Campus Arlesheim
Un centre de compétence pour l'Industrie 4.0
Sur l'ancien site d'usine de Stamm Bau AG, le Schorenareal à Arlesheim, uptownBasel AG développe et réalise un campus moderne à proximité immédiate du centre économique de Bâle. L'objectif est d'établir sur le nouveau campus un site de premier plan pour l'industrie 4.0 en Suisse. Le gros œuvre du premier de plusieurs bâtiments est actuellement en voie de finalisation. Ce bâtiment tourné vers l'avenir sera mis à la disposition de locataires dont les processus de travail et de production sont automatisés et sera aussi flexible et modulaire que possible. Le rez-de-chaussée est largement libre de colonnes - les trois étages supérieurs sont soutenus à l'aide de poutres en treillis. Les parties des deux étages supérieurs qui dépassent de tous les côtés sont soutenues par des poutresextérieures. Sans l'utilisation de l'acier comme facteur clé de la conception de la structure porteuse, rien de tout cela ne serait possible dans sa forme actuelle.
Idée du campus et le premier bâtiment
UptownBasel AG développe et réalise actuellement un nouveau campus orienté vers l'avenir, spécialement pour l'industrie 4.0, sur l'ancien site de l'usine de Stamm Bau AG, le Schorenareal à Arlesheim (Fig. 1). Le premier bâtiment est en cours de finalisation et est appelé à devenir un centre d'excellence pour l'Industrie 4.0 (Fig. 2). Dans cette optique, la planification du nouveau bâtiment est axée sur une utilisation extrêmement flexible. Les zones de production doivent être largement libres de colonnes afin qu'elles puissent être personnalisées pour les locataires respectifs avec des processus de travail et de production automatisés.
L'utilisation de matériaux de construction durables est également un aspect important avec une priorité élevée - la durabilité est prise en compte par l'utilisation sélective de béton recyclé dans les composants en béton armé et l'utilisation ciblée de l'acier comme matériau de construction. Conformément à l'Industrie 4.0, le processus de planification sera également numérisé - cela sera mis en œuvre spécifiquement dans les calculs structurels et la création de tous les plans et documents de planification nécessaires.
Campus pour l'Industrie 4.0 (Fig. 1)
Centre de compétence pour l'Industrie 4.0 (Fig. 2)
Le concept structurel et la construction du bâtiment
Le bâtiment a une longueur d'environ 100 mètres, une largeur d'environ 60 mètres et une hauteur d'environ 24 mètres. Il se compose d'un sous-sol avec un parking, d'un rez-de-chaussée non soutenu en surélévation et de trois étages supérieurs (Fig. 3). Les deux étages supérieurs débordent sur les quatre côtés du bâtiment. Le rez-de-chaussée est destiné à une zone de production industrielle, au-dessus de laquelle se trouve un étage technique. Les deux étages supérieurs accueilleront des bureaux.
Afin de garantir le dégagement des colonnes dans le rez-de-chaussée surélevé, tout l'étage supérieur est conçu comme un niveau d'interception avec des poutres en treillis à hauteur d'étage. Les poutres en treillis sont orientées dans le sens longitudinal du bâtiment (en orange sur la figure 3) et transfèrent les charges de la dalle du sol (en jaune sur la figure 3), qui est construite avec des dalles en Pi précontraintes avec des ajouts de béton in situ, et des étages supérieurs, directement ou via des structures en treillis supplémentaires orientées dans le sens transversal du bâtiment, vers les noyaux en béton armé et une série de piliers préfabriqués au rez-de-chaussée. De cette manière, il est possible de créer une pièce libre de tout support au rez-de-chaussée. Afin de répondre aux exigences en matière de protection structurelle contre l'incendie, la structure en acier du niveau d'interception est soit protégée par des cloisons sèches, soit recouverte d'un enduit pulvérisé de protection contre l'incendie. Les équipements techniques du bâtiment sont disposés dans l'étage qui sert de niveau d'interception. Les conduites de service du bâtiment peuvent passer entre les supports et les diagonales des poutres. La structure porteuse est conçue pour absorber les charges d'une mezzanine supplémentaire située en dessous et suspendue à la structure en acier - celle-ci peut être réalisée dans le cadre d'une extension ultérieure du bâtiment et est déjà en cours de construction.
Dans les deux étages de bureaux supérieurs, une grille de piliers allant jusqu'à 7,50 m avec des plafonds en béton armé est utilisée, dont certains sont conçus comme des dalles à âme creuse pour réduire le poids. Il n'y a pas d'autres structures porteuses aux étages de bureaux. Les zones en surplomb des dalles de sol sont soutenues par des structures en treillis longeant le niveau de la façade (marquées en vert sur la figure 3). Les points de base des colonnes inclinées et leur transfert de charge respectif sont situés soit directement sur les noyaux en béton armé des côtés courts du bâtiment, soit sur les côtés longitudinaux du bâtiment, sur les poutres de l'étage interceptant à proximité immédiate de leurs supports. Les structures en acier ne sont généralement utilisées que pour transférer les charges verticales du bâtiment. Les poutres en acier sont décrites en détail dans les sections 4 et 5 et leurs particularités sont présentées. Au total, environ 1200 tonnes d'acier de construction sont utilisées pour l'ensemble des structures en acier.
Le bâtiment est contreventé pour les charges sismiques par les plafonds sous forme de dalles horizontales et par les six noyaux en béton armé qui traversent tous les étages. Les fondations sont peu profondes, avec une dalle de sol en béton armé à assise élastique et des piliers individuels dans la zone de concentration des charges.
Coupe transversale du centre de compétence 4.0 (Fig. 3)
Planification numérique au sense de l'Industrie 4.0
Lors de la planification, il convient d'assurer un niveau élevé de cohérence avec les outils numériques utilisés. Dans cette optique, un modèle global est utilisé dans le logiciel Revit (Fig. 4).
Le modèle sert de base à la planification du projet et à l'appel d'offres, ainsi qu'à l'ensemble de la planification du coffrage et de l'armature et aux plans d'ensemble de la construction métallique pour le projet. Tous les plans sont générés à partir du modèle de bâtiment. Grâce aux informations spécifiques sur les composants dans le cadre de la planification BIM, les informations sur les quantités et les coûts ainsi que les listes de composants sont également dérivées du modèle. En outre, le modèle Revit sert de base au calcul statique informatisé de la structure en acier et en béton armé. Le modèle peut être utilisé pour générer des modèles statiques dans les logiciels SOFiSTiK et RStab. La conception d'éléments structurels tels que les planchers en béton armé, les murs et les poutres en acier internes et externes est principalement réalisée à l'aide de sous-modèles, appelés sous-systèmes. Pour calculer le comportement du bâtiment sous charge sismique et vérifier la plausibilité du flux de charge dans les nombreuses zones d'interception et l'interaction entre la structure en béton armé et les poutres de façade, un modèle global est généré à partir du modèle Revit dans SOFiSTiK et y est calculé (Fig. 5).
Modèle global dans le logiciel Revit (Fig. 4)
Modèle globale dans le logiciel SOFiSTiK (Fig. 5)
Surplomb des étages par des poutres de façade extérieures
Pour transférer les charges verticales des zones de plafond en surplomb sur les quatre côtés du bâtiment, les constructions en treillis s'étendant sur la hauteur des deux étages supérieurs au niveau de la façade sont utilisées (soulignées dans le modèle Revit dans la Fig. 6, montrées comme modèle partiel statique dans RStab dans la Fig. 7). Les charges de plafond sont transférées via les poutres de façade aux colonnes inclinées disposées sur les côtés longitudinaux et transversaux. Celles-ci reposent directement sur les murs des noyaux en béton armé sur les côtés transversaux et sur les poutres intérieures du plancher technique sur les côtés longitudinaux. C'est là que s'effectue le transfert des charges des poutres de la façade. Les charges de plafond sont transférées aux poutres extérieures des trois étages concernés par l'intermédiaire de supports en acier insérés dans les plafonds en béton armé. Au centre des trois étages, les charges de plafond sont transmises aux diagonales des poutres par l'intermédiaire des consoles, ce qui signifie que les diagonales ne sont pas seulement sollicitées par les forces normales résultant de l'effet de la poutrelle, mais aussi par la flexion. À proprement parler, les poutres de façade ne sont donc plus un système de poutres pures, mais l'effet de poutres domine nettement par rapport au comportement de charge en flexion.
L'une des particularités de la construction des poutres de façade est qu'elle est située à l'extérieur de l'enveloppe isolée du bâtiment et qu'elle est donc exposée aux fluctuations de température climatiques. La structure en acier est conçue pour pouvoir absorber des fluctuations de température allant jusqu'à +/- 30°C en théorie. Il en résulte des forces normales d'environ 4 MN avec des signes alternatifs dans les membrures supérieures et inférieures. Les consoles de support en bordure de dalle sont donc conçues non seulement pour transférer les charges verticales des dalles en béton armé, mais aussi pour transférer les forces horizontales contraignantes des différences de température dans les dalles en béton armé - dans les consoles sous forme d'efforts de résistance horizontaux. En plus des forces de résistance au cisaillement, des forces normales élevées dues aux différences de température se produisent dans les consoles des angles du bâtiment disposés à 45°. Les forces nominales sont retenues dans les dalles de sol par l'armature reliée aux consoles.
Les membrures supérieures et inférieures des poutres de façade sont généralement constituées de profilés tubulaires carrés laminés à chaud de 400 x 400 x 20. Des épaisseurs de paroi plus importantes sont nécessaires dans les zones de nœuds (jusqu'à 30 mm) afin de pouvoir absorber la contrainte des nœuds. Les profilés creux standard ne sont plus disponibles avec ces épaisseurs de tôle en standard. C'est la raison pour laquelle, ainsi que pour pouvoir produire la géométrie complexe des nœuds, on utilise ici des profils creux soudés à partir de tôles individuelles. Les raccords aux profilés creux laminés adjacents sont partiellement soudés ou généralement boulonnés. Les vis sont en partie externes et en partie dissimulées dans le caisson creux. Le montage a lieu sur le site d'installation ; après le boulonnage de la poutre-caisson, celle-ci est fermée hermétiquement à l'aide de couvercles soudés. Les diagonales sont conçues comme des profilés en H. Leurs raccordements aux poutres supérieures et inférieures se font par l'intermédiaire d'une vis. Leurs connexions aux membrures supérieures et inférieures sont réalisées à l'aide d'embouts soudés à la zone des nœuds, la diagonale proprement dite étant ensuite connectée à l'aide d'un joint de plaque d'extrémité boulonné.
En raison de la géométrie particulière, un modèle d'éléments finis avec des éléments de coque dans le logiciel SOFiSTiK est utilisé pour évaluer le comportement porteur du nœud supérieur entre les colonnes inclinées, la membrure supérieure et les diagonales suivantes du poutre (Fig. 8). À ces nœuds, le calcul à l'aide d'un modèle de poutre pur complété par des calculs manuels n'est pas considéré comme suffisamment significatif, c'est pourquoi le modèle d'éléments finis est utilisé.
Le calcul du modèle d'éléments finis est géométriquement et matériellement non linéaire, compte tenu des possibilités de redistribution plastique dans le matériau. L'évaluation est donc basée sur les déformations, et la structure est conçue de manière à ce que les déformations causées par la redistribution soient bien inférieures aux valeurs limites. En transférant les charges verticales de la membrure supérieure du poutre via le gousset dans le poteau incliné, des forces de déflexion horizontales sont générées au niveau de la tête du poteau. Celles-ci sont renvoyées dans le plafond en béton armé par l'intermédiaire de la console de plafond et de l'armature connectée à son extrémité.
La figure 9 donne une idée de la conception et de l'assemblage de la structure en acier des poutrelles de la façade. Les différentes parties de la structure en acier sont assemblées et boulonnées directement sur le site d'installation.
Niveau de façade dans la modèle Revit(Fig. 6)
Modèle partial structurel dans RStab (Fig. 7)
Finite-Element-Model avec des éléments de coque dans le logiciel SOFiSTiK (Fig. 8)
Conception et montage de la structure métallique des poutres de la façade (Fig 9)
Dégagement des piliers dû aux poutres en treillis à grande portée
L'étage au-dessus du rez-de-chaussée en surélévation sert de niveau d'interception pour s'assurer que le rez-de-chaussée est exempt de supports. À ce niveau, des poutres à hauteur d'étage sont disposées dans le sens longitudinal du bâtiment et des contreventements dans le sens transversal (mis en évidence dans le modèle Revit de la Fig. 10, illustré dans l'état d'exécution de la Fig. 11).
Les membrures supérieures et inférieures des structures de poutre sont chacune encastrées dans le plafond en béton armé au-dessus et au-dessous du plancher d'interception dans des poutres. Les forces de traction dans les membrures inférieures sont uniquement absorbées par les profils en acier. Les membrures supérieures sont conçues comme des piliers composites horizontaux, et la traverse en béton in-situ qui les entoure est également utilisée pour absorber les forces de compression. Pour transférer les forces de compression des zones de compression des membrures en acier vers les poutres en béton armé, des goujons de cisaillement sont disposés aux points de transfert des forces (nœuds des membrures supérieures du poutre avec des sauts de force normaux). Cela permet d'activer localement la liaison entre la poutre en acier et la section transversale en béton armé afin d'optimiser les sections transversales en acier et de transférer une partie des forces de compression par l'intermédiaire de la structure en béton armé. L'analyse structurelle des poutrelles internes est réalisée dans le logiciel SOFiSTiK en utilisant la liaison entre les éléments en acier et le plancher en béton armé (Fig. 12). Dans le modèle structurel, tous les états précontraints et non précontraints avec et sans liaison avec la structure en béton armé pendant la période de construction sont également modélisés et pris en considération.
Les poutres intérieures supportent les charges des piliers des étages de bureaux situés au-dessus. Celles-ci reposent sur les nœuds des poutres supérieures. Les supports inclinés des poutres de façade sont situés à proximité des supports des poutres intérieures, ce qui signifie que les charges de ces dernières ne sont pas absorbées par les poutres mais sont transférées directement dans la structure en béton armé ou dans les poutres transversales. Afin de pouvoir réaliser des voies d'accès comme des passages à travers les poutres intérieures au niveau technique, qui sert de niveau d'interception, la travée centrale des poutres en treillis est conçue comme un cadre Vierendeel sans diagonales. Cela signifie qu'en plus des forces normales typiques d'un poutre, le poutre reçoit également des charges de flexion à cet endroit, qui doivent être absorbées par les cadres. Les poutres intérieures sont constituées de profilés en H et sont soudées les unes aux autres à proximité immédiate, puis levées d'un seul tenant jusqu'à leur lieu d'installation et installées à cet endroit.
Les poutres intérieures sont supportées soit directement par des noyaux en béton armé sur des poutrelles en acier, soit indirectement par des poutrelles transversales. Les poutres sont également soutenues par des inserts en acier. Les inserts en acier sont hauts de chaque étage et sont installés en tant qu'éléments entièrement renforcés. Pour transférer les forces portantes élevées (jusqu'à environ 9 MN) au centre de la structure en béton armé, des côtés de centrage sont soudés sur les inserts en acier.
Les structures de contreventement forment la liaison entre les noyaux en béton armé ou reposent sur des piliers préfabriqués au rez-de-chaussée et leur transmettent les charges des poutres. Dans certains cas, le contreventement est intégré dans les murs en béton armé, les piliers inclinés dans les murs étant également conçus comme des colonnes composites.
Cadres dans la direction longitudinale du bâtiment et structures de dynamitage dans la direction transversale (Fig. 10)
État d'avancement de la construction (Fig. 11)
Calculs structurels des poutres à l'aide du logiciel SOFiSTiK (Fig. 12)
L'état d'avanvement de la construction et perspective
Actuellement, la construction du gros œuvre du bâtiment est presque terminée. Tous les plafonds en béton armé jusqu'au toit ont été mis en place, l'assemblage de la construction métallique des poutres intérieures et extérieures est terminé (Fig. 13). La structure porteuse est complètement activée puisque les infiltrations temporaires ont toutes été enlevées. Actuellement, l'assemblage de la façade est en cours, simultanément un niveau intermédiaire suspendu aux poutres intérieures est déjà en cours d'installation dans la construction métallique avec un plafond en tôle composite.
La remise du bâtiment entièrement fonctionnel est prévue pour la fin de l'année 2021. Le deuxième bâtiment devrait être terminé à la fin de l'année 2022, les premiers travaux sur ce bâtiment sont en cours.
Assemblage de la construction en acier des poutres intérieures et extérieures (Fig. 13)