Messe Frankfurt - Porte Nord

En 2008, la Messe Frankfurt a lancé un concours d'architecture pour la conception du réaménagement de l'entrée du parc des expositions. Pour les portes Sud et Nord, il s'agissait de concevoir un bâtiment de gardiennage et un toit pour remplacer les conteneurs de gardiennage provisoires utilisés jusqu'alors. L'objectif était de mieux protéger le personnel de garde contre le vent et les intempéries et d'accentuer les nouvelles voies d'accès comme un signe visible de loin.

Architecture

Le projet gagnant de l'architecte Ingo Schrader, Berlin, réalisé en étroite collaboration avec les ingénieurs en structure Bollinger + Grohmann, prévoyait pour chacun des deux sites un toit circulaire d'environ 25 m de diamètre, reposant sur des piliers en forme de pyramide.

La forme circulaire des toits permet de disposer librement les piliers, car elle n'est pas soumise à une trame fixe. Cela offre des avantages décisifs en ce qui concerne les possibilités très limitées de fondation sur les deux sites. Ainsi, les positions des piliers ont pu être choisies librement en fonction des conditions locales, la structure porteuse du toit formant, à partir du contour du toit et des points d'appui définis, une structure irrégulière de poutres qui se croisent. Des profilés porteurs minces en acier plat de hauteur variable sont agencés en une structure porteuse performante.

Les contraintes de conception étaient une hauteur maximale des lamelles de 60 cm, une hauteur minimale de construction de 15 cm, une hauteur identique aux points d'intersection et un tracé linéaire du contour des poutres entre les points d'intersection. Sans pouvoir comprendre en détail le calcul statique, la logique structurelle se révèle néanmoins à l'observateur, car le résultat ressemble à des structures naturelles.

Le projet d'un autre toit de plan rectangulaire pour la porte Ouest a suivi immédiatement après le gain du concours. Par la suite, la réalisation des toits des portes Ouest et Sud a été reportée et seul le projet de la porte Nord a été développé dans un premier temps. Au cours de la planification ultérieure, la forme circulaire initiale du toit de la porte Nord a été étirée en un ovale afin de mieux l'adapter au site avec les fonctions à couvrir.

Construction

Le toit ovale de la porte nord mesure 42 x 18 m, avec une hauteur maximale de construction des lamelles de 60 cm et un porte-à-faux pouvant atteindre 10 m. Sur le bord, la structure porteuse n'a que 15 cm de hauteur. Les quatre poteaux en forme de pyramide reproduisent la courbe des forces et semblent particulièrement minces grâce à leur forme triangulaire. Le toit semble flotter dans les airs.

Les possibilités de fondation sur le pont routier existant à la porte nord exigeaient une position irrégulière des piliers. Dans le cadre d'un processus d'optimisation en plusieurs étapes, une structure porteuse de toit asymétrique a été développée à cet effet, composée de lamelles d'acier plat de hauteur variable disposées de manière non hiérarchique. On obtient ainsi une grille de poutres en aciers plats ondulés qui sont soudés à leurs points de jonction. Le bord du toit en forme d'ellipse est formé par une équerre à branches inégales posée sur les poutres en acier plat, qui est utilisée pour la stabilisation statique. La grille de poutres repose sur quatre poteaux effilés, tous encastrés à leur base.

La surface du toit est recouverte de grandes plaques de contreplaqué qui présentent un revêtement en polyuréthane faisant office d'étanchéité pour le toit. Certains champs entre les poutres sont évidés pour former des lanterneaux ouverts ou vitrés. La lumière du jour pénètre ainsi sous la grande surface du toit et effleure sporadiquement la structure du toit. Des taches de lumière irrégulières apparaissent selon l'heure de la journée et les conditions météorologiques et rappellent l'ambiance sous le feuillage d'un arbre.

L'ensemble du toit est peint en blanc. La matérialité passe au second plan par rapport à la géométrie. 75 tonnes d'acier et 600 m² de toiture donnent une impression de légèreté et d'immatérialité. La forme significative d'un grand disque blanc flottant, avec sa sous-face caractéristique, agit comme un signe visible de loin, aussi bien depuis la Theodor-Heuss-Allee et les routes d'accès que depuis les immeubles environnants. Même dans l'obscurité, l'éclairage indirect de la sous-face du toit donne un accent unique à cet endroit important du point de vue urbanistique.

2.1 Conception paramétrique et optimisation de la structure

Le plus grand défi pour les ingénieurs en structure lors des premières phases de planification a été de faire coïncider la position des poteaux avec la géométrie du toit. En raison de la position asymétrique des poteaux, une structure hiérarchique avec des poutres principales et secondaires était exclue. La construction devait être minimaliste dans les détails, une approche qui se reflète également dans le choix des sections transversales comme des lamelles d'acier plat.

La position des lamelles et la géométrie de leur section ont été déterminées par un processus d'optimisation en deux étapes. Un script de conception paramétrique, directement relié à un outil de calcul, a permis dans un premier temps de définir la position optimale des lamelles. Dans un deuxième temps, la hauteur et l'épaisseur des lamelles ont été optimisées en fonction des tensions pouvant être absorbées par le matériau et en limitant les déformations maximales. Le voutage optimisé des lamelles donne ainsi simultanément un ornement structurel à haute valeur de reconnaissance.

Le développement et l'optimisation génératifs de la géométrie et l'optimisation structurelle qui s'ensuit ont nécessité une approche différente de la conception de la structure au cours des premières phases de planification. La formation des détails et les paramètres liés à la fabrication ont dû être pondérés par rapport aux paramètres structurels avant même la recherche de la géométrie, afin de trouver un équilibre approprié entre la réalisation économique, le tonnage d'acier nécessaire et le design. Avec la recherche et l'optimisation de la géométrie, le dimensionnement de la structure porteuse pour les éléments de construction pertinents était terminé et la paramétrisation du modèle permettait d'exporter directement la géométrie trouvée dans la planification de l'atelier.

Résumé

La structure développée pour le toit permet d'une part de s'adapter à des positions de poteaux et à des géométries de toit différentes et irrégulières. D'autre part, avec sa grande valeur de reconnaissance, elle répond au souhait du maître d'ouvrage de la rendre significative.

Ce système porteur représente une approche alternative aux structures conventionnelles - organisées de manière hiérarchique -, notamment dans le contexte des exigences complexes des sites.

L'unité recherchée entre structure et conception, entre architecture et construction - sans autres revêtements ou applications - reflète en outre la collaboration intégrative entre l'architecte et les concepteurs de la structure porteuse.

Rapport explicatif de B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015