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Structures en béton avec filigrane textile

Parmi les tendances dans le secteur de la construction, on observe un besoin croissant de matériaux de haute qualité avec une résistance élevée à la traction et à la

compression. De ce point de vue, le béton armé en textile (BAT) constitue une innovation de choix pour l’architecte.

Grâce à la combinaison de béton haute performance et d’une armature résistante à la corrosion qui présente également une résistance élevée à la traction, on peut travailler avec

des structures de béton plus minces (1)(2). Des projets récents prouvent tout le potentiel de cette solution.

Le béton armé en textile (BAT) présente en tout cas un avantage majeur. Étant donné que cette armature ne rouille pas, une couche de recouvrement de béton beaucoup plus mince suffit pour les constructions ordinaires avec arma-tures en acier.

Le filigrane textile ne se prête pas à toutes les formes, les structures

complexes, comme les éléments TT, exigent des armatures préformées. Il faut donc utiliser du textile imprégné, la version non imprégnée n’étant pas suffisamment rigide. On peut le voir dans la coupe du pont en BAT (page 35). En imprégnant le textile avec une résine époxy ou du styrène-butadiène, par exemple, on peut réaliser des structures d’armatures (structures « prepreg ») à

stabilité inhérente et maniables. Un autre avantage important de ce type de structure est la meilleure adhérence des tresses internes, et donc une résistance à la traction double à triple en compa-raison avec le textile non imprégné (3). Enfin, la résine utilisée améliore aussi la durabilité de l’armature, ce qui est particulièrement important pour une armature à la fibre de verre (4).

MatériauxLes matériaux peuvent être très divers. L’armature textile principalement utilisée pour les applications BAT est le verre alcali-résistant (verre AR) ou le carbone. Le matériau de base est constitué de fibres ultrafines d’un diamètre de 14 μm pour le verre AR et env. 7 μm pour le carbone. Un fais-ceau de centaines, voire de dizaines de milliers de ces fibres, forme ensemble une « tresse », qui sera à son tour mise en œuvre en nappes plates renforcées au textile.

DOSSIERINNOVATIE | INNOVATION

Gevelpanelen van het Community College in Leiden (Nederland)

Panneaux de façade du Community College de Leyde (Pays-Bas)

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Betonstructuren met filigraantextielOnder de trends in de bouwsector zien we een toenemende behoe�e aan hoogwaardige materialen met een hoge trek- en druksterkte. Een innovatie die de ontwerper op dat vlak tegemoet komt, is met textiel gewapend beton (TGB). Dankzij de combinatie van hoge sterkte beton met een corrosiebestendige wapening die ook nog eens een grote treksterkte hee�, kan men namelijk met dunnere betonstructuren werken(1)(2). Recente projecten bewijzen alvast het potentieel van deze oplossing.

Met textiel gewapend beton (TGB) hee� alvast één groot voordeel. Aangezien deze wapening niet roest, volstaat een veel dunnere betonnen bovenlaag dan bij gewone, met staal gewapende con-structies.

Textiel is evenwel niet voor elke toe-passing vormvast genoeg. Voor com-plexe structuren zoals TT-elementen zijn daarom voorgevormde wapenings-structuren nodig. Daarom moet men geïmpregneerd textiel gebruiken, omdat

de niet-geïmpregneerde versie niet vorm-vast genoeg is. Dat is te zien op de door-snede van de TGB-brug (pagina 35). Door het textiel met bijvoorbeeld epoxyhars of styreen-butadieen te impregner en, kunnen er inherent stabiele en handel-bare wapeningsstructuren (‘prepreg’- structuren) worden vervaardigd. Een ander belangrijk voordeel van der-gelijke structuren is de verbeterde hechting van de inwendige strengen, wat resulteert in een twee tot drie keer grotere trekspanning in vergelijking met niet-geïmpregneerd textiel (3). En tot slot verbetert het gebruikte hars ook de duurzaamheid van de wapening, wat dan weer bijzonder belangrijk is bij glasvezelwapening (4).

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MaterialenDe materialen kunnen uiteenlopen. Qua textielwapening wordt vandaag vooral alkaliresistent glas (AR-glas) of kool-stof gebruikt voor TGB-toepassingen. Daarbij bestaat het basismateriaal uit haardunne vezels met een diameter van 14 μm voor AR-glas en ca. 7 μm voor koolstof. Een bundel van honderden tot zelfs tienduizenden van deze vezels vormen samen een ‘streng’, die op haar beurt verwerkt zal worden tot platte, met textiel versterkte netten.

Door de kleine openingen in de met tex-tiel versterkte netten kan men echter geen ‘gewoon beton’ (standaardkorrel-grootte) gieten. Daarom ontwikkelde het Instituut voor Bouwmateriaal-onderzoek van de universiteit RWTH Aken (ibac) een recept voor beton met een maximale korrelgrootte van 0,6 mm (5). Tijdens de realisatie van de TGB-gevelprojecten vroegen de indus-triële partners om een grotere diameter, kwestie van de verwerkbaarheid te ver-groten en tegelijk de cementhoeveelheid te verminderen. Intussen is gebleken dat

betonmengsels met een maximale korrel-grootte tussen 2 mm en 8 mm de meest praktische eigenschappen opleveren. Als de gevel met zuur gewassen, gepolijst of gespoten moet worden, is een mini-male korrelgrootte van 5 mm aanbevolen. De openingen van de met textiel ver-sterkte netten moesten dan ook worden aangepast.

Het gebruikte beton zorgt voor een grote druksterkte (tot 100 N/mm²), waar-door het geclassificeerd kan worden als hogesterktebeton volgens Eurocode 2.(6)

Par contre, les petites ouvertures dans les nattes renforcées au textile ne permettent pas de couler du « béton ordinaire » (granulométrie standard). Voilà pourquoi l’Institut de Recherche sur les Matériaux de Construction de l’uni versité RWTH d’Aix-la-Chapelle (ibac) a mis au point un mélange de béton avec une granulomé-trie maximale de 0,6 mm (5). Pendant la réalisation des projets de façade en BAT, les partenaires industriels ont demandé un diamètre plus grand afin d’amé-liorer la facilité de mise en œuvre et de réduire en même temps la quantité de ciment. Entretemps, il est apparu que les mélanges de béton avec une granulo-métrie maximale entre 2 et 8 mm donnent les résultats les plus pratiques. Si la façade doit être lavée à l’acide, polie ou traitée au pistolet, une granulométrie minimale de 5 mm est recommandée. Les mailles des nappes armées au textile devaient donc être adaptées.

Le béton utilisé présente une grande résistance à la compression (jusqu’à 100 N/mm²), ce qui permet de le classer comme béton hautes performances selon Eurocode 2 (6). Et comme les éléments en BAT sont souvent conçus comme des structures qui restent appa-rentes, une résistance élevée à la flexion (jusqu’à 11 N/mm²) constitue également une exigence importante.

ApplicationsLa mise au point de l’armature textile offre une nouvelle manière de construire avec des éléments armés résistants à la corrosion. Par conséquent, la couche de béton peut devenir considérable-ment plus mince. Il suffit de quelques millimètres pour assurer une bonne adhérence entre le béton et l’arma-ture textile. Il devient ainsi possible de réaliser des éléments de construction ultraminces avec un faible poids et une

apparence très élancée. En outre, grâce à l’emploi de béton avec une granulo-métrie maximale de 8 millimètres, il est possible de réaliser aussi des éléments avec des arêtes franches et des surfaces de haute qualité architecturale.

Le béton armé au textile est donc souvent utilisé comme matériau de construction pour des structures de façade avec une couche de recouvre-ment de béton d’env. 10 à 15 mm, tandis que les éléments de façade mince réalisés en BAT d’une super-ficie de 2 m² et d’une épaisseur de 20 mm sont employés pour les façades ventilées. Grâce à son faible poids — qui permet également des économies grâce au moindre coût du transport et de l’installation — et à ses possibilités architectoniques, ce matériau a déjà été employé pour de nombreuses appli-cations.

Een textielnet van AR-glas (links) en koolstof (rechts) ©solidian. De netten bestaan uit bundels die op hun beurt tienduizenden vezels bevatten.

Une nappe textile composée de verre AR (gauche) et de carbone (droite) ©Solidian. Les nappes sont constituées de tresses qui contiennent à leur tour des dizaines de milliers de fibres.

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LeydeL’un des premiers projets dans ce domaine était la façade de 10 000 m² pour le Community College de Leyde (Pays-Bas). Les éléments présentent une superficie de 1,14 m² (1,78 m x 0,64 m) et font 30 mm d’épaisseur.

D’une part, le format des panneaux a joué un rôle important pour le calcul et la conception du panneau. D’autre part, il fallait tenir compte aussi de la loca-lisation proche de la mer du Nord et de la hauteur du bâtiment (env. 50 m). Le panneau de 30 millimètres d’épais-seur devait donc résister à une pression de vent particulièrement élevée de wk = 3,0 kN/m². Pour assurer ces valeurs, on a employé un textile carbone effi-cace, imprégné de résine époxy. Un test d’adhérence sous contrainte de traction a montré que la résistance à la trac-tion atteignait en effet 2 267 N/mm².

TGB-brug in Albstadt Pont en BAT à Albstadt©

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Doorsnede van de TGB-brug met voorgevormd textiel

Coupe d'un pont en BAT avec textile pré-formé

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En aangezien TGB-elementen vaak ont-worpen worden als in het zicht blij-vende betonstructuren, geldt een hoge buigtreksterkte (tot 11 N/mm²) ook als een belangrijke eigenschap.

ToepassingenDe ontwikkeling van het textielwape-ning biedt een nieuwe manier om te bouwen met corrosievrije, gewapende elementen. Bijgevolg kan de beton-laag aanzienlijk dunner worden. Enkele millimeters volstaan om een goede hechting tussen het beton en de tex-tielwapening te verzekeren. Daardoor wordt het mogelijk om ultradunne con-structie-elementen te vervaardigen met een laag gewicht en een zeer slanke uitstraling. Verder kunnen er door het gebruik van beton met een maximale korrelgrootte van 8 millimeter ook ele-menten met scherpe randen en archi-tecturaal hoogwaardige oppervlakken worden gerealiseerd.

Met textiel gewapend beton wordt dan ook vaak benut als bouwmateriaal voor gevelstructuren met een betonnen bovenlaag van ca. 10 tot 15 mm, terwijl smalle gevelelementen gemaakt van TGB met een oppervlakte van 2 m² en een dikte van 20 mm gebruikt worden voor geventileerde gevels. Door dit lage gewicht – dat ook besparingen oplevert dankzij het goedkopere transport en installatiewerk – en de architectonische mogelijkheden is dit materiaal intussen al gebruikt voor tal van toepassingen.

LeidenEen van de eerste projecten op dit vlak was de gevel van 10.000 m² voor het Community College in Leiden

(Nederland). De elementen hebben een oppervlakte van 1,14 m² (1,78 m x 0,64 m) en zijn 30 mm dik.

Enerzijds speelde het formaat van de panelen een belangrijke rol voor de bere-kening en het ontwerp van het paneel. Anderzijds moest men ook rekening houden met de ligging nabij de Noordzee en de hoogte van het gebouw (ca. 50 m). Het 30 millimeter dikke paneel moest dan ook bestand zijn tegen een bijzonder hoge winddruk van wk = 3,0 kN/m². Om daarvoor te zorgen, gebruikte men een efficiënt koolsto�extiel dat was geïmpregneerd met epoxyhars. Tijdens een verbindingstest onder trek-belasting bleek de trekspanning inder-daad tot 2.267 N/mm² te gaan. Een ander belangrijk detail waren de beves-tigingselementen van het paneel.

Kleine gevelelementen hebben namelijk veel verankeringspunten per vierkante meter nodig, maar daardoor loopt de

Textiel gewapend beton is een innovatie die de ontwerper tegemoet komt.

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kostprijs natuurlijk wel op. Bovendien vertonen zulke elementen veel onder-brekingen, tot ongenoegen van de architecten.

Daarom koos men er bij het ‘SchieferEr-lebnis’-gebouw in Dormettingen voor om met een groter gevelelement te werken. Hoewel het paneel hier 1,5 m x 4,1 m (= 6,15 m²) meet, kon de dikte toch beperkt worden tot 50 mm. Zelfs het typische beton-netwerk aan de ach-terkant bleek daarbij overbodig. Met name bij het productieproces maken deze panelen dan ook besparingen mogelijk, zowel wat de tijd als de kosten betre�. Voor de gevel in Dormettingen werd overigens een hoogwaardig kool-sto�extiel gebruikt met een trekspan-ning tot 3.099 N/mm². Men gebruikte een normaal verankeringssysteem, dat werd aangepast aan dunne betonplaten.

Autre détail important : les éléments de fixation du panneau.

Les petits éléments de façade ont besoin en effet de beaucoup de points d’an-crage par mètre carré, ce qui augmente bien entendu leur coût. En outre, ces éléments présentent de nombreuses ruptures, au déplaisir des architectes.

Voilà pourquoi on a opté pour l’utilisa-tion d’éléments de façade plus grands pour le bâtiment « SchieferErlebnis » à Dormettingen. Bien que le panneau mesure ici 1,5 m x 4,1 m (= 6,15 m²), il a été possible de limiter son épaisseur à 50 mm. Même le réseau typique en béton à l’arrière s’est révélé superflu.

Gevel van het SchieferErlebnis in Dormettingen

Façade du SchieferErlebnis à Dormettingen

De met textiel gewapende gevel van de St.-Leonhard school in Aken

La façade armée au textile de l’école St.-Leonhard à Aix-la-Chapelle

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Le béton armé en textile constitue une innovation de choix pour l’architecte.

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Afgezien van voorgaande voorbeelden is TGB ook geschikt als versteviging, bijvoorbeeld van betonnen buiten-schilstructuren (7). Nog een ander toe-passingsdomein houdt verband met de impact van chloriden op construc-ties, bijvoorbeeld door het gebruik van strooizout. Denk maar aan bruggen of maritieme constructies. Een actueel voorbeeld hiervan is de uit TGB vervaar-digde voetgangersbrug in het Duitse Albstadt. Deze brug van 97 m is onder-verdeeld in zes delen van maximaal 17,20 m lang. Doordat de bovenbouw uit TGB vervaardigd is, was hier een bui-tengewone slankheidsratio van H:L = 1:35 (hoogte ten opzichte van lengte) mogelijk.(8)

Nieuwe mogelijkhedenHet vernieuwende composietmateriaal TGB (met textiel gewapend beton) zorgt voor nieuwe mogelijkheden. Doordat de wapening niet corrosief is, blij� de betonnen bovenlaag minimaal. Dat maakt architectonisch nog uitdagender betonconstructies mogelijk, met een ongekende slankheid en elegantie tot gevolg. Bovendien zijn TGB-structuren efficiënt op ecologisch en economisch vlak. De al gerealiseerde projecten zijn het bewijs van de mogelijkheden van TGB. l

De voetnoten en de referenties van het artikel vindt u terug op www.febe.be onder publicaties

Ces panneaux permettent donc de gagner du temps et de l’argent lors du processus de fabrication. Pour la façade de Dormettingen, on a utilisé un textile carbone haute performance avec une charge de rupture jusqu’à 3 099 N/mm². Le système d’ancrage est normal, et a été adapté aux panneaux minces en béton.

À côté des exemples ci-dessus, le BAT convient également comme renfort, par exemple de structures d’enveloppe externe en béton (7). Un autre domaine d’application touche à l’impact des chlorures sur les constructions, par exemple par l’emploi de sel d’épandage. Il suffit de penser aux ponts ou aux constructions maritimes. Un exemple actuel en est la passerelle pour piétons réalisée en BAT dans la ville allemande d’Albstadt. Ce pont de 97 m est subdi-visé en six sections de maximum 17,20 m de long. Comme la superstructure est réalisée en BAT, il a été possible d’obtenir ici un rapport de finesse exceptionnel de H : L = 1:35 (hauteur par rapport à la longueur) (8).

Nouvelles possibilitésLe matériau composite novateur BAT (béton armé en textile) ouvre de nouvelles possibilités. Comme l’arma-ture n’est pas sensible à la corrosion, la couche de recouvrement en béton reste minimale. Cela permet de réaliser des constructions en béton encore plus audacieuses du point de vue archi-tectonique, avec une sveltesse et une élégance inédites. En outre, les struc-tures en BAT sont écologiques et économiques. Les projets déjà réalisés constituent la preuve du potentiel du BAT. l

Vous pouvez retrouver les notes en bas de page, ainsi que les références sur www.febe.be sous publications

Sergej Rempel, Norbert Will & Josef Hegger van het Duitse Institut für Massivbau, RWTH Aken, schreven dit artikel op uitnodiging van FEBE.

Met dank aan de Duitse Stichting voor Onderzoek (DFG) voor de financiering van het Transferproject T08 in het kader van het gemeenschappelijk onderzoekscentrum (SFB) 532 aan de universiteit RWTH Aken. Verder danken de auteurs de partners solidian, V. Fraas Solutions in Textile, SGL Carbon, Hering Bau, het Instituut voor Materiaalbouwonderzoek en het Instituut voor Textieltechnologie aan de universiteit RWTH Aken voor hun steun en de doeltreffende samenwerking.

Sergej Rempel, Norbert Will & Josef Hegger de l’Institut für Massivbau allemand, RWTH Aix-la-Chapelle, ont rédigé cet article à l’invitation de FEBE.

Nous remercions la Fondation allemande pour la Recherche (DFG) pour le financement du Projet de Transfert T08 dans le cadre du centre commun de recherche (SFB) 532 à l’université RWTH Aix-la-Chapelle. Les auteurs remercient en outre les partenaires solidian, V. Fraas Solutions in Textile, SGL Carbon, Hering Bau, l’Institut de Recherche en Matériaux de construction et l’Institut de Technologie textile de l’université RWTH Aix-la-Chapelle pour leur soutien et la collaboration efficace.