Les solutions composites accélèrent la fabrication de façades en béton

Chaque bâtiment multi-étages construit aujourd'hui nécessite une façade. Dérivé du mot français façade, qui vient lui-même de l'italien facciata, cela signifie « visage ». En bref, la façade est la structure extérieure, visible au public, qui donne au bâtiment son caractère, sa couleur et sa forme. Pour les architectes, la façade définit très fortement le ton pour le reste du bâtiment et en dit long sur l'intention architecturale du designer.

Une façade est aussi fonctionnelle. Elle fournit la structure qui entoure les fenêtres et les portes, protège le bâtiment des intempéries et des impacts, et affecte l'efficacité énergétique du bâtiment. Une façade peut être construite à partir de divers matériaux, incluant composites, pierre, acier, verre ou béton. Le béton dans une façade, en vertu de sa malléabilité, peut être utilisé pour donner à un bâtiment une apparence hautement dimensionnelle et visuellement percutante, particulièrement si les formes en béton sont variées.

Le sucre est roi

Ce fut le cas à Domino Park, un projet de réaménagement de 11 acres le long du front de mer de Williamsburg à Brooklyn, New York, États-Unis. Au cœur de Domino Park se trouve la raffinerie de sucre Domino, vieille de 138 ans, qui a fermé en 2004 et est maintenant rénovée en espaces de bureaux et commerciaux. Une partie de Domino Park inclut plusieurs nouveaux bâtiments, dont la tour de 45 étages One South First et le conjoined 10 Grand. Pour ces bâtiments, l'architecte COOKFOX (New York, New York) a décidé d'utiliser une façade en béton qui présente de multiples angles de surface, de multiples formes de cadres de fenêtres et de multiples largeurs de cadres de fenêtres pour, de loin, transmettre vaguement un sentiment de cristallinité du sucre, en accord avec l'histoire du site.

Gate Precast Co. (Jacksonville, Floride, États-Unis) a remporté le contrat pour construire la façade en béton — essentiellement une série de cadres de fenêtres — pour le projet One South First. L'entreprise ferait, comme c'est typique pour une façade en béton, fabriquer les cadres dans sa propre installation puis expédier les cadres finis sur le chantier où ils seraient hissés en place pour l'installation via grue. Si Gate avait décidé de suivre la tradition, elle aurait construit des moules en bois pour façonner tous les cadres en béton. Gate, cependant, a décidé de ne pas suivre la tradition.

Pour comprendre, revenons à 2017, quand Gate a collaboré avec le Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI, Chicago, Illinois, États-Unis) et le Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, États-Unis) pour mener une évaluation préliminaire de l'utilisation de la fabrication additive grand format pour construire des moules composites pour le moulage de béton préfabriqué en usine. Cette évaluation a été faite en utilisant une machine BAAM (Big Area Additive Manufacturing) à l'ORNL. BAAM est une machine de fabrication additive grand format avec une enveloppe de construction de 25 mètres carrés, co-développée par l'ORNL et Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, États-Unis). Gate s'est engagée à construire des moules composites pour la façade One South First. Le projet nécessitait 80 moules au total, 37 seraient imprimés. Les 43 restants seraient faits en bois. Au moment où cette décision a été prise, les délais de livraison des moules étaient serrés.

En 2016, Additive Engineering Solutions (AES, Akron, OH) avait acquis sa première machine BAAM de Cincinnati Inc. À cause de cela, l'ORNL et Gate Precast se sont tournés vers AES pour aide. Andrew Bader, VP et cofondateur d'AES, dit que son entreprise et l'ORNL ont partagé le paquet de travail, avec AES produisant 18 des 37 moules. Bader dit que chaque moule de cadre de fenêtre mesure environ 5-6 pieds de large, 9-10 pieds de haut et 16 pouces de profondeur et pèse environ 500 lb.

Bader dit que l'intérieur de la géométrie des moules, parce qu'ils sont conçus pour produire des cadres qui entourent des fenêtres rectangulaires, était relativement simple. Cependant, le design des surfaces extérieures des cadres, comme noté, était plus complexe, avec des profondeurs et angles variés intégrés dans chaque moule. Une forme imprimée a remplacé un moule en bois composé de nombreuses pièces découpées individuellement clouées ensemble. « La géométrie était simple, mais compliquée », dit Bader. « Le projet nécessitait plusieurs designs de cadres uniques, selon l'emplacement du cadre. »

Pour une partie de sa production, AES a choisi un composé LNP THERMOCOMP AM, un matériau à haut module, faible gauchissement, basé sur ABS avec 20 % de fibres de carbone hachées fourni par SABIC (Houston, Texas, États-Unis). Bader dit qu'il a fallu 8-10 heures à la machine BAAM pour construire chaque moule monolithique, suivi de 4-8 heures d'usinage et finition sur une machine CNC Quintax (Stow, Ohio, États-Unis). Il rapporte que les moules ont été poncés aux dimensions requises, mais non scellés.

Fabrication des cadres de fenêtres

Les moules ont été livrés à l'installation de Gate à Winchester, Ky, États-Unis, où ils ont été utilisés aux côtés des 43 moules en bois traditionnels que Gate a construits pour le projet. Les moules en bois étaient assemblés à la main par les employés de Gate, puis un mat de fibres de verre et une couche de résine étaient appliqués, avec de l'huile de décoffrage pulvérisée pour faciliter le démoulage du cadre en béton formé. L'huile de décoffrage était aussi pulvérisée sur les moules composites pour faciliter le démoulage.

Pour effectuer un coulage de béton, plusieurs moules étaient placés sur une table de coulée en bois de 40-50 pieds de long. Les moules étaient groupés pour produire un cadre simple, double ou triple. Des barres d'armature en acier étaient positionnées à l'intérieur de chaque moule et le béton était coulé autour des armatures. La table de coulée était ensuite vibrée pour consolider le béton. Après 14-20 heures de durcissement, les cadres de fenêtres étaient démoulés, lavés à l'acide et polis. Ensuite, les fenêtres étaient installées et l'ensemble du paquet était expédié par camion sur le chantier de construction à Brooklyn.

Bader dit que les moules composites AES, travaillant aux côtés des moules en bois traditionnels, ont rapidement révélé leurs avantages. Premièrement, dit-il, un moule en bois ne permet que 15-20 coulées de béton avant d'être retiré du service et remis à neuf ou remplacé. Les moules AES, inversement, ont permis 200 coulées de béton avec un remise à neuf minimal ou temps hors service. Et les 200 coulées, dit Bader, représentaient la fin du projet, pas la fin de la durée de vie du moule. « C'est juste là qu'ils se sont arrêtés », dit-il. « Si nos moules sont correctement entretenus, nous pensons qu'ils peuvent être utilisés des centaines et des centaines de fois. »

De plus, pour une utilisation de 150 coulées ou plus, Gate calcule qu'il aurait fallu jusqu'à 10 moules en bois pour égaler la performance d'un moule AES. Aussi, étant donné qu'il faut 40 heures-homme à Gate pour produire un moule en bois, sans les 37 moules composites l'entreprise n'aurait pas respecté les exigences de planning du projet One South First.

Bader concède qu'un moule composite AES coûte quatre fois plus cher qu'un moule en bois, mais est au moins 10 fois plus durable. « La façon dont les moules préfabriqués ont été construits est restée relativement inchangée pendant des décennies », affirme Bader. « Tout à coup, un jour, nous faisons des formes 3D de 500 lb et tout le monde était choqué. » Cela dit, il reconnaît que la fabrication additive de tels moules est le plus rentable dans les applications où les formes de béton ont une géométrie compliquée ou une haute répétition — le même moule de nombreuses fois.

AES, rapporte Bader, possède et exploite maintenant quatre machines BAAM et peut produire des pièces jusqu'à 8 pieds de haut. Des pièces bien plus grandes ont été construites en assemblant plusieurs pièces.