Dôme géodésique

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Contexte

Une sphère géodésique est un arrangement de polygones qui se rapproche d'une vraie sphère. Un dôme géodésique est une partie d'une sphère géodésique. Les bâtiments ou les toits ont été construits à partir de dômes géodésiques allant de 5 à 100 % d'une sphère. Les dômes utilisés pour les maisons sont généralement des ensembles de triangles qui forment les trois ou cinq huitièmes d'une sphère géodésique.

Les dômes géodésiques sont des structures efficaces à plusieurs égards. Le triangle est une forme très stable; par exemple, une force appliquée au coin d'un rectangle peut le déformer en un parallélogramme, mais la même force ne déformera pas un triangle. Cela rend les bâtiments à dôme géodésique très résistants à des forces telles que la neige, les tremblements de terre, le vent et même les tornades. La superficie d'un dôme géodésique n'est que de 38 % de la superficie d'un bâtiment en forme de boîte enfermant la même surface au sol. Il y a moins de surface exposée aux fluctuations de température extérieure, ce qui rend le bâtiment moins cher à chauffer et à refroidir qu'une structure rectiligne. Les dômes géodésiques peuvent être construits rapidement sans équipement lourd. À l'aide de composants préfabriqués, il suffit de quelques personnes pour ériger le dôme d'une maison de 2 000 pieds carrés (185 m²) en 10 heures ou moins.

Un dôme géométrique se soutient sans avoir besoin de colonnes internes ou de murs porteurs intérieurs. Cette propriété rend ces structures attrayantes pour une utilisation comme églises, arènes sportives et salles d'exposition. L'attrait esthétique des hauts plafonds les rend attrayants en tant que maisons, et les sols complets ou partiels du deuxième étage sont facilement suspendus à mi-hauteur de l'enceinte sans aucun support autre que la fixation au dôme lui-même.

Historique

En 1919, cherchant un moyen de construire un plus grand planétarium, l'ingénieur allemand Walter Bauersfeld a décidé de monter des projecteurs mobiles dans un dôme fixe. Jusqu'à ce moment-là, les dômes des planétariums tournaient tandis que la lumière externe pénétrait par des trous sur la coque du dôme pour simuler les étoiles et les planètes. Cela a limité la taille pratique du dôme et le nombre de personnes qu'il pouvait contenir. Le concept de projection intérieure de Bauersfeld fonctionnerait dans un dôme beaucoup plus grand. Le premier modèle construit était plus de la moitié d'une sphère; 52 pi (16 m) de diamètre. Bauersfeld a résolu le problème de la construction d'une si grande sphère en l'approchant avec un icosaèdre (solide à 20 côtés avec des faces triangulaires égales) et en subdivisant chaque face en triangles plus petits. Il a encadré les triangles à partir de près de 3 500 tiges de fer minces. Pour construire une coque sphérique sur ce cadre, il a érigé une forme sphérique en bois à l'intérieur du cadre et pulvérisé sur un mélange de béton pâteux. La coquille a été conçue pour avoir la même épaisseur proportionnelle que celle d'une coquille d'œuf par rapport à son diamètre, un rapport plus tard considéré comme approprié pour les dômes géodésiques.

Trente ans plus tard, R. Buckminster Fuller, un architecte, ingénieur, poète et philosophe américain, inventa indépendamment un système structurel similaire. Après la Seconde Guerre mondiale, Fuller voulait concevoir des logements abordables et efficaces qui pourraient être construits rapidement à partir de composants produits en série. Désireux de sortir des approches conventionnelles, Fuller a commencé à travailler avec des formes sphériques car elles enferment un espace donné avec un minimum de surface. Il a d'abord encadré des sphères avec un réseau de bandes se rapprochant de grands cercles (cercles sur une sphère dont les centres coïncident avec le centre de la sphère); les bandes formaient des triangles en se croisant. Il a appelé le produit un dôme géodésique parce que les grands cercles sont connus sous le nom de géodésiques (d'un mot grec signifiant division de la terre). Finalement, Fuller a commencé à former des sphères à partir d'hexagones et de pentagones (comme les panneaux d'un ballon de football) et de les diviser en triangles pour plus de solidité et de facilité de construction.

En 1953, Fuller a utilisé son nouveau système pour couvrir la cour de 93 pieds (28 m) de diamètre entourée par le siège social de Ford Motor Company. Le bâtiment n'a pas été conçu pour supporter le poids important d'un dôme traditionnel, mais la création de Fuller pesait 95 % de moins. Il a terminé la conception et la construction en seulement trois mois. Un mât temporaire érigé au centre de la cour a soutenu le dôme pendant la construction, et la structure a été progressivement surélevée et tournée après l'achèvement de chaque nouvelle section. Le cadre se composait de 12 000 entretoises en aluminium pesant un total de 3 750 lb (1 700 kg) qui étaient reliées pour former des triangles, puis levées en position et rivetées au cadre de croissance. Lorsque le dôme a été achevé, il a été doucement abaissé sur des supports qui avaient été installés sur le bâtiment existant. Un panneau de fibre de verre transparent a été installé dans chaque triangle pour compléter le dôme.

En 1954, Fuller a reçu un brevet sur les dômes géodésiques. Au cours des années 1960 et 1970, une époque où le non-conformisme était prisé, les dômes géométriques sont devenus populaires comme moyen peu coûteux pour les personnes soucieuses de l'environnement de construire leur propre maison. Les instructions étaient largement disponibles, mais la qualité des matériaux (y compris des choix aussi étranges que le papier mâché et les boîtes de conserve jetées) et les compétences des constructeurs bricoleurs étaient incohérentes. Les dômes construits par des amateurs avaient tendance à fuir lorsqu'il pleuvait, une utilisation insuffisante de l'isolation limitait leur efficacité énergétique et un nombre insuffisant de puits de lumière laissait les intérieurs tristes.

Fuller a prédit qu'un million de dômes géodésiques seraient construits d'ici le milieu des années 1980, mais au début des années 1990, les estimations plaçaient le nombre mondial entre 50 000 et 300 000. Un contingent restreint mais persistant de constructeurs de maisons non conventionnels continue de construire des maisons à dôme géodésique, principalement à partir de kits. Cependant, Newsday a rapporté en 1992 que la majorité des structures de dôme géodésique ont été construites pour des serres, des hangars de stockage, des abris de défense et des attractions touristiques. L'une des plus reconnaissables d'entre elles est la sphère de 165 pieds (48 m) de diamètre au Epcot Center de Walt Disney World. Construite en panneaux composites de plastique éthylène et d'aluminium en 1982, la structure abrite un manège appelé Spaceship Earth, un terme inventé par Fuller lui-même.

Matières premières

La taille des dômes géodésiques va de l'arène sportive Poliedro de Caracas de 460 pieds (143 m) au Venezuela aux abris temporaires d'un diamètre de 15 pieds (5 m) ou moins. Par conséquent, les matériaux de construction varient considérablement. Les structures simples et mobiles peuvent être constituées de tuyaux en polychlorure de vinyle (PVC) ou de cadres de conduits en acier galvanisé recouverts de bâches en plastique ou d'auvents de parachute. Les grandes structures permanentes telles que les arénas et les usines ont été construites à partir de matériaux tels que des entretoises en aluminium et en acier recouvertes de panneaux d'aluminium, de cuivre, de gypse structurel, d'acrylique ou de plexiglas.

La plupart des fabricants de kits de dômes résidentiels utilisent des composants en bois, principalement des entretoises en sapin de Douglas séchées au four recouvertes de contreplaqué de qualité extérieure ou structurelle de 0,5 po (1,3 cm). Ces kits comprennent diverses conceptions de connecteurs pour fixer solidement les entretoises en bois ensemble dans la configuration appropriée ; l'aluminium à haute résistance ou l'acier revêtu de zinc, d'époxyde ou d'apprêt industriel sont couramment utilisés pour les connecteurs. Des boulons en acier zingué fixent les connecteurs et les panneaux sont cloués.

Quelques fabricants de kits utilisent des matériaux alternatifs pour fabriquer des panneaux préfabriqués qui combinent le cadre et le revêtement extérieur. L'un, par exemple, fabrique des panneaux moulés en fibre de verre. Un autre fournit des panneaux en béton armé; un treillis en acier s'étendant depuis les bords du panneau est recouvert d'un treillis provenant du panneau adjacent et le joint est scellé avec du béton.

La plupart des kits de dôme sont construits sur des dalles de fondation en béton. Souvent, ces dalles sont encastrées dans le sol pour fournir un niveau de sous-sol. Les murs de fondation et les murs de contremarche (murs verticaux sous le dôme qui peuvent être utilisés pour augmenter sa hauteur totale) sont généralement en béton ou en bois. Isolation intérieure en général Construction d'un dôme géodésique. se compose de ouate de fibre de verre ou d'uréthane pulvérisé, de cellulose ou de mousse plastique Icynene.

Conception

Bien que les maisons en forme de dôme soient construites à partir de kits fabriqués, les conceptions sont flexibles. Jusqu'à la moitié des triangles de la rangée la plus basse du dôme peuvent être retirés sans affaiblir la structure, de sorte que les ouvertures des portes et des fenêtres peuvent être abondantes. Des extensions à parois verticales peuvent être construites à partir de telles ouvertures pour augmenter l'espace au sol. Le dôme peut reposer directement sur des semelles au niveau du sol (murs courts encastrés dans le sol pour supporter le poids du bâtiment), ou il peut être érigé au sommet d'un mur de contremarche jusqu'à 8 pi (2,5 m) de hauteur.

Un espace doit être prévu entre les murs intérieurs et extérieurs pour permettre l'isolation. Certains fabricants créent cet espace en fabriquant des entretoises en bois d'une épaisseur de 4 à 8 pouces (10 à 20 cm). D'autres rendent cet espace de 14,5 à 21 pouces (37 à 53 cm) d'épaisseur en utilisant des entretoises composées constituées de deux bandes de bois reliées par des goussets en contreplaqué.

Le processus de fabrication

Ce qui suit est un ensemble de techniques utilisées par plusieurs personnes utilisant des kits de divers fabricants.

La sous-structure

• 1 Après avoir dégagé et nivelé le site d'accueil, une tranchée est creusée pour la semelle de fondation, en suivant les plans détaillés fournis par le fabricant du kit. La base du dôme n'est pas circulaire; il est plutôt délimité par cinq murs courts alternant avec cinq murs longs (deux fois la longueur des murs courts). Des formes sont placées pour les semelles; de nombreux constructeurs aiment utiliser des formes permanentes en polystyrène qui n'ont pas besoin d'être retirées. Le béton est ensuite coulé dans les coffrages de la semelle.
• 2 Une couche de sable peut être utilisée pour niveler davantage la surface et fournir une base pour la dalle de fondation. Des barres d'acier d'armature sont liées ensemble dans une grille et du béton est coulé pour former la fondation.
• 3 Les murs de fondation sont construits au-dessus des semelles, jusqu'à environ le niveau du sol. Si vous le souhaitez, les murs de contremarche (fournis dans le kit) sont installés au-dessus des murs de fondation et boulonnés les uns aux autres.
• 4 solives de plancher sont installées en plaçant des planches de bois de 2x12 (1,5x1,5 po [3,8x29,2]) espacées de 16 po (40 cm) au-dessus de la fondation. Les solives sont clouées à un cadre en bois de périmètre et à une traverse en bois. Des feuilles de contreplaqué de trois quarts de pouce (1,9 cm) d'épaisseur sont posées sur les solives et clouées en place.

La superstructure

La superstructure se compose généralement de 60 panneaux triangulaires. Selon la taille souhaitée du dôme, les panneaux mesurent généralement 6 à 10 pi (1,8 à 3 m) de côté. Ils peuvent être préfabriqués avec les panneaux extérieurs installés, ou ils peuvent être construits sur place à partir de bois prédécoupé et de connecteurs métalliques.

Si des panneaux de dôme étaient fournis avec le kit, ils sont placés au sommet des murs de fondation ou de la colonne montante et connectés les uns aux autres dans un ordre prescrit par le fabricant. Jusqu'à ce que suffisamment de panneaux soient connectés pour se soutenir, ils doivent être contreventés avec des poteaux rayonnant à partir d'un bloc au centre du sol. Les étapes suivantes décrivent le cas le plus courant de l'érection du cadre suivie de l'installation du panneau extérieur :

• 5 Les plaques de base sont installées au-dessus des murs de fondation ou de contremarche. Ces lames de bois biseautées avec précision de 10 x 15 cm (4 x 6 po) assurent une transition entre le bord supérieur horizontal des murs et les triangles légèrement inclinés de la bande de panneaux inférieure du dôme.
• 6 Conformément au code de couleur sur les entretoises en bois et les connecteurs métalliques du kit, un triangle est formé et fixé avec des boulons. Le triangle est soulevé en position et boulonné au mur et/ou aux triangles adjacents. Des rangées successives d'éléments triangulaires sont placées jusqu'à ce que le dôme soit complètement formé. En raison de leur faible poids, les triangles n'ont pas besoin de contreventement supplémentaire pour les maintenir en place pendant la construction.
• 7 clous en bois sont cloués à l'intérieur de chaque triangle. Courant perpendiculairement à un côté du triangle, ils sont placés à environ 40 cm (16 po) l'un de l'autre. Si un nombre impair de goujons est utilisé, celui du centre est fixé contre un bloc per-pendiculaire près du sommet du triangle, plutôt que de s'étendre jusqu'au sommet.
• 8 Les panneaux de contreplaqué assortis aux bords codés par couleur sont soulevés en position à l'extérieur de chaque triangle et cloués en place. En travaillant vers le bas depuis le haut du dôme, le travailleur peut se tenir debout sur le cadre ouvert en dessous tout en fixant chaque panneau.
• 9 Les murs verticaux et les toits sont encadrés pour toute extension souhaitée qui se projettera vers l'extérieur du dôme. Des panneaux de contreplaqué sont cloués sur les faces extérieures des extensions. Des extensions de lucarnes peuvent également être érigées pour les fenêtres du deuxième étage.

Finition

• 10 fenêtres, puits de lumière et portes extérieures sont installés.
• 11 Le toit est recouvert de feuilles de caoutchouc et un matériau de toiture conventionnel (tel que des bardeaux ou des tuiles) est appliqué.
• 12 Un matériau de revêtement conventionnel (comme un revêtement de stuc ou de vinyle) est appliqué à l'extérieur des murs de contremarche.
• 13 L'isolation est placée entre les entretoises et les montants à l'intérieur du dôme et des murs d'extension.
• 14 Les murs sont encadrés pour diviser l'intérieur en pièces. Les plaques de plâtre conventionnelles sont coupées selon les modèles inclus dans le kit, et elles sont clouées aux murs intérieurs et aux surfaces intérieures des murs du dôme et de la colonne montante. En raison des nombreux angles entre les sections triangulaires du dôme, les constructeurs amateurs embauchent souvent un professionnel pour coller les joints de cloison sèche.

Contrôle qualité

Une structure de dôme géodésique de qualité est étanche à l'air et structurellement solide. Ce sont les facteurs qui réduisent les coûts énergétiques, la principale considération lors de la construction d'une maison géodésique. Parce que la structure est fondamentalement étanche à l'air, la condensation peut parfois être un problème. Normalement, il est contrôlé par le système de chauffage et de refroidissement, mais lorsque la maison est fermée pendant quelques jours, l'humidité peut s'accumuler. Ceci est facilement résolu en allumant le système d'air ou en ouvrant une porte ou une fenêtre.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller est né le 12 juillet 1895 à Milton, dans le Massachusetts. Il entra à l'université Harvard en 1913 mais en fut expulsé deux ans plus tard. En 1917, il épousa Anne Hewlett et fonda une entreprise de construction. En 1923, Fuller a inventé la méthode de pose de briques en palissade, des briques à trous verticaux renforcées de béton. En 1927, il a conçu une maison Dymaxion assemblée en usine, une unité autonome suspendue à un mât central avec un système de recyclage complet. Dymaxion était un terme qu'il utilisait pour tout ce qui déduisait une sortie maximale d'une entrée minimale. Fuller a également conçu une voiture Dymaxion - un véhicule omnidirectionnel qui offrait une résistance au vent minimale - en 1928. Ce véhicule pouvait accueillir 12 personnes, faire des virages à 180°, rouler facilement à 120 mph (193 km/h) et une moyenne de 28 mi/gal (12 km/ I) mais n'était pas rentable car les constructeurs automobiles ne le produiraient pas en masse.

La rupture financière de Fuller est survenue en 1940 avec son unité de déploiement Dymaxion (DDUj, une unité de vie circulaire auto-refroidie avec des pièces en acier ondulé en forme de tarte. Les Britanniques ont utilisé des DDU pendant la Seconde Guerre mondiale. En 1949, Fuller a commencé à travailler sur la géodésique dômes. Il a déposé une demande de brevet en 1951 et a reçu un contrat en 1953 de Ford Motor Company pour construire un dôme sur la cour de leur siège social à Detroit. Le département américain de la Défense est devenu le plus gros client de Fuller, utilisant des dômes comme unités de logement temporaires protéger l'équipement radar des environnements difficiles.

Au moment de sa mort en 1983, les dômes de Fuller étaient utilisés dans le monde entier. En 1985, le fullerène a été découvert. Les fullerènes sont des atomes de carbone disposés en forme de sphère avec des faces pentagonales et hexagonales, similaires aux dômes géodésiques. Ces "boules bucky" ont jusqu'à 980 atomes de carbone.

Le futur

Les améliorations futures de la construction des dômes géodésiques pourraient provenir de l'amélioration des matériaux de construction. Par exemple, en 1997, un fabricant de blocs de béton a développé un bloc triangulaire creux, biseauté avec des bords rainurés pouvant s'emboîter avec les blocs adjacents. Correctement formés, de tels blocs pourraient être utilisés pour construire des dômes.

Une autre innovation consiste à concevoir des dômes basés sur une prémisse mathématique différente. Dans un véritable dôme géodésique, les bords des éléments triangulaires s'alignent pour former de grands cercles. Bien que non géodésique, une nouvelle conception brevetée en 1989 utilise des hexagones et des pentagones pour former des dômes avec une section transversale elliptique. En raison de sa dérivation mathématique, cette conception est appelée géotangente.

Bien que les dômes géodésiques maximisent la résistance tout en minimisant les matériaux de construction, les dômes à profil elliptique offrent deux avantages différents. Ils peuvent couvrir une zone circulaire sans s'élever aussi haut qu'un dôme sphérique. Et ils peuvent couvrir des zones allongées ou de forme irrégulière qui varient en altitude. Situés dans le nord du Mexique, les plus grands dômes industriels du monde sont une paire de bâtiments de fabrication couverts de toits elliptiques de 735 pi (224 m) de long et 260 pi (80 m) de large.