Situé juste à côté du Centre de biochimie, ce nouveau bâtiment comble un vide sur le campus de Garching. Le maître d’ouvrage est l’Université technique de Munich. L’entreprise générale est regineering GmbH, une société basée à Preith/Pollenfeld et spécialisée dans les constructions de laboratoires et de centres de recherche. Ce projet réalisé par le bureau d’architectes de Munich Lang Hugger Rampp présente une surface brute d’environ 5 600 m², moyennant une emprise au sol d’environ 30 x 40 m, quatre étages accueillant des salles de laboratoire et des bureaux dédiés à la recherche en biochimie avec, au-dessus, un étage à vocation technique. Le bâtiment abrite des espaces de laboratoire spécialisés devant répondre à des exigences très strictes en matière de faible niveau de vibrations et de capacité de reprise de charge Le choix d’une structure porteuse en bois s’est imposé dès le départ. Mais l’esthétique de cette structure n’avait pas encore été arrêtée.

Situation de départ : une conception hybride dont la construction aurait été onéreuse

Les calculs de structures initiaux du bureau d’ingénierie GFM Bau- und Umweltingenieure prévoyait, pour les poutres principales, des profilés dits mixtes, c’est-à-dire des profilés en acier remplis de béton sur lesquels devaient reposer les panneaux en bois lamellé-croisé (CLT). D’un point de vue statique, ce système fonctionne ; mais, au fil des travaux et de l’élaboration des détails, il aurait conduit à des problèmes car chaque interface acier-bois implique des tolérances et des détails de raccordement supplémentaires, ce qui constitue, dans un bâtiment conçu avant tout comme une construction en bois, une rupture systémique.

Cependant, l’alternative évidente du bois se heurtait à une limite colossale : les hauteurs de construction. Les hauteurs sous plafond avaient été fixées entre 3,63 m et 3,84 m par le projet soumis à autorisation, et à 4,43 m pour les combles. La hauteur totale, proche de 20 m, constituait également un objectif du projet. Il n’y avait donc aucune marge de manœuvre en hauteur. Compte tenu des entraxes mesurant jusqu’à 5,20 m et des charges utiles des lourds équipements de laboratoire, il aurait fallu des poutres en bois lamellé-collé d’épicéa nettement plus hautes. De ce fait, la solution standard en résineux pour les poutres principales était pratiquement exclue.

L’impulsion pour repenser la structure est venue des entreprises exécutantes : L’entreprise de constructions en bois du Tyrol du Sud, ZP GmbH, et l’entreprise générale regineering ont proposé une solution avec du BauBuche qui a ensuite été développée par le bureau d’ingénierie Lignaconsult Schrentewein & Partner. La mission était très claire : remplacer les poutres mixtes par du BauBuche. Tout le reste, notamment la trame structurelle et les sections des poteaux, était déjà défini. Le matériau devait donc s’intégrer dans une géométrie initialement conçue pour un autre matériau.

Logique de structure porteuse : Où et quel matériau utiliser ?

Le résultat obtenu est une structure classique à ossature bois. Des poteaux en bois lamellé-collé de section carrée, de 32 x 32 cm, de classe de résistance GL 28h, forment la trame verticale, avec un entraxe de 3,80 m dans le sens de la longueur du bâtiment. Des poutres principales en BauBuche de classe de résistance GL 75 supportent cette trame transversalement, sur une hauteur de 28 cm et une largeur de 40 cm, pour des portées allant de 4,35 m à 5,20 m. Assurant un rôle de support, elles reprennent les charges des panneaux en CLT d’une épaisseur de 16 cm. Un mur en CLT de 20 cm d’épaisseur situé au centre du bâtiment assure le contreventement vertical de la structure, tandis que le contreventement horizontal est assuré par deux noyaux en béton armé. Les panneaux en CLT agissent comme des diaphragmes, y transmettent les efforts dus au vent et aux imperfections. Comme l’un des noyaux ne s’élève que jusqu’au troisième étage, le contreventement est assuré, à l’étage à vocation technique, par des supports de contreventement et des entretoises diagonales. En revanche, les éléments de façade rapportés sont uniquement autoportants et ne participent pas au contreventement de la structure.

Pour les poteaux, il a été décidé de conserver la section de 32 x 32 cm en bois lamellé-collé d’épicéa. Ces dimensions avaient déjà été définies par le bureau GFM lors de la phase de conception. L’éventuelle réduction de la section des poteaux grâce à l’utilisation du BauBuche et le gain de surface au sol qui en aurait résulté n’ont pas été pris en compte dans l’analyse comparative ; aucun calcul comparatif n’a été effectué. « Certes, l’utilisation du BauBuche aurait permis de réduire la section des poteaux » confirme Thomas Schrentewein, concepteur de la structure. Mais ce qui fut décisif dans le choix du BauBuche fut plutôt les exigences de hauteur, de rigidité à la flexion et de comportement vibratoire des poutres principales.

Il n’est donc pas possible de dire quelle surface totale aurait été économisée au niveau des poteaux et des étages. Il convient de bien distinguer deux affirmations souvent confondues : « techniquement désavantageux » et « non étudié dans le projet ou sans incidence sur la décision ». Pour Garching, c’est le deuxième cas qui s’applique. Surtout sur un site comme celui de Munich, où chaque mètre carré d’espace utile est précieux, la question aurait mérité un calcul — bien qu’elle doive être soulevée lors de la phase de conception, alors que la trame et les sections sont encore susceptibles d’être modifiées.

Poutres en T inversé avec points d’appui – le gain de hauteur réside dans les détails

La hauteur de poutre de 28 cm a suffi pour deux raisons. La première tient aux performances du bois de placage stratifié en hêtre. La haute résistance à la flexion et la grande rigidité de la classe de résistance GL 75 ont permis d’atteindre les portées requises avec des sections de poutre nettement plus fines que ce qui aurait été possible avec du bois lamellé-collé d’épicéa. La seconde raison est un artifice structurel : les poutres ont été réalisées sous forme de profilés en T inversé. La semelle principale — de 40 cm de largeur et 12 cm de hauteur — est en partie basse plutôt qu’en partie haute. L’âme, qui s’étend sur toute la hauteur, est en retrait de 4 cm de chaque côté par rapport à la semelle et présente une largeur de 32 cm (2 x 16 cm). Les panneaux en CLT ont ensuite été posés sur les « nez d’appui » de 4 cm de large ainsi formés, un peu comme sur des consoles.

Résultat : le panneau de plafond et la poutre sont à fleur. Il n’y a pas de décalage en hauteur et pratiquement pas de perte de hauteur sous plafond. Seule la semelle principale de 12 cm de hauteur dépasse en sous-face, ce qui était autorisé. « Nous étions autorisés à laisser la poutre dépasser de quelques centimètres vers le bas. Nous n’étions limités que vers le haut. Mais c’est justement ce que nous avons pu exploiter avec le BauBuche » déclare Schrentewein pour expliquer la situation initiale. Étant donné que les poutres devaient dépasser le moins possible vers le bas, elles ont été réalisées en 40 cm (ou 2 x 20 cm) de largeur. La largeur d’appui des poteaux de 32 cm s’accordait avec cette géométrie. Dans le bâtiment achevé, les semelles principales en saillie restent visibles sans aucun autre habillage, un choix esthétique qui témoigne de la grande qualité du matériau lui-même.

Haut niveau d’exigences en matière de vibrations et de pression transversale

Le bâtiment abrite un laboratoire de biochimie. Le projet doit de ce fait répondre à des exigences particulières : des charges d’exploitation élevées dues au poids des équipements et des exigences très strictes en matière de vibrations de tous les plafonds et planchers car les instruments de mesure sensibles réagissent à la moindre vibration. » À cet égard, la rigidité à la flexion des poutres en BauBuche s’est révélée une fois de plus avantageuse car elle permettait de respecter les limites prescrites sans augmenter les sections de manière disproportionnée.

Un détail montre les limites de cette combinaison de matériaux. Les poutres en BauBuche exercent des pressions d’appui supérieures à la résistance perpendiculaire au fil du bois d’épicéa des poteaux. Il a alors fallu insérer, aux étages les plus sollicités, des plaques de répartition des charges (plaques d’acier de la largeur des poutres) entre la poutre et la tête de poteau.

La protection incendie F60 assurée par le calcul plutôt que par un revêtement

La structure porteuse devait impérativement présenter une résistance au feu de 60 minutes (F60/REI60). L’intérêt des poutres en BauBuche a été justifié à l’appui de la vitesse de carbonisation du bois de placage stratifié en hêtre. La face inférieure dégagée de la poutre est dimensionnée de manière à ce que la section résiduelle conserve sa capacité portante après 60 minutes. Sur les côtés, des parements en bois lamellé-collé de 6 cm d’épaisseur servent de couche sacrificielle. Ainsi, tout revêtement ignifuge était inutile. Ce qui fut un avantage économique et esthétique.

La protection contre l’incendie est également un point pour lequel il faut comparer les avantages et les inconvénients. En effet, dans les calculs de dimensionnement en cas d’incendie, la couche de carbonisation sacrifiée du BauBuche, pour assurer une résistance au feu de 60 minutes, coûte plus cher que celle du bois lamellé-collé. Une autre solution consisterait à dimensionner les éléments en BauBuche entièrement « à froid » et à compenser la carbonisation par l’ajout d’un revêtement sacrificiel en bois sur toutes les faces. Il faudrait alors ajouter le coût de ce revêtement. Mais à Garching, la décision a été prise sans hésitation. La priorité n’était pas le prix au mètre cube, mais la faisabilité du projet à la hauteur autorisée.

La leçon qui en est tirée et la solution qui est transposable

Le passage des poutres mixtes à une ossature bois a été réalisé en cours d’étude et a réussi car l’entreprise de construction bois, l’entrepreneur général et le concepteur de la structure ont présenté la proposition non pas comme une simple idée mais comme un concept entièrement calculé et détaillé. Par ailleurs, le cabinet GFM, initialement maître d’œuvre, a soutenu la révision du projet dans un esprit de coopération.

L’enseignement majeur porte moins sur le matériau lui-même que sur le moment de son intégration dans le projet. La section des poteaux avait déjà été décidée dans la phase initiale. L’éventuel gain de surface grâce aux sections plus fines en BauBuche n’a pas été évalué. Pour tirer pleinement parti de l’optimisation de l’emprise au sol et de la hauteur de construction, il faut intégrer le matériau dans l’étude des variantes dès la phase de conception.

Le bâtiment de laboratoires de Garching est un modèle transposable. Le BauBuche entre en jeu lorsque la trame habituelle, la solution standard ou la logique de conception traditionnelle atteignent leurs limites, lorsque la hauteur de construction est insuffisante, que la flèche ou le comportement vibratoire deviennent critiques, que les assemblages s’avèrent trop volumineux, que la résistance à la compression transversale ne suffit plus ou que l’architecture exige de l’ouverture. En l’occurrence, c’est la hauteur d’étage imposée, combinée à des charges d’exploitation élevées et à des seuils de vibration très stricts, qui a créé une situation de limite classique où le bois lamellé-collé de résineux ne pouvait plus, à lui seul, apporter une solution viable. La nécessité de remettre en question les pratiques établies se fait typiquement ressentir lorsque les surfaces sont coûteuses, lorsque les hauteurs de construction sont limitées et les exigences d’usage élevées. C’est le cas dans les bâtiments de recherche et les laboratoires, dans les établissements scolaires et universitaires, les immeubles de bureaux flexibles, les structures de grande portée ainsi que dans les projets issus de concours et les projets prestigieux.

text by: Susanne Jacob-Freitag, Karlsruhe

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