Neues Gymnasium Bochum

Définition du problème

La ville de Bochum prévoyait de regrouper deux lycées en un seul corps de bâtiment sur le site actuel, suivi de la démolition des bâtiments existants. Le nouveau bâtiment devait dégager une atmosphère ouverte et libre et s'intégrer harmonieusement dans le paysage du monument naturel du jardin géologique dans la zone de planification existante. Parallèlement, l'accent a été mis sur le maintien de la liaison est-ouest liée au quartier pour les piétons et les cyclistes.

Description de la construction

Le lycée de trois étages avec des dimensions en plan d'environ 125 x 70 m et une hauteur d'environ 12 m a été réalisé en ossature en béton armé. La géométrie du plan résulte de deux anneaux contigus dont les rayons varient sur tout le pourtour.

L'ensemble du bâtiment est réalisé comme une structure monolithique sans joints en béton coulé sur place. Les planchers plats en béton armé d'une épaisseur de 30 cm sont soutenus le long de la façade et des cloisons des couloirs par des poteaux circulaires ou des poteaux rectangulaires intégrés dans les murs. L'espacement entre les poteaux est généralement d'environ 7 à 8 mètres. En outre, les planchers reposent sur les murs de contreventement des cages d'escalier, des ascenseurs et des murs coupe-feu.

L'atrium de l'anneau ouest est éclairé par le haut via un dôme de toit transparent. Conçue comme un toit en coussins de film à trois couches et à soutien pneumatique, la structure porteuse du toit se présente comme une construction en acier légère et filigrane. Des profilés creux en acier en forme d'arc, d'un diamètre de seulement 152 mm et d'une épaisseur de paroi de 8 à 12,5 mm, couvrent le toit d'environ 1.000 m².

Un escalier sculptural, également en béton armé, a été choisi comme élément central pour l'accès aux niveaux supérieurs depuis le hall de l'atrium.

Le choix des matériaux de construction

La construction de l'ossature en béton armé de l'ouvrage a été réalisée en béton coulé sur place en C30/37 et, dans les zones plus fortement sollicitées en compression, en C45/55 en combinaison avec des aciers d'armature BSt 500A.

La structure métallique filigrane pour le toit en coussins ETFE a été fabriquée en acier de construction S355.

La construction du coussin est composée de trois couches de films d'éthylène-tétrafluoroéthylène d'une épaisseur de 250 µm pour les films extérieurs et de 80 µm pour la couche de film intérieure. Module d'élasticité E_f,23°= 700 N/mm², résistance à la déchirure σ_f,23°= 40 N/mm² , coefficient de dilatation transversale µ_f,23° = 0,40 - 0,45, profilés de serrage en aluminium.

Une prestation d'ingénierie particulière

Le traitement statique a été marqué par les thèmes principaux suivants : Géométrie organique, aula sans piliers ou hall d'entrée au rez-de-chaussée, escalier sculptural, construction de toit recouverte de coussins ETFE.

La structure en béton armé est dominée par des murs et des poutres murales courbes, des bords de plafond arrondis, des parapets porteurs et non porteurs ainsi que des escaliers et des paliers arrondis. La géométrie organique a entraîné des influences et des dépendances sur le coffrage, l'armature, les éléments de montage, les constructions métalliques et le second œuvre, qui ont dû être planifiés de manière conséquente et méticuleuse afin de toujours respecter toutes les conditions limites.

Le projet de l'architecte prévoyait au rez-de-chaussée un auditorium entièrement dépourvu de piliers. En outre, il devait être possible de créer une transition fluide vers le hall. Il s'est donc avéré nécessaire de franchir une portée de 26 mètres. Pour ce faire, les murs des deux niveaux supérieurs E1 et E2 ont été conçus comme des poutres murales, ce qui a permis de créer un système porteur très performant avec les plafonds. Les plafonds assurent la fonction de vitres de raidissement contre la poussée horizontale générée par la forme courbe des murs.

La réalisation constructive de la poutre murale a constitué un défi en raison des ouvertures de porte disposées de manière irrégulière sur les deux niveaux. Pour la poutre de 45 cm d'épaisseur, on a choisi comme système statique une construction de poutres en treillis sur deux niveaux, dans laquelle les entretoises en treillis sont passées respectivement autour des portes. Les disques de plafond forment les membrures de traction et de compression. La poutre murale repose sur le noyau de l'escalier 1 et sur un pilier b/d= 70/45 cm tourné par rapport à l'axe de la poutre, à côté de la scène de l'aula.

Le ferraillage des entretoises du treillis a été conçu en fonction de leur inclinaison, en diagonale dans le plan du mur. Les barres d'armature concentrées ont dû être guidées sur deux niveaux avec des courbures différentes et ancrées dans le plafond le plus haut et le plus bas par des éléments encastrés. Les armatures de raccordement et de soutien de la dalle, ainsi que le raccordement aux bandes de traction stockées dans les dalles, ont été enfilés de manière orthogonale. Des raccords d'armatures vissés échelonnés ont permis la continuité des faisceaux d'armatures sur deux niveaux, afin de garantir également la possibilité de bétonnage. Tous les joints de construction entre les murs et les plafonds ont été réalisés avec des dents.

En raison de l'absence souhaitée de poteaux au rez-de-chaussée, presque tous les autres murs incurvés autour du hall au niveau 1 et au niveau 2 ont également été conçus comme des poutres murales dans des conditions limites similaires. Les portées atteignent ici jusqu'à 9 m.

Un escalier central sculptural permet de relier directement les galeries périphériques des niveaux E1 et E2 au hall du rez-de-chaussée. La construction massive de l'escalier, sans piliers, composée de volées hélicoïdales, de paliers et de limons latéraux massifs, a été réalisée en béton coulé sur place. Il repose sur la dalle de sol du rez-de-chaussée et s'accroche directement aux plafonds de la galerie au-dessus du rez-de-chaussée et du premier étage, sans mesures de soutien supplémentaires.

Le hall du Westring est éclairé par le haut via une coupole de toit transparente. La structure en acier légère et filigrane, composée de profilés creux en acier en forme d'arc, est recouverte d'un toit à coussins en feuille à trois couches et à soutien pneumatique. La disposition orthogonale des arcs en acier donne naissance à une construction de coupole spatiale très performante, dont l'espacement des arcs de 5,3 m a été choisi de manière à créer des champs de coussins ETFE carrés optimaux. Comme la structure porteuse n'est guère sollicitée par les charges de son propre poids, mais principalement par les charges dues à la neige et au vent, il a été possible de former un dôme très plat de 3 m, malgré la grande portée allant jusqu'à 40 m. Au total, le poids de l'ensemble de la structure du toit est d'environ 20 kg/m² de surface de toit. La coupole en acier, légère et sollicitée uniquement par des forces de compression, ne fonctionne qu'en interaction avec la construction massive qui entoure le toit en forme d'anneau, car la poussée de l'arc de la coupole y est court-circuitée par des forces de traction annulaires. Des éléments en acier permettent d'introduire ponctuellement les forces dans la construction massive. Les coussins en ETFE à trois couches sont remplis en permanence d'air préséché, de sorte qu'il y a toujours une petite surpression par rapport à l'air extérieur. La pression intérieure, fixée à 300 Pa en temps normal, est automatiquement augmentée par des capteurs en cas de charge de neige. En fonction de la taille du coussin, de l'épaisseur du film et de la charge, on obtient un point de 50 cm en haut et en bas pour les couches de film. L'alimentation en air des coussins en ETFE se fait de manière très élégante et invisible pour l'observateur dans la toiture, via les profilés creux de la structure en acier, de sorte qu'aucune installation supplémentaire n'a été nécessaire à cet endroit. La protection solaire est assurée par une impression sur la couche supérieure.

Grâce au travail de planification méticuleux de tous les participants, le budget a pu être entièrement respecté malgré les nombreuses particularités et il n'y a pratiquement pas eu de retards pendant les 18 mois de construction.

Rapport explicatif de Weischede Herrmann und Partner pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015