Dresde
Allemagne
Rénovation de la toiture en membrane de la gare centrale de Dresde
A propos
La rénovation de la toiture du hall de la gare centrale de Dresde, avec une surface de près de 33 000 m² et une période de réalisation de près de 4 ans, représente actuellement l’un des plus grands projets dans le domaine des constructions en architecture tendue.
Dans son analyse, Ralf Dinort, responsable de la planification structurelle du projet avec son entreprise IF Group, examine les points névralgiques de la toiture existante et comment le nouveau concept de construction cherche à éviter les challenges rencontrés dans le passé. Ce qui n’a pas changé, c’est son choix pour la membrane GF-7000 du groupe Serge Ferrari.
Une gare baignée de lumière naturelle
À la fin du XIXe siècle, la gare centrale de Dresde était une référence pour les grands bâtiments avec une impressionnante structure en acier, un bâtiment à trois nefs en treillis d’acier s’étendant sur une longueur de 240 m. Les portées impressionnantes de 30 m pour les deux halls extérieurs et de 60 m pour le hall central étaient en grande partie couvertes de verre, inondant ainsi de lumière telle une serre. Un bâtiment avec une haute exigence esthétique et une importance historique, qui fut cependant gravement endommagé pendant la seconde Guerre mondiale. Pendant la période de la RDA (ex Allemagne de l’Est), les poutres en acier furent recouvertes de bois et scellées avec du carton, du goudron et des pierres d’ardoise. Le résultat se traduisit par un bâtiment très sombre comme dans un tunnel. Ce n’est qu’après la réunification que la compagnie ferrovière allemande, la Deutsche Bahn, décida de rénover cette gare de fond en comble pour rendre justice à son importance en tant que l’un des points de repère de Dresde.
Un projet primé avec une toiture textile
Pour ce faire, les architectes Foster+Partners ont créé un projet architectural utilisant la structure en acier historique comme support et intégrant une forme ondulée dérivée à la fois de la courbure des trois nefs mais aussi des ondulations du fleuve voisin, l’Elbe. À cette époque, la membrane textile était un matériau très tendance et très prisé. De nombreux architectes ont exploré ce matériau fascinant et ont joué avec sa flexibilité. Déjà à cette époque, il fut décidé, tout comme pour la rénovation actuelle, d’utiliser le tissu de verre enduit de PTFE GF-7000 du groupe Serge Ferrari (alors encore Verseidag). Le résultat : une incomparable légèreté de construction et une haute translucidité apportant beaucoup de lumière dans la gare, rendant ainsi les utilisateurs et le maître d’ouvrage très heureux après cette période d’obscurité prolongée.
Caractéristiques de la toiture originelle
Pour la texture du toit, le concept architectural a repris l’orientation des halls déjà existants. Ainsi, la direction des laizes de membrane, c’est-à-dire la direction de la chaîne du tissu, a été suivie et les coutures ont été placées parallèlement aux fermes. Cela était d’une grande importance pour l’architecture et l’esthétique, mais est devenu problématique avec le temps. La deuxième caractéristique particulière du toit était « entonnoirs ».
Des points bas ont été formés dans les creux des fermes de la halle, là où les pieds des fermes se rejoignent, au niveau de l’articulation des semelles, pour tirer la membrane vers le bas. L’évacuation des eaux de pluie de toute la surface du toit, depuis les zones périphériques de la nef centrale et des nefs latérales, se fait par ces entonnoirs.
Le nouveau toit a été mis en service en 2006. Dès la fin de la décennie, il est apparu que la construction des entonnoirs ne permettait pas de gérer les amats de neige et de glace qui glissaient par avalanche dans les entonnoirs et de les évacuer.
La conception des entonnoirs pour gérer les masses de neige avec leur propre dynamique devait être abandonnée dans le cadre du concept de rénovation du toit, indépendamment du choix du matériau de la membrane.
Pour exclure les facteurs d’influence possibles pour la conception ultérieure, des investigations supplémentaires ont été menées. Dans l’hypothèse que des plaques de glace pourraient glisser dans les entonnoirs et déchirer la membrane, ou que de la glace tombant des nouveaux puits de lumière pourraient percer la membrane, des essais ont été réalisés avant la planification de la rénovation pour écarter ces scénarios de chute de glace. Le groupe IF a développé un test dans lequel des pieux en bois pointus de 12 cm de diamètre étaient lâchés d’une hauteur de 6 m sur la membrane à différents angles d’impact. À part une légère abrasion sur la surface, la membrane n’a subi aucun dommage et n’a pu être déchirée ou percée.
Au cours des 20 dernières années, les connaissances sur les propriétés des membranes textiles ont considérablement augmenté et les bureaux d’études ayant une longue expérience dans le domaine spécialisé de la construction en membrane sont au courant des exigences les plus accrues.
Optimisation de la toiture textile
En 2018, le groupe IF a été chargé de développer un concept viable pour la rénovation du toit en membrane textile. Il devait respecter très précisément le design original des architectes Foster+Partners. Pour chaque modification pouvant avoir un impact sur le design, il était nécessaire de préparer une proposition alternative pour l’approbation de Foster+Partners.
En quoi consistait le nouveau concept ?
Aspect n°1 : Puits de lumière pour fermer les entonnoirs
Éliminer les entonnoirs en utilisant une autre forme n’était pas envisageable. La solution consistait donc à fermer les entonnoirs. Des puits de lumière ont été intégrés dans le toit en membrane pour fermer ces entrées d’entonnoirs de manière ovale et tridimensionnelle. Ces puits de lumière se composent d’une structure en acier avec 3 courroies, qui sont montées sur les fermes de la halle et peuvent pivoter librement autour de leur axe longitudinal afin de ne pas provoquer de contraintes dans la membrane. Chaque bord est connecté à la membrane, permettant ainsi à la neige et à l’eau de s’écouler sur cette surface vitrée. Tout autour, des joints ouverts de quelques centimètres de large sont disposés pour absorber l’eau. En dessous du puits de lumière, la membrane de l’entonnoir est raccordée, assurant l’évacuation finale. Cela signifie que la membrane de l’entonnoir est découplée de la membrane de toit porteuse et que le puits de lumière est inséré comme élément de séparation. La membrane de l’entonnoir n’a donc plus de fonction porteuse, mais sert uniquement d’élément décoratif et de surface d’évacuation, tout en étant constituée du même matériau que le grand toit en membrane. Pour un voyageur sur le quai, l’apparence est donc peu différente de celle qui précédait.
Aspect n°2 : Nouvelle orientation et formatage des éléments de membrane
Foster+Partners ne voulaient aucun joint de montage, car ils craignaient une restriction de la continuité du design et une diminution de l’esthétique. Les coutures sont parallèles aux arcs, et si l’on avait construit une traverse perpendiculairement, cela aurait perturbé les critères esthétiques. Cependant, si les panneaux avaient été maintenus dans ces dimensions énormes, il aurait été impossible de monter ces longs segments de membrane sans plis ni plis.
La solution consistait à tourner la direction de coupe – c’est-à-dire les bandes parallèles aux fermes – de 90° pour deux raisons :
La forte direction de la chaîne de la membrane devait être orientée dans la direction de déneigement, c’est-à-dire de ferme en ferme. Jusqu’à présent, certains panneaux devaient être renforcés par des câbles, car ils étaient orientés dans le sens de la trame, soit environ 15 % de moins en termes de résistance à la traction. Le renforcement par câble pouvait maintenant être éliminé. De plus, il n’y a plus de couture de soudure de ferme en ferme, ce qui affecte négativement la résistance à la traction de la structure de la membrane.
Il n’y a plus de bandes de membrane de 30 à 40 m de long posées parallèlement aux fermes avant d’atteindre la prochaine couture. Dans le nouveau concept, les découpes individuelles sont généralement limitées à environ 10 m.
Ralf Dinort explique :
Un tissu représente initialement une seule dimension. La forme est définie par la découpe et l'assemblage. Plus je crée cette surface tridimensionnelle à partir de nombreuses parties, plus je peux représenter cette tridimensionnalité avec précision. Cela était bien sûr presque impossible avec le toit existant, car on ne pouvait enlever du matériau qu'à l'extrémité de chaque bande de découpe très longue – donc à la chaîne – pour approcher la forme de la surface en selle. On doit répartir cette approximation de la forme anticlinale de la membrane de la surface en selle sur la longueur, sinon il y a des distorsions du tissu. Cela ne peut être fait que par un cisaillement important, ce qui peut être comparé visuellement à un agencement de fils perpendiculaires les uns aux autres qui se déforment ensuite pour former un losange. Nous avons rendu les bandes plus petites et les avons disposées transversalement. Cela n'était évidemment plus tout à fait ce que Foster+Partners avaient initialement imaginé. Nous avons finalement pu convaincre que ce concept initial nécessitait une correction substantielle.
En conséquence, les panneaux individuels entre deux fermes de la halle ont été divisés en 6 segments. Cela signifie que chaque panneau individuel contient 5 joints de montage ainsi que le découplage supplémentaire des entonnoirs. Le résultat est des unités de montage et de transport beaucoup plus petites, ce qui réduit considérablement le risque de plis.
Le choix de la membrane GF-7000
Après avoir créé les conditions essentielles pour que la construction du toit puisse être planifiée et réalisée avec succès, la question s’est posée, en raison du remplacement complet, de savoir s’il fallait une nouvelle orientation en ce qui concerne le matériau. La recommandation du groupe IF était que cette rénovation exigeante soit à nouveau réalisée avec le matériau de membrane original GF-7000, car il avait convaincu le bureau d’études par sa haute qualité sur une longue période. Ralf Dinort explique : « Nous travaillons avec différents laboratoires et avons, pour divers projets, effectué à plusieurs reprises les tests pertinents et développé nos propres méthodes de test : par exemple, dans le cadre d’un mémoire de diplôme, un test de flexomètre a été développé, avec lequel nous avons examiné un large éventail de matériaux différents, y compris un test de pliage double très révélateur. Ici, le tissu de verre PTFE GF-7000 de Verseidag a obtenu les meilleurs résultats, notamment en ce qui concerne la résilience aux plis. Il était clair pour nous de recommander à nouveau ce matériau pour le toit de remplacement. De plus, nous avons trouvé en Verseidag et le groupe Serge Ferrari un partenaire qui travaille avec le bureau d’études sur des détails viables et des améliorations. Nous trouvons toujours une oreille attentive lorsque des problèmes doivent être résolus, des initiatives de recherche doivent être prises ou lorsque des tests spécifiques sont nécessaires pour confirmer des bases de calcul. Ces facteurs importants de collaboration permettent de créer des solutions optimales pour le maître d’ouvrage. Un autre facteur important était également la grande transparence de la fabrication des matériaux vis-à-vis de la DB Deutsche Bahn Station & Services AG dès le début, que ce soit lors des visites en laboratoire ou en production chez Verseidag-Indutex dans des conditions réelles, où tout pouvait être examiné en détail. »
Le choix du matériau original a également permis un démarrage précoce du projet, car pour les autorisations internes de la Deutsche Bahn (ZiE et UIG) qui avaient été créées en 2000/2001, seules des confirmations et des essais complémentaires étaient nécessaires, ce qui leur a permis de conserver leur validité. On pouvait se référer aux données existantes, et ainsi rester conforme, par exemple, au concept très complet de protection incendie de 500 pages, qui aurait dû être entièrement recréé en cas de choix de nouveau matériau.
Exigences de protection contre l’incendie également pour la phase de construction
Pour ce toit de hall en membrane, un certificat de protection contre l’incendie correspondant était requis, ce qui a été entièrement satisfait par le tissu GF-7000 du groupe Serge Ferrari avec un certificat B-s1,d0. Un point essentiel du concept de protection contre l’incendie était également la sécurité pendant la période de construction. À cette fin, le tissu a également été examiné dans la situation de montage, c’est-à-dire en combinaison avec un filet de plateforme (filet de sécurité fixé à 1 m sous la membrane) et un filet anti-poussière 50 cm en dessous. Pour la période de construction prévue de 3 à 4 ans, il était nécessaire de clarifier la problématique de l’évacuation des fumées, car dans ce cas, l’ensemble des couches devait être pris en compte. Dans cette combinaison, des tests de feu réel ont été effectués et il a été démontré que les exigences étaient toutes satisfaites avec le tissu GF-7000. Que ce soit avec ou sans combinaison avec d’autres matériaux : à l’étude du concept de protection contre l’incendie, on constate que les exigences relatives à la membrane traversent le projet comme un fil rouge et y sont très adaptées.
Gestion stricte de la qualité pour la production et la confection des membranes
Un élément important pour éviter les plis et maintenir la résilience du matériau pendant la production, le transport et la confection des éléments de toiture en membrane, était un programme complet et très strict de contrôle de la qualité, ce qui représentait également un changement par rapport à la construction initiale. Pour ce faire, deux laboratoires indépendants ont été mandatés : du côté de l’entrepreneur Pfeifer Seil- und Hebetechnik GmbH, la DEKRA à Stuttgart, et du côté du maître d’ouvrage Deutsche Bahn, l’ELLF à Essen.
Le contrat de construction inclut une série de tests de matériaux dans le cadre du concept de gestion de la qualité.
De plus, la Deutsche Bahn a effectué une autre série de tests dans des chambres de charge simulant une charge permanente sous différentes durées et niveaux de charge. À cette occasion, du matériel intact et du matériel présentant divers dommages ont été examinés en comparaison. Il s’agit donc ici du comportement à long terme d’un matériau endommagé. Afin de garantir une qualité constante de la production pour toutes les phases de construction, qui s’étendent sur une période de 2022 à 2025, des échantillons de tissu sont prélevés sur chaque lot de production de la membrane, avec lesquels des procédures de test approfondies sont mises en œuvre.
Ils ont travaillé sur le projet :
Durée du projet : en trois étapes de Février 2022 à 2025
Maître d’ouvrage : DB Deutsche Bahn Station & Services AG, Dresde
Direction du projet : DB Station & Service AG, Dresde
Planification de la conception : Foster+Partners Architects, UK
Planification générale : EHS Beratende Ingenieure für Bauwesen, Lohfelden
Planification de la structure : IF-Group, IF-Ingenieure für Flächentragwerke GmbH, Reichenau
Pilotage du projet : Vössing Ingenieurgesellschaft mbH, Dresde
Exécution des travaux : Pfeifer Seil- und Hebetechnik GmbH, Memmingen
Surveillance des travaux : PTB Ingenieurbüro für Planung, Technologie und Bauüberwachung, Magdebourg
Planification de l’atelier : Form TL, Radolfzell
Membrane : Fibre de verre/PTFE GF-7000, couleur blanc
Surface totale : env. 33.000 m² en 3 étapes de construction
Photos: Deutsche Bahn/VECTORVISION
