7.2_Article Marseille 2009-MuCEM structure SICA_2 - Ductal

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, FranceMusée des Civilisations de l’Europe et de la Méditerranée (MuCEM)Conception de la Structure utilisant largement les BFUPRudy RICCIOTTIArchitecte DPLGBANDOLFranceJacques PORTELATINEIngénieurArts & métiers – CHEBAPPDG du BET SICA SASociété d'Ingénieurs Conseils AssociésMarseille et Tours - FranceFlorence NICOLASIngénieurINSA StrasbourgBET SICA SASociété d'Ingénieurs ConseilsAssociés Marseille - FranceRésuméA la suite du concours de maîtrise d'œuvre international lancé en 2002 par le Ministère de laCulture assisté par l'EMOC, l'équipe lauréate dont l'architecte Rudy RICCIOTTI est le mandatairea été chargée de la conception et de la réalisation du MuCEM sur le môle J4 à Marseille.Le parti architectural retenu est de réaliser un bâtiment à la structure résolument moderne,audacieuse et soucieuse du développement durable en privilégiant l'usage des BFUP (Béton Fibré àUltra hautes Performances) pour constituer les principaux éléments de la structure: poteauxarborescents, poutres de planchers de grande portée, résilles en façade et en toiture, passerelle deliaison avec le fort Saint Jean.Keywords: Musée, modélisation, structure, béton fibré à ultra hautes performances (BFUP),poteaux, poutres, résille, passerelle, précontrainte.Image virtuelle du MuCEM (Agence RICCIOTTI)1. Introduction1Principe de structure (Agence RICCIOTTI)Sous la direction de l’architecte Rudy RICCIOTTI, l'équipe de maîtrise d'œuvre a conçu unbâtiment dans lequel se retrouvent de nombreuses techniques innovantes dans le domaine de lastructure en faisant une large part à l'utilisation des bétons fibrés à ultra hautes performances(BFUP). La stabilité de l'ouvrage situé en bord de mer, en zone exposée, doit être assurée au vent,et au séisme par anticipation sur le nouveau zonage sismique de la France.L'objectif du projet est de tirer le meilleur parti architectural et constructif possible des formidablescaractéristiques mécaniques offertes par les BFUP. Outre la recherche et le développement deméthodes et de moyens de calcul appropriés au dimensionnement des éléments de structure enBFUP, il a fallu faire un gros travail de recherche sur la façon de les intégrer à la structure dubâtiment du fait de l'obligation actuelle de les préfabriquer. Le souci de légèreté de la structure seretrouve également dans les passerelles suspendues à des potences appuyées sur la terrasse, quitournent en hélice autour du cube du musée.

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and Development2. Description sommaire de la structure.2.1. Fondations et sous-sols.Le sol du môle J4, sur lequel est implanté le MuCEM, est constitué de remblais médiocres quirecouvrent le substratum stampien, dont le toit est en pente sensible vers la mer située au Sud Est.Le niveau de la nappe se situe à une profondeur comprise entre 0,50 et 1m environ par rapport auterrain fini.Paroi moulée périphérique et pieux avec radier porté. Membrane d'étanchéité sous radier et sur lesparois avec traitement étanche de la reprise radier /parois. Doubles parois drainées et ventilées enradier et sur les parois périphériques pour capter les fuites éventuelles et éviter l'humidité dans lessous-sols à usage d'Auditorium, d'ateliers et de locaux de stockage pour les oeuvres, et de locauxtechniques.L'interposition d'une épaisseur de 50cm de blocs de rétention d'eau entre le radier et la dalle bassedu sous-sol permet d'incorporer des caniveaux techniques, des réseaux et des puisards, et de créerun volume de stockage d'eau conséquent en cas d'incident.Principe de fondation du MuCEM+2,40NGFParoi moulée périphériqueRadier-4,20-5,40NGFSondagesSP3 -2,10 NGFSC3 -5,10 NGFToit du substratum stampienPieuxSondage3058 -12,40 NGF2.2. Plancher haut du sous-sol.Suivant les portées, dalles pleines avec prédalles possibles (non suspendues), dalles alvéolairesclassiques avec table de compression, poutres BFUP accolées de grande portée sur l'Auditorium, demême section que celles des étages du musée.2.3. Cube Musée en élévation2.3.1. Poteaux arborescents en BFUPPoteaux de forme organique dessinés par l'architecte dans lesquels s'inscrivent les poteauxstructurels. Les poteaux passent devant les poutres de rives des planchers et reçoivent de ce fait descharges excentrées qui les font travailler en flexion composée flambement.L'assemblage des poteaux entre eux et avec le radier et les poutres de rives des planchers est réalisépar une précontrainte par post-tension qui sert aussi à augmenter la résistance en traction du BFUP.Des excroissances en forme de départs de branches disposées en tête et en pied des poteaux BFUPreçoivent les ancrages des câbles qui sont tous de type actif.2

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, FranceLa stabilité au feu requise pour les poteaux est de 1h30.Dans le concept d'origine, les poteaux arborescents assurent à la fois la descente des charges et lecontreventement des façades dans leur plan, en utilisant des groupes de poteaux formant des N, desV et des W.En cours d'étude, il a été décidé de rendre le bâtiment antisismique, par anticipation sur la parutiondu nouveau zonage sismique de la France, qui classera Marseille en zone à faible sismicité avecune accélération de référence de 0,7 m/s².Les calculs statiques de dimensionnement des éléments BFUP sont conduits en utilisant lesrecommandations provisoires AFGC/SETRA de janvier 2002. Au stade de la conception, afin delaisser la consultation le plus ouverte possible, nous utilisons une loi de comportement non linéairefictive obtenue à partir des caractéristiques les plus basses des 3 BFUP français existantsactuellement: DUCTAL (LAFARGE), BSI (EIFFAGE) et BCV (VICAT/VINCI).Pour les calculs sismiques, en l'absence de document de référence sur les structures utilisant desBFUP, et en concertation avec le bureau de contrôle APAVE et le CSTB, il a été convenu de menerles etudes en restant dans le domaine élastique pour les BFUP et en assurant le contreventementdes façades par des croix de Saint-André métalliques avec les hypothèses suivantes:• Calcul suivant les règles 92• Zone sismique Ia• Bâtiment de classe C• Site S1• Coefficient de comportemant q=1• Amortissement 2% pour le BFUP• Coefficient partiel de sécurité aux ELUa γ bf = 1.3 (au lieu de 1,05)Modèle de calcul tridimensionnel statique et dynamique sur le logiciel SCIA ESA PTExemple d'un Bloc d'angleLes calculs statiques de dimensionnement des poteaux ont été ménés en non linéaire en prenant encompte à la fois la loi de comportement du BFUP. Les noeuds sont déplaçables pour figurer leflambement en introduisant un défaut de forme.Les essais en vraie grandeur réalisés au CSTBsur 3 poteaux droits et 3 poteaux en Y (1 droit et 1 Ydans chacun des 3 BFUP français) chargés avec un excentrement de 225 mm (voir articleCSTB/SICA), ont permis de qualifier les 3 BFUP et de montrer le côté raisonnablement conservatifdu calcul et la faible influence du flambement.3

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and DevelopmentPrincipe de liason des poteaux BFUP avec la structureExemples de poteaux Y4

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France2.3.2. Poutres de planchers de longue portée en BFUPDes poutres en I accolées de 22,65m de portée constituent les planchers des salles d'exposition dumusée.En zone courante, elles supportent sur leur face supérieure un faux plancher qui sert au passage deréseaux (courants foirts et faibles) et au traitement d'air par un soufflage en vrac et des bouches deventilation qui peuvent être déplacées en fonction des la muséographie. La forme arrondie de leursous-face sert au traitement de l'acoustique, à l'incorporation de l'éclairage et des gaines dedésenfumage, au supportage du grill et permet de suspendre des oeuvres.La charge d'exploitation sur le dessus est de 500 daN/m² uniforme et permet d'accepter en toutpoint des charges concentrées poinçonnantes: isolées de 1000 daN et la circulation d'un transpalettede 3000 daN ou d'un plateaux roulants de 4000 daN.La charge d'exploitation suspendue en sous-face est concomitante. En plus du poids du matérielfixe (50 daN/m² uniforme) elle permet de suspendre ponctuellement des charges de 500 daN.Les poutres sont préfabriquées et précontraintes par pré-tension de fils adhérents. Elles n'ont pasd'armatures passives sauf pour les liaisons aux appuis. La précontrainte est dimensionnée pour êtrecentrée sous charges quasi permanente de façon à éviter les courbures de fluage.Le dimensionnement de la section des poutres élémentaires, permet de respecter une fréquencevibratoire supérieure à 3 Hz sous charges quasi-permanentes.Les poutres du plancher terrasse, plus sollicitées que les poutres courantes du fait du supportage dela charpente métallique porteuse de la résille de toiture ainsi que des potences auxquelles sontsuspendues les passerelles périphériques, ont le même coffrage avec une précontrainte renforcée.5

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and Development7103 1,20731070Les poutres juxtaposées sont solidarisées entre elles par une liaison béton armé de la tablesupérieure réalisée avec un béton fibré C 60/70, pour assurer la continuité du plancher et sonfonctionnement en membrane.Pour des raisons architecturales, la hauteur des poutres de rives qui reçoivent les poutres BFUP desplanchers, est limitée à 50cm. En conséquence, les extrémités des poutres BFUP côté façades sontreduites à 34 cm de hauteur et l'âme est élargie à 25 cm pour passer l'effort tranchant.La liaison aux appuis des poutres BFUP des planchers, dans les poutres de rives des façades d'unepart et dans les voiles porteurs d'autre part se font par des aciers HA laissés en attente dans lespoutres BFUP.Le plancher ainsi constitué doit être coupe feu 1h30. Le BFUP doit être formulé feu. L'enrobagedes aciers du talon qui reste apparent en béton brut, et la nature du matériau absorbant acoustiquequi garnit les alvéoles permettent de remplir cette fonction.2.3.3. Résille BFUP en façade et en toiturePlaques ajourées ou brins entrelacés suivant dessin de l'architecte disposées devant les façades Sudestet sud-Ouest et au dessus de la toiture. Éléments de dimension 6x3m² juxtaposés de façon àobtenir un dessin aléatoire.Principe de juxtaposition aléatoire des panneaux de résille6

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, FranceRésille de façade autoporteuse appuyée sur les fondations et maintenue horizontalement par destangons bi articulés en appui sur les montants du mur rideau du cube Musée. Les éléments derésille sont munis de douilles filetées préscellées qui permettent de les fixer sur des "mains" à 4doigts par boulonnage avec interposition de rondelles en polyuréthanes qui ont pour rôle derattraper les inégalités d'état de surface et de permettre une certaine liberté de rotation afin de nepas induire d'efforts parasites.Douilles filetées scellées aucoulage avec gabaritRondelles enpolyuréthaneJoint de CardanDÉTAIL DE FIXATION DE LARÉSILLE SUR LES TANGONSRésille de toiture supportée par une ossature métallique. la compatibilité des déformations entre leséléments de résille et la charpente est assurée par l'interposition de ressorts polyuréthanes dont laraideur est dimensionnée pour ramener les flèches différentielles à des valeurs admissibles.2.4. Passerelle entre le MuCEM et le Fort Saint Jean.Passerelle piéton à 3 travées à garde-corps porteurs, de 21,10; 67,65 et 30,45m, de portée composéede voussoirs en BFUP assemblés par précontrainte par post tension pour former un ouvragecontinu, rectiligne en plan et légèrement cintré vers le haut en élévation. Platelage en dalles deBFUP avec des raidisseurs en croix de Saint-André, clavé sur les voussoirs pour former la poutrede contreventement horizontale.7

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and DevelopmentPlan d'ensemble de la passerelle – Vue en plan et élévationLe mode opératoire proposé pour la mise en œuvre de la passerelle est le suivant:La travée centrale, dont les appuis sont à 13 et 16,50m au-dessus du sol, est assemblée à terre surune forme qui donne la courbure dans le plan vertical. La membrure inférieure est partiellementprécontrainte et les membrures supérieures sont entretoisées par une structure provisoire. Elle estensuite levée par deux grues qui la mette en place sur ses appuis situés sur le MuCEM d'une part etsur le Fort Saint Jean d'autre part.Les deux travées de rive sont assemblées à leur emplacement final, sur la terrasse du MuCEM etsur la Place d'Arme du Fort Saint Jean, à l'aide de formes en échafaudages.Une fois le complément de précontrainte inférieure et la précontrainte supérieure appliqués, les 3travées sont solidaires et opérationnelles, et les travées de rives sont décintrées.Les degrés de liberté des appuis sont fixés pour permettre la dilatation de la passerelle et assurer sastabilité au vent et au séisme.8

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France2.5. Passerelles suspendues autour du cube du musée.Passerelles à ossature métalliques avec platelage bois, suspendues en cascade sur 4 niveaux à despotences portées à l'aide de profilés de répartition par le plancher terrasse en poutres BFUP.Le plancher terrasse accessible comporte des dalles sur plots. Il est isolé et étanché par le dessus enenveloppant les profilés de répartition des charges des potences qui sont fixés sur des inserts inoxnoyés dans les poutres BFUP du plancher et dans les poutres B.A. de rives. Des appuis néoprènesservent de rupteurs de ponts thermiques aux interfaces.Les tronçons de passerelle sont stabilisées perpendiculairement aux façades par des bracons biarticuléesfixés sur les montants du mur rideau du musée. Des points fixes longitudinaux ettransversaux sont créés au niveau des paliers de liaison avec les planchers à l'aide de triangles destabilité formés par deux bracons ancrés sur les poutres de rives. Le système de contreventementhorizontal est conçu pour accompagner les déplacements verticaux des passerelles induits par lesflèches des consoles supports et l'allongement des suspentes sous l'effet des charges et desvariations de température. Les paliers, articulés aux appuis, servent à rattraper les légèresdifférences de niveaux entre les planchers du musée et les passerelles.9

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and Development2.6. Assurabilité du bâtiment.L'assurabilité du bâtiment passe par l'obtention d'une ATEX de conception et de plusieurs ATEXde réalisation.du fait de sa spécificité et du nombre de techniques innovantes qu'il regroupe,notamment autour de l'emploi du BFUP.10