Formation continue : Terre battue

DL-Atelier a conçu le musée d'art de San Bao Peng près de Jingdezheng, en Chine, comme un complexe de 300 pieds de long sur 27 pieds de large défini par des murs d'enceinte en pisé. Les galeries sont enfermées dans des volumes recouverts de titane et de zinc.

Photo © Haiting Sun

DL-Atelier a conçu le musée d'art de San Bao Peng près de Jingdezheng, en Chine, comme un complexe de 300 pieds de long sur 27 pieds de large défini par des murs d'enceinte en pisé. Les galeries sont enfermées dans des volumes recouverts de titane et de zinc.

Photo © Haiting Sun

Au lieu de formes de feuilles de contreplaqué, les murs du musée ont été coulés dans des planches orientées horizontalement pour donner une texture supplémentaire à la surface de la terre battue.

Photo courtoisie DL-Atelier

Image reproduite avec l'aimable autorisation de DL-Atelier

Spring Ranch, près de Hollister, en Californie, a de gros murs en pisé d'une épaisseur de 24 pouces.

Photo © Joe Fletcher

En conjonction avec le chauffage et le refroidissement par rayonnement des sols en béton, la masse thermique fournie par les murs en terre battue aide à maintenir des températures intérieures confortables.

Photo © Joe Fletcher

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Feldman Architecture

SmithGroupJJR a imaginé un mur en terre battue de 20 pieds de large et 19 pieds de haut comme point central d'un immeuble de bureaux de Santa Clara, en Californie. L'élément de 10 tonnes est composé de quatre segments fabriqués hors site à Napa.

Photo © Michael David Rose Photography, courtoisie SmithGroup JJR

Formation continue

Il serait difficile d'imaginer un matériau de construction plus élémentaire que la terre battue. Produit en comprimant un mélange de terre sablonneuse en formes, les premiers exemples de la technique survivent sur des sites archéologiques vieux de 7 000 ans en Chine. La méthode de fabrication des murs, avec ses couches de couleurs et de textures riches, est redécouverte par les architectes qui la font entrer dans le 21ème siècle avec des mélanges raffinés et une technologie innovante.

Lorsque l'architecte Lui Yang, directeur de la société pékinoise DL-Atelier, a conçu le design du musée d'art de San Bao Peng près de Jingdezheng, en Chine, il a imaginé une forme fortement géométrique qui émergerait du sol en contraste avec le paysage montagneux bucolique environnant. Achevé en 2017, le musée de 300 pieds de long sur 27 pieds de large, qui se concentre sur les célèbres céramiques de porcelaine de la région, est défini par des murs en pisé de 12 pieds de haut. Dans l'enceinte, les architectes ont aménagé des cours et des galeries sur plusieurs niveaux et ont surmonté la composition d'une série de volumes à ossature d'acier revêtus de titane et de zinc.

L'architecte a choisi une palette "géologique" de travertin et d'ardoise en plus du pisé. Les finitions sont durables mais sont destinées à enregistrer l'usure due au contact humain et aux intempéries au fil du temps. Alors que la forme est nettement linéaire, Lui dit qu'il voulait encourager les visiteurs à traverser les espaces de manière organique afin que leur progression soit une série d'options et de découvertes fortuites. Il existe plusieurs points d'entrée possibles, un à chaque extrémité et un autre par une large ouverture dans un mur latéral qui comprend un plan d'eau et des marches en travertin.

Le matériau de base de la terre battue - une pierre moulue extraite localement - est le même ingrédient fondamental que l'on trouve dans la porcelaine de la région. Les matériaux aux teintes rouges de pierre, d'argile et de limon pour les murs provenaient d'une colline voisine. Dix maquettes grandeur nature, conçues pour servir d'éléments paysagers permanents, ont été réalisées pour tester différentes combinaisons d'agrégats (pierre concassée, gravier et sable) ainsi que des détails d'étanchéité. Parce que le climat local est quelque peu pluvieux, le pisé comprend environ 8% de ciment Portland. La terre battue dite « stabilisée » contient environ 5 % à 10 % de ciment, soit environ la moitié de la quantité contenue dans un mélange de béton typique, ce qui la rend plus solide et plus résistante aux intempéries.

Bien que le ciment Portland améliore la durabilité, le pisé ne tient pas bien en contact direct avec le sol. Par conséquent, les architectes ont utilisé du béton pour les fondations et les niveaux souterrains du bâtiment avec un socle revêtu de travertin au niveau du sol. Pour soutenir les en-têtes de plusieurs grandes ouvertures qui encadrent les vues du paysage, ils ont encastré des poutres en acier dans le pisé. Et pour créer un détail de finition élégant, ils ont recouvert les murs et les seuils de plaques de recouvrement en acier inoxydable, elles-mêmes recouvertes de travertin.

Les murs ont été construits selon un processus similaire à celui utilisé pour le béton coulé sur place, avec des grilles de barres d'armature pour le renforcement. Le coffrage a été mis en place en une série de levées et déplacé verticalement à chaque coulée successive. Au lieu des formes de feuilles de contreplaqué les plus courantes, DL-Atelier a choisi des planches de 8 pouces de large placées horizontalement pour donner une texture supplémentaire à la surface des murs. Le sol a été placé à l'intérieur des coffrages en couches avant compactage avec des dameuses pneumatiques. La méthode reproduit essentiellement la façon dont la roche sédimentaire est fabriquée dans la nature : la compression intense et des ingrédients comme l'argile, qui agissent comme des liants, fusionnent les éléments. La densité semblable à la pierre qui en résulte le distingue des matériaux à base de terre plus tendres tels que l'adobe.

De l'autre côté de l'océan Pacifique près de Hollister, en Californie, une maison de vacances à deux étages de 6 500 pieds carrés de Feldman Architecture, basée à San Francisco, s'appuie sur une stratégie similaire consistant à ancrer le bâtiment au site avec d'énormes murs en pisé. Dans ce cas, trois murs concentriques légèrement incurvés, d'une hauteur de 20 pieds, correspondent aux contours de la colline où se trouve la maison et forment une armature dans laquelle les espaces de vie à ossature d'acier et de bois sont entrecoupés.

La maison, connue sous le nom de Spring Ranch, est LEED Or et à énergie nette zéro, et le pisé joue un rôle important dans sa stratégie de conservation. Les murs en pisé non isolés, combinés aux sols en béton, fournissent une masse thermique abondante pour le chauffage et le refroidissement solaires passifs. Dans le climat méditerranéen de l'intérieur de la Californie, les chaudes journées d'été font du refroidissement le principal problème thermique de la maison, explique Jonathan Feldman, directeur de l'entreprise. Cependant, les nuits relativement fraîches - avec des températures qui chutent dans les années 50 même en juillet et août - offrent des conditions idéales pour rincer la masse thermique et stocker l'énergie de refroidissement à utiliser pendant la journée. En plus de ces stratégies passives, la maison dispose d'un réseau photovoltaïque monté sur le toit de 7,6 kilowatts qui satisfait tous ses besoins électriques. Un grand système solaire thermique fournit l'eau chaude sanitaire et chauffe le système de plancher radiant.

Comme le béton, la maçonnerie et la pierre, le pisé est un isolant notoirement mauvais - seulement environ R-2 pour un mur de 18 pouces d'épaisseur. Mais malgré les murs en pisé non isolés de Spring Ranch, lorsqu'ils sont modélisés comme un bâtiment entier, ils dépassent facilement les normes énergétiques californiennes en raison de la capacité de la structure à stocker et à transférer l'énergie thermique.

Cependant, des normes énergétiques plus strictes mises en place depuis l'achèvement de la maison il y a cinq ans auraient probablement exigé que les murs soient isolés, selon David Easton, le consultant en pisé du projet. Le code mis à jour présente une énigme pour les nouveaux projets - comment maintenir la durabilité de la terre battue et la continuité de la finition à l'intérieur et à l'extérieur. Une solution est une double paroi dans laquelle une couche d'isolant rigide est insérée. "Essentiellement, vous vous retrouvez avec deux murs en terre battue de 7 pouces de chaque côté de 4 pouces d'isolant rigide, une sorte de sandwich à la crème glacée", explique Easton. Le détail maintient une bonne masse thermique à l'intérieur. Mais, sous certains climats, explique-t-il, cela peut également interférer avec le transfert bénéfique de l'énergie thermique à travers le mur. Cela ajoute également de la complexité au processus de construction déjà à forte intensité de main-d'œuvre et augmente donc le coût.

Le pisé est le plus durable lorsque ses matières premières sont extraites du site ou de ses environs. Selon Feldman, une partie de la terre pour l'excavation de la maison Hollister a été incorporée dans le mélange. Mais pour obtenir des lignes de couleur horizontales distinctes, la plupart des composants ont été obtenus à partir de divers endroits à proximité et ont été extraits à différentes profondeurs. Une petite quantité de matériau d'Arizona a été utilisée pour créer les couches rouges les plus profondes des murs.

Cette variété d'ingrédients n'est pas inhabituelle dans les bâtiments contemporains en pisé, dit Easton. "Auparavant, il y avait 30 % d'argile et de limon et 70 % de sable et de gravier." Mais les mélanges sont devenus extrêmement nuancés et complexes, pour atteindre le niveau de performance et de qualité de finition que les architectes exigent maintenant, dit-il. Le terme "terre battue" est quelque peu impropre, car les ingrédients - pierre broyée, sable, limons et graviers - sont extraits de manière sélective et ne peuvent inclure aucune matière organique.

Comme le musée de Jingdezheng, les murs de Spring Ranch sont stabilisés avec du ciment. Mais, selon Easton, il est possible d'obtenir une résistance et une durabilité similaires sans additif, en fonction de la disponibilité de matériaux raffinés comme le granit concassé. Principalement parce que les consommateurs et les responsables du bâtiment se sentent plus confiants avec l'ajout de ciment, seul le pisé stabilisé est utilisé aux États-Unis. Le pisé non stabilisé est encore courant en Europe, ajoute Easton.

Les services de construction exigent souvent des tests spéciaux pour les matériaux alternatifs tels que la terre battue. Dans le cas de Spring Ranch, les responsables du comté ont suivi une directive pour les applications de béton non standard qui exigeait une capacité portante minimale de 2 000 livres par pouce carré (psi).

Les murs en pisé ne sont capables que de 800 à 1600 psi, mais comme ils sont souvent beaucoup plus épais que les murs en béton typiques, la capacité portante totale peut être aussi bonne ou meilleure. (En d'autres termes, la résistance par pouce carré peut être inférieure, mais il y a plus de pouces carrés de roulement que ce qui est fourni par un mur de béton typique de 8 pouces.) Après une série de tests adaptés aux caractéristiques spécifiques des murs de Spring Ranch, qui mesurent jusqu'à 24 pouces d'épaisseur, les responsables ont donné le feu vert, dit Feldman.

En plus des préoccupations concernant la capacité portante, il y avait aussi des contraintes sismiques puisque la maison est située à seulement quelques centaines de mètres de la faille de San Andreas. Les ingénieurs du projet ont spécifié deux cages (grilles) de barres d'armature pour chaque mur. Les charges de la structure du toit et des plaques de plancher sont transférées aux murs via des poutres de liaison en béton armé noyées dans les éléments en terre battue.

Jusqu'à récemment, la nature des murs en terre battue et leur processus de production limitaient leur utilisation aux projets où ils pouvaient être coulés sur place. Mais de nouvelles techniques de fabrication hors site ont rendu possibles d'autres applications. SmithGroupJJR a récemment fait d'un mur en pisé préfabriqué de 20 pieds de large et 19 pieds de haut le point central du hall principal du Stadium Tech Center à Santa Clara, en Californie, un immeuble de bureaux de six étages achevé en 2016 avec une coque conçue par la société Bay Area Arc Tec.

SmithGroupJJR a vu le panneau préfabriqué comme toile de fond parfaite pour la zone de réception de 25 pieds de haut, l'imaginant comme "une grande œuvre élémentaire, comme une peinture de Mark Rothko", explique le concepteur principal Matt Smialek. Mais, dans ce cas, le mur lui-même serait l'art, dit-il. Le panneau, qui conserve les couches stratifiées de terre battue coulée sur place plus traditionnelle, sert également à compenser la fraîcheur esthétique des sols en béton poli et des murs blancs élégants du hall. Les concepteurs ont encastré le panneau derrière un large cadre en chêne teinté, puis l'ont éclairé depuis le périmètre.

Bien que beaucoup plus léger que la terre battue conventionnelle, l'ensemble du panneau préfabriqué de 6 pouces d'épaisseur, fabriqué dans une usine de Napa, en Californie, pesait plus de 10 tonnes. Afin de permettre le transport et l'assemblage, l'installation est maintenue en place par un cadre de support en acier et composée de quatre segments de 22 pieds de long sur 5 pieds de haut empilés horizontalement. Parce qu'une plate-forme de stationnement ouverte est située sous le hall, la majeure partie du poids du panneau est suspendue à la structure en acier du bâtiment au-dessus, qui a été renforcée pour supporter la charge supplémentaire.

Les techniques de fabrication en usine, comme celles déployées pour le projet de Santa Clara, permettent un contrôle strict du mélange et du coffrage, ainsi que d'autres facteurs. Ils permettent de produire des dalles aussi minces que 3 pouces pour des utilisations telles que des panneaux muraux extérieurs. Cette évolution du mur porteur lourd au revêtement montre à quel point cette approche humble est venue dans sa longue histoire. Et de nouvelles applications continueront d'émerger. L'année dernière, plusieurs universités chinoises ont remporté le prix mondial d'architecture 2017 pour leur travail de remplacement de logements dans le village de Guangming ravagé par le tremblement de terre par des structures en pisé renforcé. À l'autre extrémité du spectre, Peter Zumthor a publié des plans préliminaires pour un ajout en terre battue au musée Beyeler à Bâle, en Suisse, qui a été conçu par un autre lauréat du prix Pritzker, Renzo Piano, et achevé en 1997. Compte tenu de l'abondance de la matière première et du besoin croissant d'ensembles de construction durables, on peut s'attendre à ce que les architectes repoussent encore les limites de la terre battue.

Objectifs d'apprentissage

1 Définir le terme "terre battue" et expliquer comment les murs de ce matériau sont généralement construits.

2 Discuter des défis structurels et réglementaires présentés par la construction en pisé.

3 Expliquer comment la masse thermique fournie par un mur en pisé peut contribuer à la stratégie de contrôle climatique d'un bâtiment.

4 Décrire les avantages des éléments en pisé fabriqués en usine.

Cours AIA/CES #K1802A

Pour obtenir des crédits CEU, lisez "Continuing Education : Rammed Earth" et répondez au quiz surcontinuingeducation.bnpmedia.com, ou utilisez notre application Architectural Record Continuing Education, disponible sur l'iTunes Store.