Pavillon urbain

Le Pavillon urbain de Gand est une structure de toiture en acier à ciel ouvert, avec une portée de 16 par 40 mètres sur quatre colonnes en béton, dont la géométrie trapézoïdale et vrillée a été fixée par les architectes (Robbrecht en Daem et Marie-José Van Hee) d’après les bâtiments historiques environnants, avant même l’intervention du bureau d’études. Les ingénieurs ont utilisé Diamonds pour concevoir un système de contreventement au vent à base de poutres Vierendeel dissimulées, qui permet de garder toutes les fermes et sections identiques pour faciliter la construction, et pour dimensionner les quatre colonnes d’angle qui abritent aussi des équipements techniques.

Le projet

« Chaque projet a sa propre personnalité. Pour le nouveau Pavillon urbain de Gand (un chef-d’œuvre architectural conçu par l’association Robbrecht en Daem et Marie-José Van Hee), les architectes avaient déjà arrêté la forme et les dimensions générales du pavillon au moment où nous sommes intervenus. Ce bâtiment se trouvant sur la place entre l’église Saint-Nicolas, le Beffroi et l’Hôtel de Ville de Gand, ces choix avaient été faits sur la base de références historiques. La longueur et la hauteur du nouveau pavillon urbain correspondent à celles des bâtiments historiques environnants, tandis que ses pignons reproduisent la façade à double pente du Palais de justice « Gedele » voisin. Dans ces contraintes environnementales et historiques, nous avons travaillé en étroite collaboration avec les architectes pour réaliser une conception structurelle qui donne voix à leur langage visuel. »

Le nouveau pavillon urbain de Gand

Une structure complexe qui respire la simplicité

« La structure de toiture en acier du Pavillon urbain repose sur quatre colonnes en béton offrant une hauteur libre de passage de 5,5 mètres », explique l’ir. arch. Hanne Van Beurden. « Le pavillon est une structure ouverte avec un plan rectangulaire de 16 par 40 mètres. Les parois verticales et les pans inclinés de sa toiture sont recouverts sur toutes les faces de planches en bois dur, perforées par des centaines de puits de lumière et recouvertes à l’extérieur de plaques de verre.

Bien que l’ensemble respire la simplicité, la structure de toiture est plutôt complexe. Pour commencer, le plan rectangulaire se compose de deux nefs trapézoïdales adjacentes. Cela s’explique par les deux triangles isocèles des pignons du pavillon. Comme ceux-ci ont des dimensions inégales et sont mis en miroir diagonalement par rapport au centre de gravité du plan, la noue divise le plan en deux parties trapézoïdales. De plus, les deux faîtages descendent en oblique depuis le petit triangle à une extrémité du pavillon vers le grand triangle à l’autre extrémité, se croisant lorsqu’on les regarde de profil.

Donner la priorité à la constructibilité plutôt qu’à l’efficacité structurelle

Il en résulte que les fermes de toiture sont toutes légèrement différentes les unes des autres. Nous avons néanmoins veillé à positionner toutes les fermes au même entraxe et à utiliser des sections identiques partout. D’un point de vue structurel, il aurait été plus simple de rapprocher les fermes et d’utiliser des sections plus grandes vers les appuis pour reprendre les efforts tranchants importants. En concertation avec les architectes, nous avons toutefois fait de la simplification de l’exécution du chantier une priorité absolue. En gardant une distance constante entre toutes les fermes, il est par exemple devenu beaucoup plus simple de réaliser un motif régulier de puits de lumière sur la toiture. De plus, en utilisant les mêmes sections pour toutes les fermes, nous avons pu obtenir la même hauteur entre plancher et toiture sur l’ensemble du bâtiment, ce qui a permis de finir proprement la face intérieure de la toiture du pavillon avec un habillage en bois.

Le contreventement au vent par poutres Vierendeel

Le nouveau pavillon urbain peut être considéré comme une structure en coque pliée, quoique discrète, reposant sur ses quatre coins. Dans le sens longitudinal, les surfaces verticales et inclinées de la toiture ont été conçues comme des fermes d’une portée totale de 40 mètres, tandis que les deux pignons ont été conçus comme des arcs à trois articulations. La principale difficulté dans tout cela était d’assurer une résistance suffisante aux charges de vent. Tel que décrit jusqu’ici, le pavillon n’est rien de plus qu’un château de cartes, avec peu ou pas de résistance de ce type. Avec les architectes, nous avons exploré différentes façons de résoudre ce problème de la manière la plus invisible possible. Nous avons finalement opté pour une solution basée sur une série de poutres Vierendeel horizontales.

Nous avons conçu ces poutres Vierendeel à partir de profilés creux en acier, et les avons positionnées à 3 hauteurs différentes contre les parois verticales de la toiture, de chaque côté du pavillon. Toutes les poutres Vierendeel s’intègrent discrètement dans la conception de la toiture. Par exemple, la hauteur des profilés creux ne dépasse pas 30 cm. De plus, un habillage en bois recouvre les poutres Vierendeel situées côté intérieur du toit, tandis que les autres poutres Vierendeel sont peintes en noir.

Les poutres Vierendeel aident la structure de toiture à résister aux charges de vent. Comme elles se raccordent aux membrures supérieures et inférieures des fermes dans les parois verticales de la toiture, ces poutres Vierendeel empêchent également le déversement latéral des membrures comprimées des fermes longitudinales.

Une philosophie de calcul : intégrer dans le modèle le comportement voulu

Toutes les fermes ont été calculées avec des assemblages parfaitement articulés. En réalité, ces assemblages présentent une certaine rigidité limitée. Nous n’en avons pas tenu compte, car on ne peut jamais être certain qu’elle sera effectivement présente dans la pratique. Les poutres Vierendeel sont donc les seuls éléments du modèle de calcul structurel à assurer la résistance aux charges de vent.

Cette façon de travailler est typique de la manière dont nous construisons nos modèles de calcul structurel. Nous les construisons pour refléter la façon dont nous voulons que la structure fonctionne, sans compter sur d’éventuels effets favorables. Nous plions pour ainsi dire la conception structurelle à notre volonté, pour être certains qu’elle fonctionnera comme prévu. Notre logiciel de calcul Diamonds s’intègre très bien à cette approche. C’est un logiciel très intuitif qui permet de construire facilement des modèles de calcul structurel donnant des résultats rapidement.

Concevoir les quatre colonnes d’angle

Les 4 colonnes en béton aux angles du Pavillon urbain ont été modélisées comme 4 appuis rigides dans le modèle de calcul Diamonds de la structure de toiture en acier. Les colonnes, hautes de 5,5 mètres, sont assez robustes et intègrent toutes des équipements techniques. Par exemple, l’une des colonnes abrite un ascenseur, tandis qu’une autre intègre le système de ventilation du Grand Café situé en dessous. Nous avons utilisé Diamonds pour concevoir les colonnes en béton et calculer les quantités d’armatures, afin de résister aux charges verticales et horizontales transmises par la structure de toiture et de limiter les déformations horizontales en tête de colonne.

Comme notre logiciel de calcul Diamonds est très intuitif à utiliser, il est facile d’obtenir rapidement des résultats et de les exploiter activement lors de nos discussions avec les architectes. Cela nous aide à réaliser des conceptions structurelles qui donnent voix au langage visuel des architectes.