cela permet aussi d’améliorer la qualité de l’air intérieur en évitant les composés organiques volatils (COV) contenus dans les matériaux de construction ayant un impact méconnu sur la santé.52

Fig. 38 : Amplia, Lipsky Rollet , Lyon, 2013

Fig. 39 : Prototype Terra Nostra

50 - Conçu et construit par des étudiants de l’équipe Team Auvergne-Rhône-Alpes, regroupant les Grands Ateliers, les écoles nationales supérieurs d’architecture de Grenoble et de Lyon, l’université de l’IUT1 de Grenoble, l’ENSASE, l’ENTPE, l’INSA, l’ENSE3 et l’AFPA en 2015-2016.

51 - Lyon Architecture [en ligne]. Disponible sur : http://www.lyon.archi.fr/fr/terra-nostra-terra-2016-lyon (Consulté le 16/12/16) 52 - Matecolo [en ligne]. Disponible sur : http://www.matecolo.fr/materiaux-ecologiques-landes/163.html?e9cc5fa6883da589b40b80d9eaac3486=0227da3903a109d4407bbb418b3c38d0 (Consulté le 28/12/16)

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Conclusion

La terre est un matériau utilisé dans le domaine de la construction depuis les premières civilisations53. Toutes populations ayant utilisées ce matériau ont su adapter leurs techniques à leurs besoins.

Celui-ci est d’abord un matériau de masse avant d’être développé de manière plus fine. Cela engendre de nombreuses problématiques sur sa masse et son volume au sein des constructions.

Ce travail s’est confronté à l’amélioration des capacités mécaniques de la terre crue par l’ajout de fibre afin de développer une recherche sur les voiles minces. Cette recherche interroge la production des voiles minces au travers de la terre crue pour savoir s’il est possible de les réaliser en terre crue. Cependant, cette typologie constructive questionne le mode de mise en oeuvre, ici la structure gonflable fut expérimentée afin de vérifier sa pertinence vis-à-vis du matériau.

Grâce au processus expérimental développé, ainsi qu’aux recherches théoriques, cette hypothèse se confronte à de nombreuses problématiques.

Néanmoins, cette dernière peut être surmontée en faisant fluctuer certains facteurs.

Cette recherche soulève principalement l’intérêt de la construction fine allant vers une conception où le besoin de matière pourrait être réduit en comparaison aux techniques actuelles.

Aujourd’hui, le développement de cette typologie constructive serait envisageable seulement dans une approche expérimentale, du fait que la filière terre crue ne semble pas encore apte à répondre à ces

exigences. Elle tente de tisser un réseau permettant de mettre en place une réelle culture de ce matériau, ce qui valorisera son développement et l’innovation au sein de cette filière.

Des perspectives de développement sur le court terme peuvent être élaborées, notamment l’idée de panneau d’un parement fin permettant d’apporter une partie des bienfaits de la terre crue dans les constructions, sans pour autant aborder le sujet encore problématique de la structure. Aujourd’hui, le frein principal est l’absence de réglementation lorsque la terre est utilisée en tant que matériau structurel. Il est donc intéressant de se questionner sur la manière dont la terre peut être intégrée et ses bienfaits dans la construction contemporaine.

une recherche en se confrontant à des résultats parfois inattendus.

Cet apprentissage par la pratique permet d’appréhender d’autres dimensions comme le décrit Caroline MANIAQUE : « Le passage de l’abstraction dessinée à la réalisation physique permet d’expérimenter différents niveaux de réalité allant de la prise de conscience de la matérialité jusqu’à l’appréhension sensorielle de l’espace et des structures.» 54 La terre crue est un matériau de construction traditionnelle permettant l’ouverture de nouvelles perspectives de construction dans un contexte aux problématiques variées.

L’expérimentation dans l’architecture En plus des résultats et des réflexions évoqués précédemment, ce travail démontre l’intérêt de l’expérimentation dans le domaine de l’architecture. Les écrits et les travaux menés permettent la compréhension théorique au sujet, mais la pratique et l’expérimentation permettent d’en comprendre des subtilités, permettant ainsi d’enrichir le questionnement initial tout en développant la curiosité sur le sujet traité à chaque manipulation.

Chacune des expérimentations menées permettent de se confronter à une hypothèse énoncée, mais surtout en soulève de nouvelles.

L’ensemble de ses problématiques élabore un processus qui, au fur et à mesure, autorise l’avancée dans

53 - PIGNAL Bruno, Terre crue, techniques de construction et de restauration, Paris, Eyrolles, 2005, 120p, p.9 54 - MANIAQUE Caroline, « Se former en construisant : l’expérience à l’échelle 1 » , D’architecture, Décembre 2016, n°250, p. 70-73

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Vidéo :

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- Otto, Frei Lecture. https://www.youtube.com/watch?v=Vt-yAiieDn0

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Table des illustrations

Fig. 1 : Texture pisé, 10 Novembre 2016, < http://www.rhone-alpesolidaires.org/agenda/stage-toutpublic-pise-neuf-et-renovation-charancieu> Fig. 2 : C.I.P.A. Dehlingen, Nunc Architectes, AMC, 10 Novembre 2016, < https://www.amc-archi. com/photos/centre-d-interpretation-du-patrimoine-archeologique-nunc-architectes-nomine-a-lequerre-d-argent-2014,1033/centre-d-interpretation-du.1> Fig. 3 : Maison des plantes Ricola, Herzog et De Meuron,- GAUZIN-MÜLLER Dominique.

« Pisé préfabriqué ». In : Ecologik, février-mars 2015, n°43, p.116 Fig. 4 : Construction en bauge, < http://www.totem-terre-couleurs.fr/maconnerie-terre/mur-debauge.php > Fig. 5 : Boules de bauge, < http://archeorient.hypotheses.org/4562> Fig. 6 : Construction en bauge, < http://maison-cob-paille-bazouges.blogspot.fr/2012_09_01_archive.html > Fig. 7 : Mur d’adobe < http://www.lesguepesmaconnes.fr/terre-crue/chantiers/briques-de-terrecrue > Fig. 8 : La grande mosquée de Djenné, Mali. CRAterre-ENSAG Fig. 9 : Presse pour BTC < http://makingbricks.blogspot.fr/2008_12_01_archive.html > Fig. 10 : Voile mince en terre crue, < http://arcode.blogspot.fr/ > Fig. 11 : Façade en terre coulée. REVIRON Niels Fig. 12 : Pavillon du ciment Portland, Zurich, < http://architectureofdoom.tumblr.com/ post/42443371303/pavilion-for-the-cement-industry-exposition > Fig. 13 : Marché de Royan, en chantier, < http://www.explorations-architecturales.com/data/new/ fichePrint_90.htm > Fig. 14 : Maquette d’étude, Heinz Isler, < http://www.explorations-architecturales.com/data/new/ fichePrint_90.htm > Fig. 15 : Loi de Hooke < http://www.explorations-architecturales.com/data/new/fichePrint_57.htm > Fig. 16 : Station essence, Heinz Isler, < http://alchetron.com/Heinz-Isler-1025349-W > Fig. 17 : Hippodrome de Zarzuela, Tarroja,< http://arquiscopio.com/archivo/2012/10/16/hipodromo-de-la-zarzuela/ > Fig. 18 : Hippodrome de Zarzuela, Tarroja, < http://arquiscopio.com/archivo/2012/10/16/hipodromo-de-la-zarzuela/ > Fig. 19 : Dôme géodésique, Walter Bauersfeld, < http://domesetbulles.org/histoire-geometrie/ histoires/ > Fig. 20 : Eugène Freyssinet, < http://efreyssinet-association.com/loeuvre/eugene-freyssinet-en-quelques-ouvrages/ > Fig. 21 : Hangar pour dirigeables, Orly, Freyssinet, PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, Paris, Editions du Centre Pompidou, Juin 1999, p. 344

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Fig. 22 : Pont de Plougastel, Freyssinet, PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, Paris, Editions du Centre Pompidou, Juin 1999, p. 48 Fig. 23 : Maquette du C.N.I.T., LUCCIONI Xavier, « La naissance et renaissance du C.N.I.T. », Architecture d’intérieur, CREE, Juin-Juillet 1988,n°224, p. 132 Fig. 24 : Le C.N.I.T. en chantier, PICON Antoine, L’art de l’ingénieur : constructeur, entrepreneur, inventeur, Paris, Editions du Centre Pompidou, Juin 1999, p. 127 Fig. 25 : Le C.N.I.T., < http://cpc.courbevoie.free.fr/sujet/av-defense-74.html> Fig. 26 : Passerelle du Pont du Diable R. Ricciotti, SARANO Florence, « Le pont du diable : léger comme un ange », L’architecture d’aujourd’hui, Décembre 2010, n°375, p. 118 Fig. 27 : Gates Millennium Bridge, Newcastle,< http://bridgeworld.net/gateshead-millennium-bridge/ > Fig. 28 : Le MuCem, Rudy Ricciotti, Della CASA Francesco, « Rudi Ricciotti constructure engagé », L’architecture d’aujourd’hui, Mai-juin 2013, p. 25 Fig. 29 : Voile mince en terre crue, < http://arcode.blogspot.fr/ > Fig. 30 : Vaulter Brick Pavillion, Barcelone, Map13, < https://www.dezeen.com/2013/11/26/bricktopia-vaulted-brick-pavilion-barcelona-map13/ > Fig. 31 : Ecole Nationale d’art de Cuba, V. Garatti, < http://www.uncubemagazine.com/ blog/15799223 > Fig. 32 : Voile mince retourné, CHALTIEL Stéphanie. ligne].

Fig. 33 : Voile mince en plâtre armé, Explorations-architecturales [en Disponible sur : http://www.explorations- architecturales.com/data/new/fiche_57. htm (Consulté le 30.12.2015) Fig. 34 : IAAC [en ligne]. Disponible sur : http://www.iaacblog.com/life/maa-advanced-robotic-fabrication-seminar/ (Consulté le 04/01/17) Fig. 35 : Voile mince, CHALTIEL Sptéphanie.

Fig. 36 : Dôme géodésique, B. Minsterfuller, Oberver [en linge]. Disponible sur : http://observer. com/2013/04/buck-the-trend-artists-channel-buckminster-fuller/ (Consulté 30/12/16) Fig. 37 : Réseau professionnel en 2012, LEYLAVERGNE Elvire, La filière terre crue en France. Enjeux, freins et perspectives, ENSA - Grenoble, 2012, 154p.

Fig. 38 : Amplia, Lipsky Rollet , Lyon, 2013 « Amplia , immeuble de logements à énergie positive.

Lyon Confluence. », Lipsky+Rollet architectes, Portrait d’agence AMC, Novembre 2016, n°255, p.32 Fig. 39 : Prototype Terra Nostra, Batijournal [en ligne]. Disponible sur : http://batijournal.com/terra-nostra-le-prototype-de-logement-eco-responsable/94033 (Consulté le 04/01/17)

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