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1 ENSAPM – Département Transitions – Séminaire de recherche – Année 2016-2017
L’assemblage de construction temporaire :
Cas des structures déployable
FENG Zhenhui
Etudiant à ENSA Paris-Malaquais, séminaire du recherche département Transition
RÉSUMÉ. De notre époque, grâce au développement technique et informatique, l’application de structure pliable est vaste qui peut être appliqué dans de nombreux domaines. Grace aux ses transférabilité et mobilité, ses applications dans le domaine architectural amène la réduction de l’impact environnemental. Autrement, le désir de construction temporaire cause aussi le gaspillage important de ressources, et aussi le présent de migrant en Europe est de plus en plus important, et ils dorment souvent sous la tente légère et fragile. Pendant les années 50, la création de modèle de dôme géodésique par B. Fuller, sa construction nous permet d’économiser les matériaux afin de construire facilement un abri. Ce type de tente est souvent difficile à monter à cause de joints qui est difficile a construire. Dans mon travail, je recherche le principe de structure pliable pour avoir plus de possibilité d’aménagement de fabrication de dôme géodésique. Ces expérimentations ont été élaboré à partir des travaux de KENGO KUMA qui a proposé un pavillon fait par plusieurs parapluies. En analysant les cinématiques des différentes structures et ses assemblages à proposer plusieurs essais en analysant ses caractères et ses possibilités des applications comme les références. MOTS CLÉS : système déployable, abri, transformation, articulation,
construction temporaire, dôme, géodésique.
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1 Introduction
Il existe de certaines constructions temporaires en structures différentes qui
ont causé beaucoup de gaspillage de ressources car inutilisable en cas de
démontage. Les possibilités de réutilisation des matériaux ou transformation
de la forme est devenue mon point d'intérêt, cas elles nous permettent d’éviter
ces gaspillages.
C’est pour cette raison que je commence mon travail qui s’est basé sur la
recherche de systèmes pliables. Les systèmes pliables sont caractérisés par
leur mise en œuvre rapide et leur démontage facile pour une réutilisation
ultérieure. Mais la plupart des applications dans le domaine architectural sont
limitées en raison de leurs instabilités. J’observe que le désir de transformation
de l’espace devient de plus en plus fort au fil du temps. Dans cette recherche,
nous développerons premièrement la présentation de l’ensemble des systèmes
pliables ou déployables pour comprendre les principes structuraux et leurs
compositions structurales en analysant certains exemples. Ensuite, nous
comparerons les différences entre ces types de structures pliables/ déployables.
Ainsi, nous pourrons avoir les connaissances de base pour comprendre leurs
caractéristiques et leurs applications.
Ensuite, j’analyserai, et expliquerai des recherches plus détaillées sur le
système de tenségrite, qui présente de nombreux atouts dans de multiples
domaines d’application.
Enfin, à la lumière de mes recherches sur l’existence de constructions
temporaires et de ces analyses, nous pourrons en déduire leurs avantages, et
leurs inconvénients, afin de proposer un nouveau type de structure.
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2 Présentation générale des systèmes pliables
2.1 Introduction
La plupart de systèmes pliables sont faciles à installer, démonter et transporter.
Grâce aux ces avantages, on comprend bien l’intérêt d’application de ces
systèmes présente depuis de longtemps et à travers le monde entier. Par
exemple les tentes, les yourtes (Fig. 2), les tipis (Fig. 1) [1], etc. Ces abris
mobiles, véritables maisons transportables, sont les plus anciennes formes de
structures pliables apparues sur Terre il y a fort longtemps, bien avant que les
peuples nomades ne se sédentarisent.
Figure 1 Tipis du nomade indien Figure 2 Yourte de Mongolie
Pendant des siècles, plusieurs structures déployables à petite échelle de travail
manuel ont été construites aussi, comme parapluies, chaises, éventails, le lit
pliant, etc. De plus, l’application dans le domaine aérospatial, comme
Deployable Space Antenna[2] (Fig. 3) et Solar panel deployment system [3]
(Fig. 4), qui se sont développés depuis les années 1960. En ce moment,
l’application dans le domaine militaire est également présentée et vaste.
L’objectif de cette application en architecture peut généralement se définir en
deux objectifs. Le premier vise à créer rapidement une construction
temporaire et dans certain cas, il peut se démonter facilement et se réutiliser.
Son adaptabilité importante pour changer sa forme selon notre désir ou le
changement d’environnement comme l’écart de température ou l’orientation
solaire, est le deuxième objectif de l’application en architecture.
Figure 3 Deployable Space Antenna of ETS-VII par JAXA,1975 Figure 4 Solar
panel deployment system par Seamus Curran, 2012
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2.2 La typologie de système pliable
Deux catégories générales de composants structurels ont été identifiées par
des experts dans ce domaine. D'une part, les composants rigides
déployables et d'autre part les composants déployables déformables. Ces deux
types principaux ont été utilisés comme un point de départ afin de créer un
ensemble de typologies mineures (y compris les classes et sous-classes)
proposant un fort potentiel pour la conception architecturale. D'autres
typologies structurelles ne peuvent pas être classées dans ces deux principaux
types existants, ainsi on parle de composants déployables flexibles ou encore
de composants déployables combinés.
2.2.1 Composant déployable rigide
Grace à sa durabilité, le composant déployable rigide est considéré comme
application la plus présente dans le domaine architectural. 3 types de
conception ont été développes
2.2.1.1 Latticework
Ce type de système devrait avoir une surface minimum pour se déployer et
s’enrouler.
Le première type est Le NASA Type Cubic crée par Alan L. Britt et Haresh
Lavani[4]
Ce type de structure (Fig. 5) est innové par Alan Britt pour le NASA en 1997
dans le studio de morphologie à l’institut Pratt d’architecture à New York. La
méthode de conception est solidement basée en Cristallographie symétrique.
Figure 5 deployment sequence of NASA’s Pactruss geometry model
Le 2ème type est le Rolling Bridge (Fig. 6) développé par Le Studio
d’Heatherwick. [5]
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La structure entière de ce pont a été construite à Littlehampton Welding sur la
côte du Sussex puis flottait sur le Grand Union Canal.
Figure 6 Trois phases de déploiement,2005
Le prototype de la structure de ce pont est une structure en treillis. (Fig. 7a)
Les concepteurs ajoutent une barre hydraulique dans cette structure en
fournissant l’autocontrainte afin de déployer cette structure. (Fig. 7b) Utiliser
le nœud mobile nous permet de déployer le pont quand le bateau le traverse.
(Fig. 8)
Figure 7a Schémas de structure en treillis Figure 7b Schémas de structure de Rolling bridge
Figure 8 Comparaison de 2 phase de Rolling bridge
Dans la composition d’éléments structurels, celle qui présentele plus
d’importance est le typologie d’articulation (Fig.9). Il exite trois
typologies différentes qui permettent d’enrouler et stabiliter le système
déployable. (Fig. 10)
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Figure 9 Composition d’éléments structurels.
nœud 1 nœud 2 nœud 3
Figure 10 Trois type d’arcifications de Rolling Bridge.
2.2.1.2 Ciseaux
Ce type de structure pliante se présente fréquemment dans notre vie, comme
par exemple la chaise pliante, elle est constituée de deux cadres en bois
mobiles reliés par un pivot. Ce qui est la première structure simple de ciseaux.
Les chaises pliantes ont été utilisées il y a plus de 4000 ans dans l'Egypte
ancienne. (Fig. 11) Dans ce type de construction, il suffit souvent d’une pièce
simple pour construire une forme variée.
Figure 11 chaise egyptien ancien
Sur la Fig. 12, nous pouvons voir deux formes de constructions déployables
qui ont les extensibilités differentes à cause de différentes connections. [6]
Figure 12 deux configurations de structure conçues par Chuck Hoberm
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Grâce à sa simplicité de système de construction, à l'aide des pivots, il est
appliqué dans de nombreux domaines. En plus d'être polyvalent, il est aussi
durable.
2.2.1.3 Solid surface
Ce système déployable se compose de panneaux rigides pour connecter. Ils
sont populaires dans le domaine architectural et industriel. Ces panneaux
verticaux solides glissent sur des rails et créent des espaces flexibles sont la
forme base de ce mécanisme. Il existe 2 types que nous pouvons observer dans
le domaine de l’architecture.
Le 1ème type est Push Button House 1(Fig. 13) conçu par Adame Kalkin [7]
C’est un bâtiment qui peut se déployer en 6 parties par la pression d’un
bouton. La séquence d'ouverture synchronisée utilise huit vérins
hydrauliques pour déplacer tous les plans latéraux du conteneur d'expédition
en moins d'une minute, en laissant des éléments fixes, seulement le plan haut
et en bas et les quatre poteaux d'angle. Les deux longs côtés du conteneur
roulent, triplant l'empreinte de la zone d'habitation principale. Les deux
extrémités de déployer de deux manières différentes : l'une ouvre comme
porte pivote et l'autre étend le plan du plancher et du plafond
horizontalement.
Figure 13 déployablement de Push Button House
Le 2ème type est Bengt Sjostrom Starlight Théâtre conçu par le Studio
d’architecture de Gang en 2003. [8]
Le toit facettes se compose de panneaux en acier inoxydable revêtant des
poutres triangulées en lamellé-collé. En utilisant de câble électrique, le toit se
ferme en seulement dix minutes. (Fig. 14)
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Figure 14 Rotation par force motrice élétricique
2.2.2 Composant Flexible
Les composants déployables rigides passent par déformation négligeable
au cours du déploiement, contrairement aux types déformables, les structures
de ce nouveau groupe subissent une déformation d'une manière fluide et con
trôlée. Ceci provient de la nature même, leur structure, de ces composants
semi-rigides qui ne peuvent fléchir dans des directions définies.
2.2.3 Composant Combiné
Ce groupe est composé par les éléments qui se composent de différents
éléments structuraux, et qui peuvent contenir des parties rigides, déformables
ou flexibles.
Après ces recherches sur les familles de systèmes pliables, leurs avantages de
mise en œuvre facile nous permettent de répondre au besoin du bâtiment
temporaire, et en même temps son adaptabilité importante selon le désir de
fonction ou la réorganisation lui permet de s’appliquer dans le domaine
d’équipement sportif ou dans la façade du bâtiment. A cause de leur famille
de catégorie diverses, leur articulation doit être diverses pour correspondent à
l’usage de leur système pliable propre. Dans l’analyse de familles de systèmes
pliables, il nous manque à présent l’étude de la partie de recherche sur l’usage
d’articulation. Ceci nous permettra de développer la possibilité d’application
sur l’architecture. Autrement, il existe certains livres ou recherches qui
définissent la catégorie par une autre méthode de recherche. Par exemple selon
les composants de systèmes pliables.
Observation :
Selon l’études de référence bibliographie, Le câble est un élément important
me semble qu’il a capacité de contrôler le changement de la forme, et de la
rigidité du globe de tenségrite. L’étude de l’influence de câble nous permet de
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varier les propriétés physiques selon notre désir, ce qui peut être appliqué dans
de nombreux projets tels que ceux que nous allons vous présenter par la suite.
2.3 Type de la structure assemblée par les cellules pliables : Casa Umbrella
conçu par l’agence de Kengo Kuma [9]
C’est un projet qui est conçu par l’agence de Kengo Kuma. Sa conception
est à la base d’utilisation des matériaux simples et léger en forme de dôme
géodésique pour construire un logement temporaire. Cette "Casa Umbrella"
est composée par plusieurs parapluies se reliant par zip. (Fig. 15)
Lors d’un jour de pluie, il devient un abri de la pluie. Lors d’un beau jour, il
devient un petit arbre en ouvrant une fermeture éclair pour apporter une
lumière naturelle et une douce brise. (Fig. 16, 17) Cette structure simple
nous permet de s’installer rapidement en transformant les parapluies.
Figure 15 assemblage de parapluies
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Figure 16 assemblage de parapluies
Figure 17 ses compositions de joint
Observation : Selon les exemples de constructions temporaires, grâce à leurs
facilités de transport, et d’installation, ils sont plus appliqués dans le domaine
de refuge ou pour les équipes militaires. Par contre, de par leur légèreté, la
plupart des applications ne sont pas très stable face au vent ou la neige pour
s’adapter à différentes situations dures. Et aussi, pour réduire le poids et
simplifier la structure pour installer, dans certains cas, ils sont conçus sans
réfléchir à l’échelle de l’isolation thermique. Ce qui limite leurs utilisations.
Finalement, la réutilisation de ce type de construction n’est pas négociable
pour réduire l’impact de l’environnement.
Nous pouvons donc remarquer que le système de parapluie est plus simple et
plus adaptable à la possibilité de l’application de la tente.
3 Expérimentation :
3.1 Choix de type de système
Dans le cas avant, KENGO KUMA a utilisé le modèle du Dôme géodésique
par des parapluies. Nous pouvons remarquer plusieurs points remarquables
selon cette structure.
-Assemblage facilement par les cellules de parapluies déployable.
-Relativement stable grâce à sa géométrie
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3.2 Dôme géodésique(icosaèdre)
3.2.1 Introduction
Le dôme géodésique est développé par B. Fuller dans les années 50, le type
de dôme géodésique est formé par les triangles pour remplir principalement la
sphère. (Fig. 18)
Figue 18 Icosaèdre
Après B. Fuller, Makowski.Z.S (1984) a dessinée 4 type de différence dôme
(Fig. 18a) selon le type de géométrie de dôme. Donald Richter (1984) a fait
la recherche afin de les comparer en utilisant la même situation : les mêmes
nombres de joints, les mêmes dimensions et la même charge morte, etc. [10]
Le tableau nous montre, dans la même situation, le modelé géodésique a plus
performance de résidences à la charge. Le dôme géodésique est relativement
plus stable, il économise plus de matériaux qui répond notre attente. (Fig. 18b)
Figue 18a Type Schewdler Type lattice Type lamellaire Type géodésique
(déssiné par Makowski, 1984)
Figue 18b tableau de calcule de charge de 4 types de dôme (par Donald Richter,1984)
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3.2.2 Fréquence
Tels quels, ces volumes sont encore trop anguleux et pour des espaces assez
grands, les longueurs de montants seraient trop importantes. C'est pourquoi
nous diviserions ces arêtes en parties égales.(Fig. 20) Nous
nommons fréquence le nombre de divisions de chaque arête du polyèdre de
départ. Nous recréons de petits triangles à l'intérieur de chaque face.
Autrement, quand la fréquence est plus proche la sphère, la répartition de
forces est plus équilibre, celui rende la structure plus stable, mais, le nombre
de barres vont augmenter. (Fig. 21)
Figue 20: Fréquence 1 : 1 triangle (départ) ; fréquence 2 : 4 triangles
fréquence 3 : 9 triangles ; fréquence 4 : 16 triangles
Figue 21 : la géométrie de fréquence 2, 3, 4, 5 en différent pourcentage de sphère (Source :
http://freedhome.x10.mx/forme.php)
Le dôme de F3 en 5/8 de sphère est relativement moins anguleux, et mois de
barre, ce qui réponds mon but de départ afin d’économiser les matériaux.
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3.2.3 Géométrie de dôme géodésique de F3 en 5/8 de sphère
La composition de barre de F3 en 5/8 de sphère a 3 types différents, dans la
figue, la couleur en rouge(A), en bleu (B), en verte(C) représente les différents
types de barres. (Fig. 22)
Figue 22 répartition de typologie des barres en plan
Nous avons 165 barres dans l’ensemble de la structure. Par rapport de nœuds
dans la structure, nous avons 3 types différente de nœuds, le nombre de nœuds
est 61. Et nous avons 105 surface de triangles.
Nœuds :61
- 15x4-direction
- 6x5-direction
- 40x6-direction
Barre :165
- Ax30
- BX55
- CX80
Surface :105
A-A-BX30
B-C-CX75
Selon le calcul, nous pouvons avoir la dimension quand notre Diamètre=R,la construction de Hauteur=59.38%R
3.3 1ème expérimentation
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Dans cette expérience, je choisis la barre en bois avec les joints métallique afin de faire la 1ème expérimentation. Dans ce cellule, nous avons 2 types de joints pliables principaux. (Fig. 23) Le sommet de cellule connecte avec 6 barres. (Fig. 24) En milieu de barre au bas, nous avons un joint de pivot qui nous permet de déploiement. Ce cellule a 2 types de déploiement qui nous permet de varier le mode de stockage si nous avons besoins. (Fig. 25)
Figure 23 le schéma de composition et deux types de joints principaux
Figue 24 plan de sommet de cellule
Figue.25 La cinématique de cellules
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Résultats et Analyse : Pendant cette expérience, nous pouvons observer plusieurs points
remarquables. 1. En ajoutant la force au sommet de cellule, les joints au bas sont retournés
à cause d’un joint pliable.
2. Instable de joints roulant, le système de control des joints est obligé qui
nous permet de s’arrêter la possibilité de roulant des joints. Nous pouvons
voir le Figue, nous avons trop de liberté de l’angle roulant, celui est la raison
d’instabilité de l’ensemble du système. (Fig. 26)
Figue.26 la cinématique de sommet de cellule 3. Dans cet abri, nous avons nombreux des éléments libres qui mère à la
faiblesse de l’ensemble de structure.
4. l’angle spécial de joints qui se relie avec deux types de parapluie. (J’avais
le fait comme le forme de l’hexagone)
Le temps de fabrication de ce cellule m’a appris 2 jours, nous pouvons donc
calculer si nous avons besoins de fabriquer un dôme entier, nous devrions faire
au moins de 2 semaines à la main.
3.4 2ème expérimentation
Pris les expériences de la première
expérimentation, afin de simplifier
la cellule des dromes, tous les
triangles d’hexagone approchent le
pentagone en formant un cellule
principe. (Fig. 28) A partir ce
cellule, nous développons 3
typologies en réduisant les
triangles. (Fig. 27) Tous les
cellules peuvent être plié afin de
diminuer l’espace de stockage et la
pression de transport. Figue.27 Mode de déploiement
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Figue.28 Plan de l’ensemble de dôme
Limite de ce forme :
Comme la première expérimentation, l’ensemble de la structure est encore
un peu fragile. Il se bouge facilement par toucher la somme de cellule.
Comme la configuration, quand nous avons rencontré la force au sommet, le
dôme va être déformé facilement. 6 sommets à coté se déplacent vers le
sommet à haut. (Fig. 29)
Figue.29 déformation après ajouter une force
Mode d’aménagement : à partir les travaux de Buckminster (Fig. 30), nous
ajoutons les barres métalliques au sommet des celles
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Figue.30 Palais des sports de paris développé la conception de Buckminster par Pierre Dufau en 1959
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Nous pouvons observer que la déformation de l’ensemble de dôme est moins
visible dans le Fig. 31
Figue.31 déformation après l’aménagement de structure
La barre métallique charge une partie de force et la transmettre vers le sol, ce
qui réduire le niveau de déformation de dôme. En même temps, les sommets
est fixé par la liaison des barres métaux,
Autrement, c’est génial en ajoutant les barres pour créer les triangles. Mais
le niveau de production se rend plus compliqué et nous n’avons pas besoins
forcément les cellules car c’est les barres qui se charge les forces.
3.5 3ème expérimentation
À écrire
4 Conclusion
À écrire
5 Bibliographie
[1] EL SMAILI, Ali (2004) Système légers pliables/ dépliables : cas des
systèmes de tenségrité, Programme d’étude. Th. doct. : Mécanique, Génie
Mécanique, Génie Civil : Poitiers : Univ. Montpellier II
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[2] http://space.skyrocket.de/doc_sdat/ets-8.htm
[3]Seamus curran (2015), Portable, self-sustained solar deployment,
University of Houston
[4]Alan L. Britt, Haresh Lalvani (2000), Symmetry as a Basis for
Morphological Analysis and Generation of NASA-Type Cubic Deployables.
[5]http://www.heatherwick.com/rolling-bridge/
[6]Esther Rivas Adrover(2015) Deployable Structures . London: Laurence
King
[7]http://www.peteraaron.net/gallery.html?gallery=Push%20Button%20House&am
p;folio=#/0
[8]http://www.archdaily.com/28649/bengt-sjostrom-starlight-theatre-studio-gang-
architects
[9]http://kkaa.co.jp/works/architecture/casa-umbrella/
[10]RICHARD DUPERE Ing(1994), Conception d’un dôme géodésique pour
des réservoirs à lisier, Université Mc Gill, Montréal Campus Macdonald, St-
Anne de bellevue