Dôme Géodésique : Design, Construction et Applications

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Contexte

Une sphère géodésique est un arrangement de polygones qui approxime une vraie sphère. Un dôme géodésique est une portion d'une sphère géodésique. Des bâtiments ou toits ont été construits en dômes géodésiques allant de 5 à 100 % d'une sphère. Les dômes utilisés pour les maisons sont généralement des assemblages de triangles formant 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 parallélogramme, mais la même force ne déformera pas un triangle. Cela rend les bâtiments à dôme géodésique hautement résistants à de telles forces que couvertures de neige, tremblements de terre, vent, et même tornades. La surface d'un dôme géodésique n'est que de 38 % de la surface d'un bâtiment cubique enclosant la même surface au sol. Il y a moins de surface exposée aux fluctuations de température extérieure, rendant le bâtiment moins cher à chauffer et climatiser qu'une structure rectiligne. Les dômes géodésiques peuvent être construits rapidement sans équipement lourd. En utilisant des composants préfabriqués, il ne faut que quelques personnes pour ériger le dôme d'une maison de 185 m² en 10 heures ou moins.

Un dôme géométrique se supporte lui-même sans avoir besoin de colonnes intérieures ou de murs porteurs intérieurs. Cette propriété rend de telles structures attrayantes pour les églises, arènes sportives et halls d'exposition. L'attrait esthétique de plafonds hauts les rend attractifs comme habitations, et des étages partiels ou complets au second niveau sont facilement suspendus à mi-hauteur de l'enceinte sans autre support que la fixation au dôme lui-même.

Histoire

En 1919, cherchant un moyen de construire un planétarium plus grand, l'ingénieur allemand Walter Bauersfeld décida de monter des projecteurs mobiles dans un dôme stationnaire. Jusque-là, les dômes de planétarium tournaient tandis que la lumière externe entrait par des trous dans la coque pour simuler étoiles et planètes. Cela limitait la taille pratique du dôme et le nombre de personnes qu'il pouvait accueillir. Le concept de projection intérieure de Bauersfeld fonctionnerait dans un dôme bien plus grand. Le premier modèle construit était plus d'une demi-sphère ; 16 m de diamètre. Bauersfeld résolut le problème de construction d'une si grande sphère en l'approximant avec un icosaèdre (solide à 20 faces triangulaires égales) et en subdivisant chaque face en triangles plus petits. Il structura les triangles avec près de 3 500 tiges de fer minces. Pour construire une coque sphérique sur cette armature, il érigea une forme sphérique en bois à l'intérieur du cadre et projeta un mélange de béton pâteux. La coque était conçue pour avoir la même épaisseur proportionnelle que celle d'une coquille d'œuf par rapport à son diamètre, un ratio plus tard considéré approprié pour les dômes géodésiques.

Trente ans plus tard, R. Buckminster Fuller, architecte, ingénieur, poète et philosophe américain, inventa indépendamment un système structural similaire. Après la Seconde Guerre mondiale, Fuller voulait concevoir un logement abordable, efficace, construisible rapidement à partir de composants produits en série. Prêt à regarder hors des approches conventionnelles, Fuller commença à travailler avec des formes sphériques car elles enclosent un espace donné avec un minimum de surface. Il structura d'abord des sphères avec un réseau de bandes approximant de grands cercles (cercles sur une sphère dont les centres coïncident avec celui de la sphère) ; les bandes formèrent des triangles en se croisant. Il appela le produit dôme géodésique car les grands cercles sont connus comme géodésiques (d'un mot grec signifiant divisant la terre). Finalement, Fuller commença à former des sphères à partir d'hexagones et pentagones (comme les panneaux d'un ballon de football) et les divisa en triangles pour la résistance et la facilité de construction.

En 1953, Fuller utilisa son nouveau système pour couvrir la cour de 28 m de diamètre entourée du siège de Ford Motor Company. Le bâtiment n'était pas conçu pour supporter le grand poids d'un dôme traditionnel, mais la création de Fuller pesait 95 % de moins. Il acheva la conception et la construction en seulement trois mois. Un mât temporaire érigé au centre de la cour soutint le dôme pendant la construction, et la structure fut incrémentalement levée et rotée après l'achèvement de chaque nouvelle section. Le cadre consistait en 12 000 entretoises en aluminium pesant au total 1 700 kg, connectées pour former des triangles puis levées en position et rivetées au cadre grandissant. Quand le dôme fut achevé, il fut délicatement posé sur des supports installés sur le bâtiment existant. Un panneau en fibre de verre transparent fut installé dans chaque triangle pour compléter le dôme.

En 1954, Fuller obtint un brevet sur les dômes géodésiques. Pendant les années 1960 et 1970, une ère où l'inhabituel était prisé, les dômes géométriques devinrent populaires comme moyen peu coûteux pour les personnes écologiquement conscientes de construire leurs propres maisons. Les instructions étaient largement disponibles, mais la qualité des matériaux (incluant d'étranges choix comme le papier mâché et boîtes de conserve usagées) et l'habileté des constructeurs bricoleurs étaient incohérentes. Les dômes construits par amateurs avaient tendance à fuir sous la pluie, une isolation insuffisante limitait leur efficacité énergétique, et un nombre inadéquat de lucarnes laissait les intérieurs sombres.

Fuller 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 petit mais persistant groupe de constructeurs de maisons non conventionnels continue de construire des maisons en dôme géodésique, principalement à partir de kits. Cependant, Newsday rapporta en 1992 que la majorité des structures en dôme géodésique ont été construites pour serres, abris de stockage, abris de défense et attractions touristiques. L'un des plus reconnaissables est la sphère de 48 m de diamètre au Epcot Center de Walt Disney World. Construite en panneaux composites de plastique éthylène et aluminium en 1982, la structure abrite une attraction appelée Spaceship Earth, un terme inventé par Fuller lui-même.

Matériaux Premières

Les dômes géodésiques varient en taille du Poliedro de Caracas de 143 m (arène sportive au Venezuela) aux abris temporaires de 5 m ou moins de diamètre. Par conséquent, les matériaux de construction varient largement. Les structures simples et mobiles peuvent être en tubes PVC ou conduits en acier galvanisé recouverts de feuilles plastiques ou de canopées de parachute. Les grandes structures permanentes comme arènes et usines ont été construites en matériaux comme entretoises en aluminium et acier recouvertes de panneaux en aluminium, cuivre, gypse structural, acrylique ou Plexiglas.

La plupart des fabricants de kits de dômes résidentiels utilisent des composants en bois, principalement des entretoises en sapin de Douglas séché au four recouvertes de contreplaqué extérieur ou structural de 1,3 cm. De tels kits incluent divers designs de connecteurs pour fixer solidement les entretoises en bois dans la configuration appropriée ; de l'aluminium haute résistance, ou de l'acier zingué, époxy ou apprêt industriel sont couramment utilisés pour les connecteurs. Des boulons en acier zingué sécurisent les connecteurs et le revêtement est cloué.

Quelques fabricants de kits utilisent des matériaux alternatifs pour faire des panneaux préfabriqués combinant cadre et revêtement extérieur. L'un, par exemple, fait des panneaux en fibre de verre moulée. Un autre fournit des panneaux en béton armé ; la maille d'acier s'étendant des bords du panneau chevauche la maille du panneau adjacent, et le joint est scellé avec du béton.

La plupart des kits de dômes 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 murs de soubassement (murs verticaux sous le dôme qui peuvent servir à rehausser sa hauteur globale) sont généralement en béton ou bois. L'isolation intérieure consiste généralement Construction d'un dôme géodésique. en laine de verre ou mousse de polyuréthane projetée, cellulose, ou mousse plastique Icynene.

Design

Bien que les maisons en dôme soient construites à partir de kits manufacturés, les designs sont flexibles. Jusqu'à la moitié des triangles de la rangée la plus basse du dôme peuvent être enlevés sans affaiblir la structure, donc les ouvertures de portes et fenêtres peuvent être nombreuses. Des extensions à murs verticaux peuvent être construites à partir de telles ouvertures pour augmenter la surface au sol. Le dôme peut reposer directement sur des semelles de niveau du sol (murs courts encastrés dans le sol pour porter le poids du bâtiment), ou être érigé atop un mur de soubassement jusqu'à 2,5 m de haut.

De l'espace doit être prévu entre les murs intérieurs et extérieurs pour accommoder l'isolation. Certains fabricants créent cet espace en faisant les entretoises en bois de 10-20 cm d'épaisseur. D'autres font cet espace de 37-53 cm d'épaisseur en utilisant des entretoises composées de deux bandes de bois jointes par des goussets en contreplaqué.

Processus de Fabrication

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

La sous-structure

• 1. Après déblaiement et nivellement du terrain, une tranchée est creusée pour la semelle de fondation, suivant les plans détaillés fournis par le fabricant du kit. La base du dôme n'est pas circulaire ; elle est délimitée par cinq murs courts alternant avec cinq murs longs (deux fois la longueur des murs courts). Des coffrages sont placés pour les semelles ; beaucoup de constructeurs aiment utiliser des coffrages en polystyrène permanents qui n'ont pas besoin d'être enlevés. Le béton est alors coulé dans les coffrages de semelles.
• 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'armature sont liées en grille, et le béton est coulé pour former la fondation.
• 3. Les murs de fondation sont construits sur les semelles, jusqu'à environ le niveau du sol. Si désiré, les murs de soubassement (fournis dans le kit) sont installés sur les murs de fondation et boulonnés entre eux.
• 4. Les solives de plancher sont installées en dressant des planches 2x12 (3,8x29,2 cm) à 40 cm d'intervalle au-dessus de la fondation. Les solives sont clouées à un cadre périphérique en bois et une poutre transversale en bois. Des panneaux de contreplaqué de 1,9 cm d'épaisseur sont posés sur les solives et cloués en place.

La superstructure

La superstructure consiste typiquement en 60 panneaux triangulaires. Selon la taille désirée du dôme, les panneaux font généralement 1,8-3 m de côté. Ils peuvent être préfabriqués avec les panneaux extérieurs installés, ou construits sur site à partir de bois pré-coupé et connecteurs métalliques.

Si les panneaux de dôme étaient fournis avec le kit, ils sont posés sur la fondation ou les murs de soubassement et connectés entre eux dans une séquence prescrite par le fabricant. Jusqu'à ce que suffisamment de panneaux soient connectés pour s'auto-supporter, ils doivent être étayés avec des poteaux rayonnant depuis un bloc au centre du plancher. Les étapes suivantes décrivent le cas plus courant d'érection de l'ossature suivie de l'installation des panneaux extérieurs :

• 5. Des platines de base sont installées sur la fondation ou les murs de soubassement. Ces bandes de bois 10x15 cm précisément biseautées fournissent une transition entre le bord supérieur horizontal des murs et les triangles légèrement inclinés de la bande inférieure des panneaux du dôme.
• 6. En faisant correspondre le code couleur sur les entretoises en bois et connecteurs métalliques du kit, un triangle est formé et sécurisé avec des boulons. Le triangle est levé 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 légèreté, les triangles n'ont pas besoin de contreventement supplémentaire pour les maintenir en place pendant la construction.
• 7. Des montants en bois sont cloués à l'intérieur de chaque triangle. Courant perpendiculairement à un côté du triangle, ils sont placés à environ 40 cm d'intervalle. Si un nombre impair de montants est utilisé, le central est sécurisé contre un bloc perpendiculaire près du sommet du triangle, plutôt que de s'étendre jusqu'au sommet.
• 8. En faisant correspondre les bords codés par couleur, les panneaux de contreplaqué sont levés en position sur l'extérieur de chaque triangle et cloués en place. En travaillant vers le bas depuis le sommet du dôme, l'ouvrier peut se tenir sur l'ossature ouverte en dessous tout en fixant chaque panneau.
• 9. Des murs verticaux et toits sont construits pour toute extension désirée qui projettera vers l'extérieur depuis le dôme. Des panneaux de contreplaqué sont cloués aux faces extérieures des extensions. Des extensions en lucarne peuvent aussi être érigées pour des fenêtres au second étage.

Finition

• 10. Fenêtres, lucarnes et portes extérieures sont installées.
• 11. Le toit est couvert de membrane en caoutchouc, et un matériau de toiture conventionnel (bardeaux ou tuiles) est appliqué.
• 12. Un matériau de bardage conventionnel (stuc ou bardage vinyle) est appliqué à l'extérieur des murs de soubassement.
• 13. L'isolation est placée entre les entretoises et montants à l'intérieur du dôme et murs d'extension.
• 14. Des murs sont construits pour diviser l'intérieur en pièces. Des plaques de plâtre conventionnelles sont découpées selon les patrons inclus dans le kit, et clouées aux murs intérieurs et surfaces intérieures du dôme et murs de soubassement. En raison des nombreux angles entre sections triangulaires du dôme, les constructeurs amateurs engagent souvent un professionnel pour faire les joints du plâtre.

Contrôle Qualité

Une structure en dôme géodésique de qualité est étanche à l'air et structurellement saine. Ce sont les facteurs qui réduisent les coûts énergétiques, la considération principale lors de la construction d'une maison en dôme géodésique. Comme la structure est essentiellement étanche à l'air, la condensation peut parfois être un problème. Normalement, elle est contrôlée par le système de chauffage et climatisation mais quand la maison a été fermée quelques jours, l'humidité peut s'accumuler. Cela se résout facilement en activant le système d'air ou en ouvrant une porte ou fenêtre.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller est né le 12 juillet 1895 à Milton, Massachusetts. Il entra à l'Université Harvard en 1913 mais fut exclu deux ans plus tard. En 1917, il épousa Anne Hewlett et forma une entreprise de construction. En 1923, Fuller inventa la méthode de pose de briques stockade — briques avec trous verticaux renforcés de béton. En 1927, il conçut une maison Dymaxion assemblée en usine, une unité autoportée suspendue à un mât central avec un système de recyclage complet. Dymaxion était un terme qu'il utilisait pour tout ce qui tirait le maximum de sortie d'un minimum d'entrée. Fuller conçut aussi une voiture Dymaxion — un véhicule omnidirectionnel offrant une résistance au vent minimale — en 1928. Ce véhicule pouvait accueillir 12 personnes, faire des demi-tours de 180°, rouler aisément à 193 km/h, et faire en moyenne 12 km/l mais fut non rentable car les constructeurs automobiles ne la produiraient pas en série.

La percée financière de Fuller vint en 1940 avec son Unité de Déploiement Dymaxion (UDD), une unité de vie circulaire auto-refroidie avec des pièces en acier ondulé en forme de tarte. Les Britanniques utilisèrent les UDD pendant la Seconde Guerre mondiale. En 1949, Fuller commença à travailler sur les dômes géodésiques. Il déposa un brevet en 1951 et obtint un contrat en 1953 de Ford Motor Company pour construire un dôme sur la cour de leur siège à Detroit. Le Département de la Défense américain devint le plus gros client de Fuller, utilisant les dômes comme logements temporaires et pour protéger les équipements radar des environnements hostiles.

Au moment de sa mort en 1983, les dômes de Fuller étaient utilisés dans le monde entier. En 1985, le fullerène fut découvert. Les fullerènes sont des atomes de carbone arrangés en formes sphériques avec faces pentagonales et hexagonales, similaires aux dômes géodésiques. Ces « bucky balls » comptent jusqu'à 980 atomes de carbone.

Avenir

De futurs raffinements dans la construction de dômes géodésiques pourront venir de matériaux de construction améliorés. Par exemple, en 1997, un fabricant de blocs béton développa un bloc triangulaire creux, biseauté, à bords rainurés qui pouvait s'imbriquer avec les blocs adjacents. Bien façonnés, de tels blocs pourraient être utilisés pour construire des dômes.

Une autre innovation implique la conception de dômes basés sur une prémisse mathématique différente. Dans un vrai dôme géodésique, les arêtes des éléments triangulaires s'alignent pour former de grands cercles. Bien que non géodésique, un nouveau design breveté en 1989 utilise hexagones et pentagones pour former des dômes à section transversale elliptique. En raison de sa dérivation mathématique, ce design est appelé 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 élévation. Situées dans le nord du Mexique, les plus grandes coupoles industrielles du monde sont une paire de bâtiments de fabrication couverts de toits elliptiques de 224 m de long et 80 m de large.