Quand la céramique devient structurelle

Rédigé par Benoit JOLY
Publié le 03/05/2018

Article paru dans le d'A n°262

Depuis 2010, Martin Bechthold dirige un atelier de recherche au sein de l’École supérieure de design de Harvard. Ingénieur, docteur en design et architecte ayant collaboré avec SOM et Calatrava, il travaille sur l’intégration de la robotique dans les processus de fabrication-construction et le développement de systèmes de matériaux avancés. Chaque année, le groupe MaP+S (Material Processes and Systems) expose dans le cadre du salon Cevisama de Valence, en Espagne, des prototypes et des sculptures qui explorent les possibilités techniques de la céramique. Pour l’édition 2018, l’équipe de Bechthold a imaginé le « Tile Grid Shell », une structure de 6 mètres de long, pour la première fois en céramique 100 % structurelle.


D’a : Le « Tile Grid Shell » explore les capacités structurelles offertes par des plaques de céramiques. Comment est née cette idée ?

Ce projet fait partie d’un large corpus de recherches mené par le groupe MaP+S. Nous y explorons entre autres de nouvelles applications pour les carreaux de céramique minces et de grand format. Les avancées technologiques récentes ont permis aux fabricants de carreaux de concevoir des plaques de plus en plus grandes – jusqu’à 3,6 mètres par 1,2 mètre –, et dans des épaisseurs comprises entre 3 et 20 millimètres. Ces plaques sont pour l’heure principalement utilisées pour les finitions de surfaces intérieures, les revêtements de façades ou les finitions de meubles. Nous nous sommes donc intéressés à l’étude de leurs applications structurelles : leurs propriétés mécaniques sont excellentes, les tolérances de production faibles et la durabilité élevée. Grâce à leurs nouveaux formats, on peut désormais les traiter comme des matériaux en feuille, tels le contreplaqué ou les plaques de métal. Pour construire le « Tile Grid Shell », nous nous sommes appuyés sur des travaux existants, comme l’installation « Protoceramics » réalisée en 2015 pour le Cevisama. Il s’agissait d’une approche tectonique différente, avec la réalisation de trois colonnes de 3,6 mètres de hauteur constituées de grandes plaques. Nous y avons testé plusieurs opérations de pliages à froid, de flexions ou de coupes… Cette année, avec le « Tile Grid Shell », notre principale motivation était d’atteindre la plus grande portée en utilisant le moins d’éléments possible. La forme caténaire de la structure est conçue pour minimiser les contraintes de flexion et s’étendre efficacement entre trois points d’appui. À notre connaissance, c’est une première mondiale dans ce domaine, ce type de structure étant habituellement réalisé en métal ou en bois. Nous avons imaginé ce prototype comme un exemple concret de conception systémique reproductible, et non comme un objet unique.

 

D’a : Comment avez-vous défini la géométrie des composants ?

En phase conception et prototypage, nous avons créé un modèle paramétrique pour exécuter un certain nombre de tâches. Le modèle a non seulement généré la géométrie globale du pavillon mais il a également permis de définir la forme des composants, en fonction de la taille des plaques existantes. Il fallait nous adapter aux tolérances d’assemblage et dimensionner les éléments en fonction des contraintes de charge. Nous avons établi les paramètres dimensionnels pour chaque plaque grâce à la combinaison de tests empiriques et de simulations numériques. Les prototypes physiques ont joué un rôle important dans le processus de conception, notamment des études grandeur nature pour tester la menuiserie et les détails de connexion. Des maquettes à grande échelle et des tests physiques de charge nous ont aidés à vérifier la séquence d’assemblage. Grâce à cela, nous sommes arrivés à la forme finale de la structure qui s’étend sur 6 mètres. Chaque élément est composé de deux couches de carreaux de céramique de 6 millimètres d’épaisseur, et trente d’entre eux sont percés de nervures pour faciliter l’emboîtement.

 

D’a : D’où provient la matière première de cette structure ?

Il s’agit de grands carreaux disponibles dans le commerce fabriqués par TheSize à Almazora (Castellón), en Espagne. Ils ont été découpés en composants pour le prototype à l’aide d’un jet d’eau CNC à 2,5 axes. En raison de la taille du lit du jet d’eau, les composants individuels percés d’une nervure structurelle ont été limités à une longueur maximale d’environ 1,8 mètre. L’une des innovations spécifiques de ce projet réside dans la séquence d’assemblage qu’il a fallu mettre au point. Les plaques sont donc entaillées de nervures et celles-ci forment un motif en spirale radiale allant du centre vers l’extérieur de la structure. Cette séquence d’assemblage permet à chaque nervure d’être emboîtée verticalement par le dessus, éliminant le besoin de connexions mécaniques entre elles et minimisant les contraintes de flexion sur les carreaux pendant la phase construction.

 

D’a : À partir de vos différentes expériences, quelles sont les évolutions possibles de la céramique, en termes de fabrication et de mise en œuvre ?

Dans l’avenir, l’usage de la céramique dans l’architecture ne se limitera pas à une simple plaque collée à un substrat rigide. Les céramiques à base d’argile sont l’un des systèmes les plus anciens de l’humanité. Elles ont toujours été remarquables pour leur solidité, leur densité, leur durabilité et leur capacité à prendre diverses finitions de surface. Prenez l’exemple des industriels : leurs capacités de production ont évolué pour offrir de l’impression numérique à jet d’encre, ce qui permet, à grande échelle, la personnalisation de carreaux au niveau de la finition de surface. Selon nous, la prochaine étape dans ce processus sera la personnalisation de la masse des éléments, au-delà de la finition de surface, vers de nouvelles formes tridimensionnelles. Les fabricants passeront du statut de « producteurs de masse » à celui d’« adaptateurs de masse ».

En parallèle des améliorations des techniques de production existantes que nous venons d’évoquer, les technologies additives de production (additive manufacturing technologies, dites AMT, NDLR) – communément appelées « impression 3D » – ouvrent de nouvelles pistes quant aux applications architecturales de la céramique. Ces technologies offrent la possibilité de sortir d’un processus de conception limité à des composants standard tous issus d’une même machine, d’une même matrice, avec des fixations identiques.

Bien que des défis techniques subsistent et que les coûts de l’impression 3D à cette échelle soient encore plus élevés que les méthodes industrielles établies – telles que l’extrusion –, ces technologies offrent des expressions matérielles entièrement nouvelles pour un matériau séculaire. Plusieurs de nos projets de recherche, comme l’installation au Cevisama 2017 intitulée « Ceramic Morphologies », ont exploré le potentiel expressif de l’impression 3D sur la céramique.

Globalement, les céramiques architecturales du futur seront des éléments plus polyvalents, qui vont améliorer leurs propriétés thermiques, environnementales, acoustiques et structurelles. Nous considérons les processus de fabrication numérique et les innovations en science des matériaux comme essentiels. Tous nos travaux se situent précisément à cette intersection.

 

 

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