Modélisation et conception d’un coffrage réutilisable pour la fabrication de coques minces en béton de formes complexes

Design and conception of a reusable inflatable formwork for complex shape concrete shells

¹ Laboratoire Navier UMR8205, École des Ponts ParisTech, Université Gustave Eiffel, CNRS
² Université Grenoble Alpes, Inria, CNRS, Grenoble INP, LJK
³ Laboratoire OCS / UMR AUSser 3329, ENSA Paris-Est / Université Gustave Eiffel
⁴ GSA / École Nationale Supérieure d’Architecture de Grenoble

^* Corresponding author: camille.boutemy@enpc.fr

Résumé

La construction de coques minces en béton est coûteuse en matériaux et en main d’œuvre à cause de la fabrication du coffrage qui génère une vaste quantité de déchets. Ces éléments non réutilisables ont un impact négatif sur l’ACV de la construction. Ces difficultés expliquent en partie pourquoi la construction de coques minces est devenue rare à la fin du XXème siècle malgré l’indéniable qualité architecturale qu’elles confèrent aux espaces créés. Cette recherche a pour objectif de modéliser et concevoir un nouveau système de coffrage économe en moyens, pour préfabriquer des éléments surfaciques en béton à partir de structures gonflables. Contrairement à des exemples historiques proposant des gonflables à simple peau, nous proposons de liaisonner deux membranes selon un motif. Composé de courbes, le motif est conçu afin qu’une fois les membranes gonflées, la métrique du plan varie de manière non uniforme et génère une surface en trois dimensions selon le theorema egregium de Gauss. Le dessin du motif d’assemblage est guidé par un outil numérique capable de simuler précisément une forme gonflée en 3D à partir d’un motif de soudure en 2D. Cette méthode de fabrication serait automatisable et transposable à plus grande échelle. L’article décrira les principes géométriques et l’outil de simulation numérique. Nous présenterons une application, la fabrication d’un coffrage gonflable et la construction d’une coque mince en béton.

Abstract

Construction of concrete shells is expensive and generates wastes from the fabrication of formworks. Being non-reusable, these elements have a negative impact on the life-cycle assessment of the construction. The purpose of this research is to design and build a new inexpensive formwork system made of inflatable structures for precast and thin concrete shells construction. By sealing two membranes according to a pattern, this system allows the construction of complex inflated shapes. The sealing pattern is designed such that, once inflated, the planar metric becomes not uniform and generates a 3D surface following Gauss’s Theorema Egregium, a classical result of differential geometry. This design of the seal pattern is guided by a numerical tool capable of accurately predicting the inflated shape. The simulations are compared to physical models made of fabrics, before manufacturing inflatable formwork prototypes in composite membranes from about 1 to three metres wide. Support is set up to pour concrete on the inflatable formwork without damaging it for reuse. The resulting thin concrete shell and its fabrication method are eligible for wider-scale application in the AEC industry.