L’exposition Exhibit Columbus dévoile de nouveaux matériaux composites de construction

Depuis l’apparition du modernisme, les architectes aspirent à trouver le matériau parfait qui unifierait structure et surface. Au XX^e siècle, on a privilégié les poutres d’acier et les fenêtres en verre, combinant ainsi les éléments structurels des bâtiments et ceux qui les recouvrent en un seul duo bien agencé. Aujourd’hui, les chercheurs universitaires se distancent de cette dichotomie. Que la quête du matériau unique permettant de créer le contenant et le contenu commence !

Dans ce domaine, deux chercheurs réalisent de grands progrès. Marshall Prado, professeur d’architecture à l’Université du Tennessee, aux États-Unis, mène des essais sur des matériaux composites de construction, en particulier un système de fibres ultrarésistantes obtenu à partir de carbone et de fibre de verre. Christopher Battaglia, lui, est membre de l’innovation de la conception à l’Université d’État de Ball, toujours aux États-Unis. Il met au point des parois imprimées en 3D issues de béton moulu qui présentent un potentiel similaire pour la fabrication de nouveaux matériaux.

Ces deux matériaux possèdent le poids nécessaire au soutien des éléments, et l’articulation dynamique pour la création de nouvelles formes. Les deux chercheurs universitaires sont les premiers à avoir obtenu une bourse de recherche universitaire en conception à Exhibit Columbus, un salon annuel qui se tient à Columbus, dans l’État nord-américain de l’Indiana, et qui rend hommage à la superbe collection d’architecture moderne du milieu du XX^e siècle de cette petite ville.

En août, Marshall Prado et Christopher Battaglia lèveront le voile sur le résultat de leurs recherches ainsi que sur des réalisations rendant hommage aux œuvres architecturales de Joseph Irwin Miller et Xenia Miller. Au cours du mandat de Joseph Irwin à la tête du fabricant de moteurs diesel centenaire Cummins, l’entreprise a soutenu financièrement les meilleurs architectes de l’époque (Eliel et Eero Saarinen, I. M. Pei, Harry Weese) dans la conception d’une myriade de bâtiments publics et privés. « Columbus et le Mouvement moderne ont toujours porté sur les avancées de la technologie, explique Anne Surak, directrice des expositions à Exhibit Columbus. »

La résistance du carbone et la transparence du verre

L’installation de Marshall Prado, la tour Filament, est une structure haute de neuf mètres construite en fibre de carbone et de verre, matériau réputé pour son rapport résistance/poids élevé. Pour construire les éléments de la tour, il a fallu pivoter une armature reconfigurable en acier sur une plateforme à deux axes, comme une rôtissoire, tandis qu’un bras robotisé enroulait les torons en fibre de carbone et en fibre de verre imprégnés de résine époxy de part et d’autre de la structure. En durcissant, la résine devient rigide, et lorsqu’on place la pièce dans un four de trempe, elle gagne alors en résistance. Une fois refroidie, on retire la forme en acier. Le résultat : un composite résistant à la fois à la traction et à la compression. En outre, on visse les sections verticales des 27 pièces de la tour sans difficulté. « Il ne reste que le matériau composite qui constitue la structure toute entière, explique Marshall Prado, c’est la structure toute entière. »

La tour de neuf mètres est une reproduction des flèches iconiques qui ornent les églises modernistes de Columbus, comme celle de l’église chrétienne du Nord d’Eero Saarinen. La tour Filament reproduit la forme hexagonale de l’église, sa géométrie pointue et mathématique en moins : la tour Filament est sinueuse et organique. La structure s’inspire également d’un biomimétisme, car elle évoque les fibres étroitement enroulées dans les matrices protéiques qui forment de nombreuses structures organiques. Par exemple, les arbres et les plantes sont composés de fibres de cellulose, les fibres de collagène sont un tissu conjonctif biologique courant et les carapaces d’insectes sont constituées de fibres de chitine.

En plus de ces éléments évocateurs, le plus étonnant est peut-être la transparence du matériau composite. « Votre image de structure est vraiment remise en question, car ces matériaux, tels que la fibre de verre, sont translucides », explique Marshall Prado qui a fabriqué sa tour à l’aide de PowerMill d’Autodesk.

Généralement, en architecture, « on dispose d’un système pour la structure, d’un système pour l’enceinte, et d’un système pour le chauffage, la ventilation et la climatisation. Alors qu’en biologie, généralement tout est intégré : votre structure est votre enceinte. C’est votre système de régulation thermique, qui fait tout en même temps », avance le chercheur.

Du fait de ses propriétés résistantes, légères et transparentes, le matériau qui a servi à façonner la tour Filament pourrait tout aussi bien convenir à des structures ou à des façades. En outre, sa modularité lui permet également de répondre aux besoins d’infrastructures mobiles et rapidement déployables. On pourrait donc assembler les structures élancées telles que les ponts comme on tisserait du tissu.

Même si ces applications sont nouvelles, la fibre de carbone existe depuis près d’un siècle, admet Marshall Prado. « Depuis que nous avons commencé à utiliser ces matériaux dans les années trente, le processus n’a pas vraiment changé. Les gens fabriquent des moules, y déposent les fibres et refont la même pièce encore et encore, procédé qui ne convient pas à l’architecture. On ne répète pas le même bâtiment. On ne moule pas tout un bâtiment. » Toutefois, ce procédé présente des façons novatrices de concevoir et de fabriquer des matériaux composites en architecture.

Le béton et l’avant-garde

Baptisée DE|stress et conçue en collaboration avec Martin Miller du bureau Antistatics Architecture de l’Université Cornell, l’installation de Christopher Battaglia transcende elle aussi les méthodes traditionnelles de fabrication de moules. Son pavillon est composé de 110 parois de béton incurvées, toutes uniques et fabriquées à partir d’un moule constitué du même matériau : le sable de moulage ou sable à vert. L’étape déterminante est la méthode de moulage qui permet de travailler les parois tandis qu’elles sont fraîches et brutes de décoffrage. (Le nom « sable à vert » vient du fait que le moule en sable n’est pas durci ; il est encore à l’état « vert » ou non séché.)

Tout d’abord, on mélange du sable de silice et de l’argile de bentonite avec de l’eau. L’eau et l’argile lient le sable et le rendent souple. Le sable est compacté, puis un robot CNC fraise la géométrie incurvée des parois. Ensuite, l’imprimante 3D dépose du béton à agrégats fins par couches dans le moule. C’est un procédé extrêmement efficace. (Le projet a été créé avec le soutien financier du promoteur Laticrete Concrete.)

« Le robot qui imprime le matériau crée aussi le moule pour ce dernier, explique Christopher Battaglia. La fabrication des moules n’engendre aucun gaspillage de matériaux. » On obtient alors des parois servant de châssis creux en forme de nœud-papillon qui s’encastrent par des forces de compression naturelles, formant ainsi un pavillon de dix mètres de long et de trois mètres de haut.

En versant la bonne quantité d’eau dans le mélange, le sable à vert peut rester rigide pendant des semaines. « En imprimant du béton en 3D dans ces moules précis, vous disposez des conditions de bord très précises, donc maintenant, même si l’intérieur est imprimé, vous obtenez la précision d’un bord coulé », avance le chercheur.

Le procédé de moulage au sable des parois en béton pour DE|stress. Avec l'aimable autorisation de Christopher Battaglia.

Paroi en béton utilisée pour la construction de DE|stress. Avec l'aimable autorisation de Christopher Battaglia.

L’installation DE|stress est composée de 110 parois. Avec l'aimable autorisation de Christopher Battaglia.

Avec DE|stress, Christopher Battaglia vise un secteur de construction précis. Et de commenter : « C’est une critique de l’industrie du béton préfabriqué. » Souvent, les parois en béton sont des supports mornes choisis pour leur robustesse, mais (surtout à plus grande échelle) rarement pour leur géométrie et leur forme. Tout en conservant la résistance du béton, la combinaison du moulage au sable à vert et de l’impression 3D offre une variation et une flexibilité beaucoup plus formelles, ce qui fait de ce matériau un croisement idéal entre les systèmes structurels et de façade. D’ailleurs, Christopher Battaglia envisage de l’utiliser à terme pour les systèmes de façade et l’ossature des toits.

Au cours des dernières décennies, Frank Gehry et d’autres architectes se sont déchaînés avec des formes de lambris de façade en acier magnifiquement tordus réalisés par Zahner et d’autres fabricants. On imagine alors facilement que le procédé de Christopher Battaglia ouvrira les mêmes portes au béton.

À Columbus, les expériences de Christopher Battaglia et de Marshall Prado indiquent toutes deux un avenir où une plus grande liberté formelle sera accordée aux matériaux, un avenir où ces horizons élargis seront utilisés pour exprimer à la fois la structure fonctionnelle et la surface esthétique. En combinant la structure et la surface, il est également possible d’envisager la fusion de leurs objectifs respectifs (fonction et esthétique), soit un autre rêve de longue date des pionniers modernistes à Columbus et dans le monde.