Entre les deux : une étude de matériau intercalaire pour les blocs de verre coulé imbriqués

Date : 29 août 2022

Les assemblages de verre coulé emboîtables sont une solution prometteuse pour les applications architecturales de verre coulé visant une transparence élevée et une structure réversible qui permet la réutilisation des composants en verre (Oikonomopoulou et al.,2018 ; Oikonomopoulou,2019b). Dans un tel système, un matériau intercalaire entre les éléments verriers est essentiel, pour favoriser la répartition homogène des contraintes et tenir compte des microaspérités de surface des éléments verriers. Vers la circularité, ce matériau doit être sec (et non un adhésif), permettant le démontage éventuel du système. Les travaux expérimentaux antérieurs de (Aurik et al., 2018 ; Oikonomopoulou et al., 2019b) se sont concentrés sur l'utilisation d'intercalaires PU et PVC comme candidats appropriés ; l'accent dans ces études a été uniquement mis sur les performances mécaniques du matériau intercalaire.

Cette recherche fournit un examen des matériaux candidats potentiels adaptés aux couches intermédiaires d'un assemblage de verre coulé à emboîtement basé sur un ensemble de critères de conception et de performance révisés qui sont divisés en primaires et secondaires. En outre, l'impact de leurs propriétés matérielles uniques sur l'application potentielle du système de verrouillage est examiné. L'ensemble du processus, de la fabrication à la construction de l'ensemble, basé sur un scénario de construction supposé, est présenté de manière à réagir en chaîne, dont le point de départ est l'intercalaire lui-même.

Après avoir défini les critères de conception auxquels l'intercalaire doit adhérer, les candidats proposés sont : des feuilles de PETG (Vivak®), du néoprène, de l'aluminium, du polyuréthane laminé (PU) et un intercalaire en aluminium à noyau souple. Les propriétés uniques et les défis de fabrication des cinq intercalaires proposés sont pris en compte, ainsi que leurs propriétés par rapport à l'assemblage, ce qui conduit au développement de deux séquences d'assemblage distinctes. La principale distinction concerne les intercalaires qui risquent de fluer et ceux qui ne le font pas. La recherche se termine par une comparaison entre l'assemblage à emboîtement et les autres assemblages de blocs de verre actuellement appliqués.

L'application architecturale des blocs de verre coulés gagne lentement en popularité, avec des exemples récents comme le pavillon Qaammat (Oikonomopoulou et al., 2022), le LightVault (Parascho et al., 2020), la sculpture Qwalala (Paech, Goppert, 2018), les Crystal Houses (Oikonomopoulou et al., 2018), la maison optique (Oshima, 2012), la Crown Fountain (Hanna h,2009) et le mémorial d'Atocha (Paech, Goppert, 2008). Tous les projets susmentionnés d'assemblages de blocs de verre coulés autoportants reposent soit sur une sous-structure de soutien visible (par exemple, dans les maisons optiques, la fontaine de la couronne), soit, pour un système moins intrusif, sur un adhésif transparent ou de couleur claire pour coller les blocs de verre solides ensemble (par exemple, dans le mémorial d'Atocha, les maisons de cristal, Qwalala, LightVault et le pavillon Qaammat), comme indiqué sur la figure 1 et le tableau 1.

L'option de collage gagne en popularité, car elle offre un niveau de transparence comparativement plus élevé, tout en garantissant l'intégrité structurelle de l'assemblage. Néanmoins, l'utilisation d'adhésif donne une structure non réversible et entrave en outre la recyclabilité des composants en verre en raison de la contamination. Dans un effort vers un assemblage de briques de verre coulé réversible et démontable, qui offre simultanément un niveau de transparence compétitif, un nouveau système utilisant des briques de verre coulées imbriquées a été introduit par (Oikonomopoulou et al., 2018) (Fig. 1, à droite). Le système, qui est encore en cours de développement, comprend un assemblage à pile sèche, avec des blocs de verre coulés imbriqués et un matériau intercalaire intermédiaire (Fig.2) qui répartit uniformément les contraintes et s'adapte aux écarts de taille des blocs individuels. Le tableau 1 résume les principales caractéristiques des trois systèmes.

Bien qu'il y ait eu des développements et des tests expérimentaux, en vue d'optimiser la géométrie des blocs de verre imbriqués elle-même (Jacobs, 2017 ; Yang, 2019 ; Oikonomopoulou, 2019a), une étude cohérente sur le matériau intercalaire n'a pas encore été réalisée. Au lieu de cela, des données expérimentales limitées sont disponibles à partir d'études antérieures (Aurik, 2017 ; Oikonomopoulou, 2019a ; Akerboom, 2016 ; Oikonomopoulou 2019b) qui se concentrent principalement sur les performances de fluage de l'intercalaire choisi, plutôt que sur tous les aspects liés à l'éventuelle applicabilité et assemblage de la structure de verre coulé.

Cette étude vise donc à définir des critères de conception et de performance pour de tels intercalaires et à explorer des candidats potentiels de matériaux intercalaires en termes de performances mécaniques et de fabricabilité à la forme d'emboîtement souhaitée. En outre, la mesure dans laquelle le matériau intercalaire affecte les détails et l'assemblage de la structure de bloc de verre coulé imbriqué est examinée. L'étude aboutit à une feuille de route qui peut aider à la sélection du matériau intercalaire le plus approprié, en fonction des critères de conception respectifs des conceptions futures.

Tableau 1 : Principes de conception des différents systèmes structuraux utilisant des composants en verre coulé dérivés de (Oikonomopoulou, 2019b)

La recherche commence par un bref examen des études pertinentes, afin de déterminer les critères de conception et de performance pour la sélection des matériaux intercalaires. Une étude de matériau suit, dans laquelle divers candidats intercalaires prometteurs sont spécifiés sur la base des critères et propriétés définis, comme vérifié par le logiciel CES Edupack et les sources de littérature pertinentes. Outre les propriétés et les performances des matériaux, les méthodes de fabrication et les défis pour chaque candidat intercalaire sont examinés. Après avoir défini les intercalaires proposés, l'assemblage et les détails de la structure de blocs de verre coulés imbriqués sont présentés, sur la base d'un scénario de construction supposé utilisant un cadre métallique périphérique.

Le bloc de verre coulé imbriqué utilisé est largement basé sur les études de (Jacobs, 2017 ; Yang, 2019 ; Oikonomopoulou, 2019b) et a la forme illustrée à la Fig. 3 ci-dessous, développée par (Jacobs, 2017). Les différentes exigences de détail et de construction qui se produisent en fonction de la sélection du matériau de l'intercalaire sont examinées. Les conclusions de l'étude sont résumées dans une feuille de route, où, en fonction des exigences ou des priorités uniques d'un projet, la couche intermédiaire pertinente et les considérations clés peuvent être identifiées. Enfin, les aspects potentiels de développement de la recherche sont présentés.

Pour l'étude d'un matériau intercalaire pour briques de verre coulées, des études antérieures ont développé un ensemble de critères de conception, tout en considérant des matériaux compatibles avec le verre. En effet, les études précédentes présentées ci-dessous se focalisent fortement sur les Polymères, qui sont couramment associés au verre. Les polymères sont généralement utilisés comme intercalaires dans les vitrages float feuilletés, où ils sont principalement soumis à des charges dynamiques ou cycliques (vent, impact de corps dur, etc.) pour leur capacité de résistance au cisaillement. Cependant, les polymères sont également connus pour présenter une résistance à la compression satisfaisante. Considérant que la couche intermédiaire de l'assemblage de blocs de verre imbriqués serait principalement soumise à une charge de compression uniaxiale, les polymères pourraient en effet présenter un potentiel pour cet assemblage.

Les études impliquant une étude expérimentale des matériaux intercalaires pour les blocs de verre coulés comprennent (i) une colonne de blocs de verre empilés (Akerboom, 2016), (ii) un pont en maçonnerie de blocs de verre (Aurik, 2017) et (iii) des expériences sur des blocs de verre imbriqués (Oikonomopoulou, 2019b). Le tableau 2 présente les critères de conception des intercalaires au sein de chaque projet et leurs performances.

Tableau 2 : Critères de conception et matériaux intercalaires sélectionnés dans les études de cas précédentes.

Les trois études ont fixé la transparence-translucidité comme critère principal qui, en combinaison avec les critères de rigidité, a limité la sélection des matériaux vers les polyuréthanes (PU) et le chlorure de polyvinyle (PVC). La résistance à la compression de l'intercalaire est considérée à partir de la même source (Oikonomopoulou et al., 2014) comme un nombre représentatif, cependant, dans la pratique, cette valeur dépend fortement de chaque étude de cas unique - par exemple, des assemblages plus hauts entraîneront des charges plus élevées. Pour la durabilité et les propriétés thermiques, les limites couramment requises dans les applications architecturales sont indiquées, qui sont moins susceptibles d'avoir grandement affecté la sélection des matériaux.

La rigidité requise de l'intercalaire a présenté le plus de variations parmi les études. Dans l'étude (i) (Akerboom, 2016) affirme que la rigidité doit être relativement élevée afin d'éviter le fluage. Malheureusement, la seule expérience menée a échoué prématurément, en raison de la configuration de la pièce de bord, de sorte que les résultats concernant les feuilles de PETG (Vivak®) ne sont pas concluants. Dans le cas (ii), le matériau intercalaire est choisi pour avoir une rigidité nettement inférieure à celle du verre (Aurik, 2017). Des spécimens de feuilles de différentes épaisseurs (1-4 mm) ont été testés, concluant que le PVC 1 mm et le PU 4 mm étaient les plus prometteurs. La même étude a indiqué que les variantes d'intercalaires plus épais (3-4 mm) permettent une répartition plus homogène des contraintes et une rigidité accrue de l'intercalaire.

Pour le PVC, des intercalaires de 3 à 4 mm d'épaisseur ont visiblement flué pendant les essais. Au lieu de cela, des couches intermédiaires en PVC plus minces ont été choisies, après qu'il a été expérimentalement prouvé que le matériau était fortement dépendant du temps et qu'un fluage se produisait sous des charges statiques. Enfin, dans l'étude (iii), l'intercalaire doit être suffisamment rigide pour éviter la pénétration, mais suffisamment flexible pour permettre de s'adapter aux micro-aspérités des composants en verre (Oikonomopoulou, 2019b). Quatre matériaux intercalaires différents avec une dureté Shore entre 60 et 80A ont été testés : PMC 746 (60A), PMC 770 (70A), Permacol 5450 (75A) et Task 16 (80A).

Toutes les alternatives pourraient être moulées dans la géométrie intercalaire souhaitée (Fig.2). Certains des spécimens testés ont présenté un comportement prometteur, bien qu'ils ne se soient pas stabilisés pendant la durée du test de 900 secondes, ce qui indique que les performances de fluage des couches intermédiaires choisies nécessitaient une étude expérimentale plus approfondie. Les résultats suggèrent également que la résistance à la déchirure de la couche intermédiaire est aussi importante que sa dureté Shore. En particulier, les assemblages entrelacés avec Permacol 5450 (75A) et PMC 746 (60A) ont échoué en raison de la déchirure précoce de l'intercalaire qui a conduit à un contact verre à verre et donc à une rupture due à des pics de contraintes locales.

Lorsque des intercalaires de 3 mm d'épaisseur de la tâche 16 (80A) et du PMC 770 (70A) ont été utilisés, il a été constaté qu'un contact insuffisant ou non homogène de l'intercalaire avec les briques de verre en raison d'écarts dimensionnels des composants coulés ou/et d'une épaisseur insuffisante de l'intercalaire, peut entraîner la défaillance éventuelle de l'assemblage de la brique de verre même sous charge statique en raison de l'apparition de contraintes de pointe, encore augmentées par les forces latérales imposées par le fluage de l'intercalaire (Oikonomopoulou, 2019b), comme le montre la figure 4.

Une autre observation concerne le mode de fabrication différent de l'intercalaire dans chaque cas d'étude en fonction de la géométrie souhaitée. La géométrie d'emboîtement à courbe unique de l'exemple (ii) a permis l'utilisation de feuilles de PU et de PVC facilement disponibles dans diverses épaisseurs. Au lieu de cela, la géométrie d'emboîtement à double courbure des exemples (i) et (iii) conduit à choisir soit une feuille qui peut être formée sous vide à la géométrie souhaitée, soit une couche intermédiaire PU qui peut être coulée sous la forme souhaitée.

Les études discutées précédemment se sont concentrées sur l'établissement de critères qui conduisent à des solutions intercalaires personnalisées pour les conceptions respectives. L'objectif de ce travail est de fournir un aperçu des matériaux intercalaires possibles sur la base d'un ensemble plus étendu de critères de conception et de performance, ainsi que de la facilité de fabrication et de la constructibilité. L'objectif est de fournir aux architectes et aux ingénieurs en structure une feuille de route de sélection des matériaux pour le matériau intercalaire basée sur les critères prioritaires de la structure de verre à emboîtement conçue. Par conséquent, après avoir examiné les critères de conception précédents pour le matériau intercalaire, un ensemble de nouveaux critères révisés peut être déterminé.

Pour s'assurer que la recherche ne sera pas prématurément limitée, les critères sont divisés en primaires et secondaires. La recherche se concentrera sur la recherche de matériaux répondant aux critères primaires, considérés comme essentiels au bon fonctionnement structurel de l'intercalaire et de l'assemblage par emboîtement. Les critères secondaires concernent des aspects qui n'interfèrent pas avec l'intégrité structurelle de l'assemblage et seront donc examinés avec plus de souplesse. Les critères établis sont résumés dans le tableau 3. Surlignés en gras sont les critères qui ont changé ou sont devenus plus dominants par rapport aux études précédentes.

Tableau 3 : Critères de conception révisés pour le matériau intercalaire

4.1. Primaire

Les contraintes géométriques définies par les études précédentes sont restées inchangées dans cette recherche. Le matériau intercalaire doit pouvoir être traité dans la géométrie et l'épaisseur décidées. L'intercalaire doit s'adapter aux écarts de taille des blocs individuels et obtenir un contact homogène, afin d'éviter l'apparition de contraintes de pointe localisées, qui peuvent entraîner une défaillance de l'assemblage (Oikonomopoulou, 2018). La capacité de l'intercalaire à s'adapter aux écarts de taille des blocs individuels contribue également à réduire les coûts d'une structure en verre coulé, car elle évite le post-traitement des blocs, comme dans la façade de Crystal Houses (Oikonomopoulou et al., 2017). Les exemples réalisés précédemment suggèrent des écarts de taille anticipés en hauteur et en planéité de ± 1 mm pour les blocs de verre borosilicaté (pressés au moule) (Paech, Göppert, 2008) et de ± 1,5 mm pour les blocs de verre sodocalcique (moule ouvert) (Oikonomopoulou et al., 2022) d'une taille comparable aux briques en terre cuite. Ainsi, une épaisseur comprise entre 2-3 mm semble être un optimum pour permettre une surface de contact homogène tout en étant capable d'absorber les irrégularités de surface.

Une couche intermédiaire entre deux objets imbriqués d'un matériau fragile doit être plus ductile que le matériau lui-même. Cependant, si la couche intermédiaire est considérablement moins rigide que les composants d'emboîtement, on s'attend à ce qu'elle flue ; de plus, il peut fortement compromettre la rigidité composite de l'assemblage. Pour éviter un tel résultat défavorable, il est proposé que la couche intermédiaire ait une rigidité inférieure mais comparable à celle du verre coulé. Il doit être suffisamment souple pour obtenir une zone de contact homogène avec le verre, mais il ne doit pas compromettre la stabilité du système. Une proposition similaire avait été faite par (Wurm & Peat, 2007) : "La dureté, la rigidité et la durabilité de l'intercalaire affectent le système d'assemblage sous charge. La couche de transfert de charge doit combiner un module d'élasticité similaire à celui du verre et une résistance à la compression aussi élevée que possible." Selon CES EduPack 2019 (Granta Design Limited 2019), le verre borosilicaté et sodocalcique a un module de Young compris entre 50 et 72 GPa. Selon le matériau de l'intercalaire, au lieu du module d'Young, la dureté shore peut être plus pertinente à considérer, comme cela a été vu dans les études précédentes de la section 3.2.

La résistance à la compression minimale de l'intercalaire est indiquée à une valeur représentative, pertinente par rapport à la charge de compression maximale attendue (par exemple due à son propre poids) des exemples réalisés pertinents. Sur la base des exemples réalisés précédents, en raison de la grande épaisseur et donc de la zone de contact entre les blocs, les contraintes de compression permanentes anticipées agissant sur une structure de blocs de verre en raison du poids propre sont généralement considérablement inférieures à 0,5 MPa. Par exemple, au niveau de la rangée de briques la plus basse, les contraintes de compression permanentes agissant sur la façade de Crystal Houses (12 m de haut) étaient < 0,2 MPa (Oikonomopoulou et al., 2017), <0,1 MPa pour la structure Qwalala (Paech, Goppert, 2018) et <0,15 MPa pour le pavillon Qaammat (Oikonomopoulou et al., 2022). Ainsi, l'exigence d'une résistance à la compression > 2 MPa devrait pouvoir satisfaire la plupart des assemblages de blocs de verre coulé.

L'un des principaux défis auxquels les études précédentes ont dû faire face était le fluage des matériaux intercalaires choisis. Le fluage peut entraîner une déformation permanente, due à l'application prolongée de contraintes (McKeen, 2015). Bien que la plupart des matériaux possèdent des propriétés de fluage, tous ne les présentent pas à température ambiante. Par exemple, les métaux peuvent également fluer, mais à des températures très élevées, par conséquent, à température ambiante, leur comportement au fluage peut être considéré comme constant. Cependant, pour d'autres matériaux tels que les plastiques, qui sont viscoélastiques (avec des propriétés de type solide et de type liquide), le fluage est évident même à température ambiante. Dans cette conception, la couche intermédiaire est soumise à un fluage en compression, qui sera plus préoccupant dans certains types de matériaux que dans d'autres, en fonction de la température de service définie (Oikonomopoulou, 2019b) et (Aurik, 2017).

La résistance à la déchirure de l'intercalaire influe sur les performances de l'assemblage, donc si ce critère n'est pas critique pour tous les matériaux (les métaux ne risquent pas de se déchirer), il sera retenu comme critère prioritaire pour les familles de matériaux concernées. La valeur limite est tirée des résultats expérimentaux de (Oikonomopoulou, 2019b).

4.2. Secondaire

Pour les critères secondaires, les propriétés qui ne sont pas liées à la performance structurelle sont définies.

L'objectif initial, qui a conduit au développement d'un système de blocs de verre coulés emboîtables, était d'obtenir un assemblage recyclable-réutilisable à pile sèche. Bien que la recyclabilité du verre soit l'objectif principal, idéalement, le matériau intercalaire devrait également être recyclable ou réutilisable.

Les matériaux intercalaires transparents ou translucides ne sont pas considérés comme nécessaires, car ils pourraient limiter prématurément le processus de recherche. La contribution esthétique de l'intercalaire sera prise en compte dans la décision finale, mais ce ne sera pas un facteur déterminant. Ceci est en outre soutenu par le choix d'adhésifs non transparents pour le collage de plusieurs des structures de briques de verre collées réalisées (par exemple dans Qwalala Sculpture, LightVault et le Qaammat Pavilion).

L'intercalaire et les blocs emboîtables sont deux éléments indépendants, simplement posés l'un sur l'autre, il n'est donc pas urgent d'avoir des coefficients de dilatation thermique analogues ; en tenant compte notamment du caractère plus souple requis du matériau intercalaire (qui pourrait ainsi s'adapter aux mouvements thermiques par déformation). Les structures en blocs de verre réalisées antérieurement utilisent soit des blocs de verre borosilicaté, soit des blocs de verre sodocalcique. La chaux sodée a un coefficient de dilatation thermique plus élevé que le borosilicate; 9*10⁻⁶/K et 3,1-6*10⁻⁶/K en conséquence. Il est important de veiller à ce que la différence avec le coefficient respectif des matériaux intercalaires soit relativement faible afin de minimiser les mouvements importants entre les éléments de façade.

Les critères de durabilité sont pertinents pour l'assemblage si le système de verre coulé à emboîtement est utilisé dans une façade de bâtiment. Si l'assemblage est utilisé en interne, de tels critères ne sont plus nécessaires. De plus, selon le pays d'application, les exigences exactes peuvent varier. Ainsi, bien qu'elles soient éventuellement déterminantes, il est préférable de ne pas limiter prématurément l'étude en fonction de la durabilité de l'intercalaire.

Les critères révisés, sous leurs catégories respectives, peuvent être consultés dans le tableau 3 ci-dessus.

Les critères primaires et secondaires seront les lignes directrices principales tout au long de l'étude des matériaux, tout en prenant également en considération les propriétés matérielles uniques de chaque candidat (par exemple, le frottement). Selon (Ashby et al., 2007) les matériaux d'ingénierie peuvent être classés en six grandes familles : les métaux, les polymères, les élastomères, les céramiques, les verres et les matériaux hybrides-composites. Chaque famille possède certaines caractéristiques et propriétés distinctes, qui sont vérifiées avec l'aide du programme CES Edupack.

Du fait que les blocs emboîtables sont en verre, un matériau cassant à haute rigidité, l'intercalaire ne doit pas partager les mêmes propriétés, sinon le défi ne sera que multiplié entre le bloc et l'intercalaire. En conséquence, les familles de matériaux verre et céramique, qui partagent toutes deux ces propriétés, sont globalement exclues des candidats potentiels, les familles restantes à examiner étant les métaux, les polymères et les élastomères. En outre, des matériaux hybrides peuvent être envisagés, qui proviennent de la combinaison de deux ou plusieurs matériaux sont combinés, pour aboutir à des propriétés améliorées. Presque tous les matériaux naturels (os, bois) sont des hybrides (Ashby et al., 2007). Parmi les familles de matériaux, les candidats généralement associés au verre ou utilisés comme intercalaires dans diverses applications sont au centre des préoccupations ; scindée en candidats monomatériaux et hybrides. Un aperçu des matériaux considérés est présenté dans le tableau 4.

Tableau 4 : Aperçu des matériaux considérés pour l'intercalaire sec

5.1. Monomatériau

Polymères

Les intercalaires en verre feuilleté sont typiquement des polymères (PVB, EVA, Ionomères). Par conséquent, ils sont généralement associés à des charges de cisaillement, malgré leurs niveaux satisfaisants de résistance à la compression. La nature viscoélastique des polymères permet à la forme de s'adapter en fonction des forces appliquées, ce qui signifie qu'ils ont tendance à fluer sous une charge statique. Les polymères peuvent être façonnés par moulage par injection et sont généralement transparents ou translucides.

Les expériences de (Aurik,2017) et (Oikonomopoulou,2019b) ont testé le PU et le PVC dans différentes épaisseurs, sous une charge statique de 480kN et 40kN respectivement. Alors que les candidats PU70 et PU80 étaient considérés comme prometteurs, leur déformation ne s'est pas stabilisée au cours des expériences, ce qui signifie qu'une défaillance due au fluage pourrait éventuellement se produire. Cependant, il convient de mentionner que la charge statique imposée se traduit par une contrainte de compression nominale de 11 MPa dans le cas de (Aurik, 2017) et de 14,2 MPa pour (Oikonomopoulou, 2019b), ce qui est considérablement plus élevé que les contraintes permanentes anticipées survenant sur une structure en briques de verre. (Akerboom, 2016) ont choisi une feuille de copolymère, Vivak®, qui est fabriquée à partir de PETG (Polythylene terephithalate), la version modifiée au glycol du PET. Comme le PETG est plus rigide que le PVC et le PU, on s'attend à ce qu'il ait de meilleures performances, mais les résultats sur sa résistance au fluage n'ont pas été concluants. Au lieu du PETG, le PMMA est également un polymère thermoplastique plus rigide, généralement produit en feuilles, avec des propriétés mécaniques et des capacités de mise en forme similaires. En raison des nombreuses similitudes entre les deux matériaux, seul le PETG sera considéré pour cette étude.

La figure 5 présente les trois matériaux candidats ensemble. Alors que le PVC présente une gamme élevée de résistance et de facteur de forme, en fonction d'une dureté shore variable, le PU et le PETG semblent avoir des propriétés plus cohérentes.

Élastomères

Les élastomères, tels que le néoprène, le silicone et le PTFE (c'est-à-dire le téflon), sont souvent mis en contact avec le verre dans les applications architecturales, comme les scellants de fenêtre, les joints, les rondelles et les rembourrages, fonctionnant souvent sous compression à long terme, ce qui en fait des candidats prometteurs. Sur la figure 6, il est évident que bien que les trois matériaux aient une résistance à la compression analogue, le PTFE présente le facteur de forme le plus élevé.

Le néoprène est un caoutchouc polychloroprène souple, résistant à la déchirure et produit en feuilles de différentes épaisseurs. Comme il nécessite peu ou pas d'entretien, le néoprène est préféré dans les constructions à long terme, que l'on trouve souvent dans les raccords à pointe de verre protégeant les vitres du contact direct avec la pince métallique (Patterson, 2011). Le néoprène a également été utilisé comme intermédiaire entre les briques de verre emboîtables testées et la machine en acier (Oikonomopoulou, 2019b). La résistance à la compression du néoprène est censée être satisfaisante, et la souplesse du matériau doit lui permettre de s'adapter à la forme du verrouillage, cependant, son comportement au fluage dans l'épaisseur et la forme souhaitées doit être vérifié expérimentalement. Alors que pour des spécimens plats, un test similaire a peut-être déjà été réalisé, la géométrie d'emboîtement peut potentiellement affecter les performances du matériau, car la charge n'est pas toujours perpendiculaire à la surface de l'intercouche, ce qui nécessite une enquête plus approfondie.

Le silicone a une consistance très similaire au verre (dioxyde de silicium), ce qui signifie qu'au contact du verre pendant qu'il durcit, une liaison très forte peut se former. Le retrait du silicone entraîne généralement une contamination de la surface du verre, allant ainsi à l'encontre de l'objectif initial d'un système de verrouillage démontable et recyclable. Bien qu'un nouveau produit d'espacement en silicone prometteur ait été développé par Dow Silicones Belgium avec un potentiel de retrait facile, il n'a pas encore été testé sur des surfaces non planes (Hayez et al., 2019). De plus, les silicones risquent de fluer sous compression. Pour façonner le silicone, il peut être envisagé de couler la géométrie souhaitée ou d'utiliser des produits en feuilles de silicone.

Le PTFE est souvent utilisé comme rondelles pour différentes fixations de verre (c'est-à-dire les fixations d'araignée, etc.). Il est très durable, résistant à la corrosion et antiadhésif. La surface brillante, la friction et le risque de glissement réduits pourraient être difficiles dans cette application, comme on le voit dans la colonne à tiges emboîtables, et un ponçage pourrait être nécessaire. En ce qui concerne la mise en forme, une procédure complexe telle que le moulage par compression de la poudre et le frittage peut être nécessaire pour la géométrie, car le PTFE sous sa forme chauffée n'est pas très flexible. Le comportement au fluage du PTFE doit également être exploré par des essais, bien qu'il soit plus sensible au fluage en traction qu'au fluage en compression (DuPont, nd).

Les métaux

L'un des principaux avantages des métaux est qu'à température ambiante, ils ne présentent pratiquement aucun fluage. Néanmoins, placer le verre en contact immédiat avec un métal peut s'avérer difficile. Lorsque le verre est en contact direct avec l'acier ou le titane, la propagation des fissures se produit souvent. En effet, typiquement entre les inserts en titane et les éléments en verre une feuille est placée pour répartir les contraintes. Cela a également été confirmé expérimentalement pour les assemblages de verre coulé par (Oikonomopoulou et al., 2015) : les tests de compression de blocs de verre individuels qui étaient en contact direct avec la surface en acier de la machine d'essai ont montré une défaillance précoce à des valeurs comprises entre 20 et 30 MPa, tandis que les blocs qui ont été testés avec du contreplaqué comme intermédiaire ont atteint la limite de charge de la machine sans défaillance, suggérant une résistance à la compression supérieure à 90 MPa.

Une rupture précoce due à des contraintes de pointe se produisant entre une fine couche intermédiaire de cuivre et la surface de la brique de verre a également été observée lors d'une expérience menée par (Akerboom, 2016). Mais cette condition n'est pas vraie pour tous les métaux en contact avec le verre. Dans de nombreuses expériences de verre compressif, qui sont réalisées par des machines en acier, une couche intermédiaire entre le composant en verre et la machine est utilisée pour permettre une répartition uniforme des contraintes; parmi les matériaux utilisés figurent également de fines feuilles métalliques de plomb et d'aluminium (Daryadel et al., 2016) (Sheikh et al., 2018), qui ont un module de Young similaire ou inférieur à celui du verre.

La propriété déterminante de l'utilisation de ces métaux en contact direct avec le verre est leur rigidité. Comme le montre la figure 7, l'acier inoxydable est beaucoup plus rigide que les autres métaux ainsi que le verre, tandis que le plomb et l'aluminium sont plus ductiles, ce qui leur permet de tenir compte des micro-aspérités de la surface du verre tout en résistant à la charge de compression. La rigidité de l'aluminium est plus comparable à celle du verre, tandis que le plomb est plus malléable et ductile. Cependant, le plomb peut être dangereux pour l'homme car il est toxique et son utilisation est lentement restreinte. De plus, le plomb a un coefficient de dilatation thermique considérablement différent de celui du verre, ce qui est décourageant car il peut entraîner des mouvements considérables dans la construction résultante. En ce qui concerne le critère de mise en forme, tous les métaux peuvent être coulés dans un moule ou pressés, donc aucune difficulté ne se pose en la matière.

5.2. Hybride

Les hybrides sont la combinaison de plusieurs matériaux, tels que les polymères renforcés de fibres, les structures sandwich, les stratifiés, les composites (Ashby et al., 2007), fusionnés pour obtenir une combinaison optimisée des matériaux impliqués. L'un des principaux inconvénients des matériaux hybrides avancés est l'augmentation des coûts de production et la liaison supplémentaire entre les multiples couches.

Mousses métalliques

Les mousses métalliques sont souvent utilisées comme intercalaires de panneaux, car elles sont légères et ont une résistance à la compression accrue. Les propriétés de ces matériaux concernant la résistance aux chocs (Liu et al., 2014), les réponses au souffle (Liu et al., 2012) et l'efficacité globale (Torre, Kenny, 2000) sont encore à l'étude. Une géométrie de mousse est trop erratique pour être en contact avec un composant en verre, nécessitant ainsi des feuilles lisses sur les faces externes pour éviter les frottements avec la surface du verre. De plus, la mise en forme d'une mousse métallique à la géométrie requise est un défi. La plupart des méthodes de production de mousse métallique aboutissent à la production de panneaux plats ou de volumes de base symétriques (cubes, cylindres, etc.). Les méthodes utilisant des moules seraient considérées comme appropriées, telles que les boues de poudre métallique ou le moulage à la cire perdue, mais on s'attend toujours à ce que la proposition soit trop complexe pour la fabrication.

PU laminé

Une préoccupation majeure liée aux candidats élastomères et polymères est leur tendance au fluage. Dans les appuis de pont, les appuis à patins en élastomère sont couramment utilisés, souvent laminés avec des plaques métalliques sous forme de sandwich, et sont soumis à une compression à long terme. Les plaques métalliques renforcent les couches de caoutchouc, interférant avec la mesure dans laquelle il peut fluer, améliorant ainsi la rigidité globale du roulement. L'ensemble du système est entouré d'une fine couche de caoutchouc pour protéger le métal de la corrosion (Lee, 1990).

De même, pour l'intercalaire, une fine tôle métallique pourrait être prise en sandwich entre deux pièces en élastomère ou en polymère, pour créer un intercalaire renforcé hybride. Un tel procédé augmenterait considérablement le travail de fabrication de l'intercalaire ; il faudrait mettre en forme la double quantité d'intercalaires élastomères, ainsi que les intercalaires métalliques. Enfin, les trois éléments de chaque couche intermédiaire devraient être liés à un objet unifié. La méthode d'assemblage la plus courante pour les deux matériaux serait l'application d'un adhésif, car une liaison mécanique augmenterait la complexité et le travail.

Aluminium à âme souple

La mise en œuvre d'un noyau plus souple et de couches externes plus dures pourrait être plus efficace que l'inverse, car elle pourrait améliorer le comportement des couches intercalaires à l'impact et aux vibrations. Un tel matériau existe déjà sur le marché : l'Alucobond®. Le matériau est un sandwich composite composé de deux feuilles d'aluminium sur une âme en polyéthylène (Kula, Ternaux, 2009). Pour la mise en forme, Alucobond® est produit en feuilles, ce qui nécessiterait de plier la post-production ou de façonner les pièces individuelles avant de les coller.

5.3. Aperçu et discussion

Dans la Fig. 8, tous les matériaux discutés sont présentés, dans une comparaison qualitative de leurs performances selon les critères révisés de conception des couches intermédiaires primaire et secondaire. Parmi les matériaux discutés, les candidats les plus prometteurs pour les intercalaires secs considérés sont ; Feuilles PU, PETG (Vivak®), Aluminium Néoprène, PU laminé et Aluminium à âme tendre. Les matériaux sélectionnés ont des propriétés distinctes, qui indiqueront éventuellement quelle famille de matériaux présente les performances structurelles les plus prometteuses, pour l'assemblage de verre à emboîtement.

En raison des tests relativement étendus de polymères dans des applications similaires déjà, la sélection de cette famille se concentrera sur l'examen d'un polymère plus rigide, tel que le PETG, et sur un nouveau test du PU en fluage sous les contraintes de compression permanentes anticipées examinées. Le PU doit être étudié à la fois avec et sans stratification (intercalaire hybride), afin de démontrer potentiellement l'efficacité réelle de la stratification.

De la famille des Elastomères, trois matériaux ont été abordés : le Néoprène, le Silicone et le PTFE. Concernant les critères primaires, la notation du néoprène est ambivalente. Un prototype physique est nécessaire pour confirmer s'il peut s'adapter à la géométrie requise, et des essais de compression sous charge statique sont indispensables pour étudier dans quelle mesure les matériaux fluent. Le silicone entraîne généralement une contamination de la surface du verre, le rendant non recyclable. Bien qu'il existe des produits potentiels qui pourraient résoudre ce problème, comme ils sont encore en cours de développement, le candidat de l'intercalaire en silicone est rejeté. Le PTFE nécessiterait une manipulation extrême lors de la fabrication pour obtenir la géométrie souhaitée, ce qui se répercuterait sur le coût global. De plus, en raison du frottement réduit, un post-traitement supplémentaire pour le ponçage peut être nécessaire pour éviter les micro-rotations des blocs de verre.

Pour la famille Métaux, l'aluminium et le plomb ont un taux élevé sur les critères principaux. Le plomb devrait cependant être disqualifié en raison de ses propriétés toxiques et de son coefficient de dilatation thermique considérablement plus élevé. De plus, en raison de la haute densité du plomb, la charge supplémentaire sur la structure alourdirait l'assemblage sans raison. L'aluminium est donc le candidat le plus prometteur de cette famille de matériaux.

Enfin, dans le cas où une solution monomatériau ne répondrait pas aux exigences de la structure, une proposition hybride pourrait être envisagée. Le plus grand inconvénient de l'utilisation d'un intercalaire hybride est le coût accru qui sera nécessaire pour le traitement du matériau. Outre les couches accrues qui doivent être façonnées, leur jonction est également préoccupante et doit être examinée plus avant. Le sandwich à âme en mousse métallique nécessite un traitement supplémentaire pour les bords du composite, sinon l'eau passera à travers. Des trois, le prototype d'appui de pont présente le risque de fluage le plus élevé, compte tenu de la mesure dans laquelle la stratification interne améliorera les performances globales de fluage de l'intercouche est incertaine. L'aluminium à noyau mou, bien qu'il puisse sembler être le plus prometteur, ne doit être testé qu'en cas de défaillance de l'intercalaire en aluminium monomatériau. Dans l'ensemble, la solution hybride qui sera choisie, sera considérée après les indications des intercalaires monomatériaux, car ce sont des combinaisons de ceux-ci.

En conclusion, pour tirer le meilleur parti possible des essais expérimentaux, les matériaux de différentes familles devraient idéalement être testés sous charge statique dans des éprouvettes plates et façonnées pour évaluer leur comportement au fluage. Dans la Fig. 8, les matériaux choisis pour l'étude sont mis en évidence : PU (avec et sans laminage), PETG (Vivak), Néoprène, Aluminium et Aluminium à âme molle.

5.4. Fabrication

Le processus de fabrication industrielle pour former chaque candidat intercalaire dans la taille et la forme souhaitées est présenté. Dans le tableau 5, les informations requises pour la fabrication de tous les candidats intercalaires sont présentées collectivement. Les épaisseurs des couches intermédiaires varient considérablement, de l'aluminium le plus fin de 1 mm au laminé le plus épais de 5 mm. Le néoprène nécessite le moins de traitement, le PETG est le seul candidat qui nécessite un post-traitement et les techniques combinées requises pour les intercalaires hybrides présentent la plus grande complexité. Spécifiquement:

Tableau 5 : Détails de fabrication des candidats intercalaires

Bien que le PETG soit considéré comme approprié pour la découpe au laser, les scies et les routeurs sont plus largement adoptés pour la découpe du matériau. Pour le façonnage, les plaques Vivak® offrent des propriétés de thermoformage supérieures. Les processus les plus largement utilisés sont le formage sous vide, le formage par soufflage libre et le cintrage en ligne, parmi lesquels le formage sous vide considère la méthode la plus appropriée pour la géométrie souhaitée. Comme la surface brillante en PETG (Vivak®) risque d'augmenter les imperfections de contact par micro-rotations lors de l'assemblage, le matériau doit être préalablement poncé pour augmenter le frottement entre l'intercalaire et les briques de verre (Akerboom, 2016). Les feuilles peuvent être poncées en utilisant des techniques de ponçage humide. Dans des études précédentes, l'épaisseur choisie était de 2 mm (Akerboom, 2016) (Barou, 2016), pour permettre un certain fluage potentiel sans risquer le contact verre à verre.

Le néoprène est produit en feuilles, qui sont généralement découpées industriellement par découpe à l'emporte-pièce ou au laser. Après avoir été découpés à la taille souhaitée, les éprouvettes plates peuvent être transférées sur site et le matériau doit s'adapter à la forme par simple compression. Étant donné que les feuilles de néoprène plus épaisses ont tendance à être plus rigides, les échantillons de plus de 3 mm d'épaisseur ne sont pas considérés comme des alternatives appropriées, car ils ne s'adapteront pas bien à la géométrie complexe à double courbure et compromettent la rigidité totale de l'assemblage. De plus, comme le matériau a tendance à fluer, une épaisseur inférieure à 2 mm n'est pas recommandée.

Pour façonner l'aluminium, différentes méthodes de formage à froid et à chaud existent (Zheng et al., 2018). Considérant que la précision dimensionnelle est importante et que la géométrie n'est pas trop complexe, le formage à froid est probablement préférable. L'hydroformage de feuilles pourrait être une option, ce qui entraîne moins d'abrasions, de meilleures finitions et ne nécessite qu'une seule pièce de moule. Sinon, l'estampage à froid pourrait être utilisé, ce qui est plus rapide en production, mais nécessite à la fois un moule mâle et femelle pour la presse. Comme il n'y a pas de risque de fluage, l'épaisseur peut être inférieure à un intercalaire néoprène ou PETG, mais pas trop fine pour tenir compte des microaspérités de la brique de verre, donc un minimum de 2mm est proposé.

La mise en forme de cet intercalaire sera examinée à la fois avec un adhésif et avec une liaison mécanique. Habituellement, dans de tels composites, une liaison adhésive est préférée, pour assurer une performance cohérente sur toute la surface. D'abord, les trois couches seraient façonnées séparément; l'aluminium comme discuté ci-dessus et le PU par moulage par injection, comme cela a été fait dans les expériences précédentes (Oikonomopoulou, 2019a). Ensuite, pour assurer une adhérence constante, l'aluminium façonné doit être correctement préparé ; le dégraissage du métal, le sablage à la grille abrasive et l'application de l'apprêt chimique sont quelques étapes principales, telles que décrites par (Gallagher Corporation, 2017).

L'utilisation d'un adhésif signifie cependant que l'intercalaire ne peut pas être recyclé, c'est pourquoi une liaison alternative réversible est également examinée. Si un échantillon plat est produit puis pressé à la forme souhaitée, le PU risque de fluer dans le processus, ce qui entraîne une épaisseur incohérente. Au lieu de cela, les trois couches doivent être jointes à la couche d'aluminium pendant ou après la mise en forme du PU. Le PU pourrait potentiellement être coulé dans un moule contenant déjà une couche d'aluminium façonnée et perforée, pour que le matériau se déverse à travers les trous et enferme l'aluminium, résultant en un objet unifié. Si l'aluminium est correctement traité, le PU ne collera pas à l'aluminium, permettant aux couches d'être séparées et recyclées. Ce processus n'ajoute pas de manière significative à la main-d'œuvre requise, car aucune pièce supplémentaire n'est nécessaire, et un moule pour couler le PU serait utilisé dans les deux cas.

Sur la base des résultats de (Aurik, 2017) et (Oikonomopoulou, 2019), des couches de PU de 2 mm d'épaisseur sont suggérées, de sorte que l'épaisseur supplémentaire de PU soit égale à l'épaisseur la plus performante. Entre les deux, une feuille d'aluminium de 1 mm peut être placée, ce qui signifie que l'épaisseur totale est de 5 mm.

Un composite d'aluminium à âme souple existe déjà sur le marché, sous le nom d'Alucobond®. Le panneau polymère et le film adhésif sont extrudés en feuilles séparées et lentement démêlés pour une application adhésive réussie. Une fois le film adhésif placé sur le polymère, les couches sont chauffées et laminées avec l'aluminium. Un tel processus est adapté à la production de feuilles plates, par conséquent, pour obtenir la géométrie souhaitée, un formage à la presse serait nécessaire.

Si l'intercalaire devait être rendu réversible, une fixation mécanique devrait être mise en oeuvre. Le mécanisme doit être choisi de manière à ce que la surface de l'intercalaire reste lisse, pour éviter de créer des pics de contraintes à des points spécifiques et permettre une surface de contact complète entre les blocs et l'intercalaire. Une connexion imitant les rivets affleurants ou les mousquetons pourrait être adaptée, où les rivets sont placés et pressés avant la mise en forme, pour s'affranchir du risque d'inclinaison. Bien que ce processus aboutisse à une couche intermédiaire recyclable, il nécessite la main-d'œuvre la plus intensive des alternatives.

Concernant l'épaisseur de l'intercalaire, l'aluminium à âme tendre, serait considéré si l'unique intercalaire en aluminium était trop rigide. En conséquence, l'épaisseur ajoutée des deux feuilles d'aluminium doit être égale ou inférieure à l'épaisseur minimale, ce qui signifie que des feuilles de 0,5 mm peuvent être utilisées. L'épaisseur du noyau mou devrait également être assez modeste, car une épaisseur plus importante augmenterait le risque de fluage. Une épaisseur de 2mm est proposée, portant l'épaisseur totale à 3mm.

Pour étudier les considérations d'assemblage, une ouverture de trois étages (9 m) dans un bâtiment existant est supposée, avec une structure métallique périphérique. L'assemblage de blocs de verre coulés emboîtables doit être utilisé pour la façade.

6.1. Detailing & Assembly Scénario 1 : intercalaires avec risque de fluage

Pour la recherche, le point de départ du détaillage est une structure en ossature métallique, à l'intérieur de laquelle sont placées les briques de verre, assurant ainsi à l'ensemble un système de contrainte périphérique suffisant. Le processus d'assemblage et les détails spécifiques sont présentés ci-dessous pour deux scénarios différents, basés sur le risque de fluage des matériaux intercalaires.

Pour les intercalaires sujets au fluage, à savoir le PETG (Vivak®), le Néoprène et le PU laminé, une pré-compression sur site de la façade est nécessaire. Ceci est fait pour contourner le tassement de la façade, qui se produirait inévitablement progressivement en raison du matériau intercalaire. Au lieu de cela, la pré-compression de l'ensemble de l'assemblage sur site amène les intercalaires à une phase de performances structurelles constantes et assure un transfert de charge homogène dans l'ensemble de l'assemblage¹. Dans tout autre cas, en raison de la charge morte différente entre les rangées inférieure et supérieure, l'épaisseur de la couche intermédiaire ainsi que la surface de contact présenteraient de grandes variations. L'assemblage et les détails de ce scénario sont présentés ci-dessous.

¹ Actuellement, il n'y a qu'une seule structure réalisée en briques de verre à assemblage à sec (utilisant également un treillis en fil d'acier) qui a exigé une pré-compression, l'Optical House au Japon. Dans ce cas, une poutre en acier pré-cambrée a été utilisée.

1. Assemblage du cadre structurel principal : dans un premier temps, les éléments de cadre constituant le système périphérique de l'assemblage de verre coulé à emboîtement sont mis en place. Pour obtenir la pré-compression requise pour les intercalaires, la poutre supérieure est initialement placée dans une position plus élevée et sera ensuite abaissée et sécurisée.

2. Assemblage des détails inférieurs : le but du détail du bas est de placer et d'aligner correctement l'ensemble autoportant. Une poutre en U doit être fixée à la structure principale, pour servir de rail sur lequel les blocs inférieurs peuvent glisser. Pour éviter de couler des blocs de verre supplémentaires, les blocs métalliques solides sont façonnés pour avoir une surface inférieure plate et une face supérieure emboîtable. Plusieurs blocs sont préférables à un élément de base continu, car la fragmentation peut aider à calibrer les unités individuelles avec une plus grande précision. Une fois que les blocs métalliques solides sont tous placés, des couches intermédiaires sont placées dessus, avant de placer les blocs de verre, comme illustré à la Fig. 9. Pour cette étude, le matériau des blocs inférieurs a été supposé être du titane, en raison de son coefficient de dilatation thermique comparable (8,4-9,4*10-6/K) et de sa résistance élevée à la compression (970MPa) (Granta Design Limited 2019), bien que, selon l'intention visuelle, d'autres matériaux puissent également être envisagés.

3. Placement des guides : le mécanisme de verrouillage n'est pas totalement stable tant que son système périphérique n'est pas correctement contraint. De plus, bien que le mécanisme d'emboîtement assure dans une certaine mesure l'auto-alignement, il ne peut pas entièrement empêcher l'excentricité lors de la construction, c'est pourquoi un système de guidage supplémentaire est nécessaire tout au long de la construction, quelles que soient les propriétés du matériau intercalaire.

4. Placement des blocs de verre : pour l'assemblage latéral, une autre poutre en U est proposée, à l'intérieur de laquelle le bloc sera enfermé. Pour protéger les blocs de verre, la poutre en U nécessitera un matériau de rembourrage souple à l'intérieur (Fig. 10).

Idéalement, les briques de verre doivent être posées des bords vers l'intérieur. Sinon, les derniers blocs à placer seront des blocs de bord qui doivent être glissés dans la poutre en U latérale, ce qui augmente la complexité (Fig. 11). Toutes les rangées à l'exception de la dernière rangée de blocs de verre doivent être placées.

5. Placement du bloc supérieur : de même pour le détail inférieur, pour éviter de couler des géométries de verre supplémentaires, pour la rangée supérieure, des blocs fraisés en titane sont proposés, qui doivent être vissés par le haut. La dernière rangée de blocs de verre n'est pas placée de sorte qu'il y ait suffisamment d'espace pour connecter les blocs de titane à la poutre supérieure (Fig. 11). De plus, la hauteur à laquelle la poutre doit être placée dépend de l'amplitude du mécanisme de verrouillage. Le faisceau doit être placé de manière à permettre à une personne de placer les derniers blocs de verre par le côté. Ce n'est qu'alors que la poutre peut être abaissée et fixée à sa position finale. Toutes les tolérances de fabrication qui se produisent peuvent être prises en compte par le repositionnement de la poutre.

6. Placement des blocs de verre :Les dernières briques de verre peuvent être posées.

7. Compression sur site : La poutre supérieure peut être démontée et abaissée à sa position finale. Pour éviter le besoin répété d'une grue sur le chantier, tout au long de la construction, les poutres sont abaissées à l'aide de rallonges (Fig. 12). La nouvelle position plus basse assure la compression supplémentaire nécessaire pour s'adapter au fluage des intercalaires et stabiliser l'assemblage.

6.2. Detailing & Assembly Scénario 2 : intercalaires sans risque de fluage

Pour les intercalaires qui ne risquent pas de fluer, comme l'aluminium et l'aluminium tendre, le risque de flambage étant réduit, des assemblages plus hauts peuvent être ciblés. Une compression mineure est encore nécessaire sur place, pour stabiliser la structure. Cependant, comme la compression est très faible, les poutres peuvent être assemblées sur place, et les blocs emboîtables rempliront alors l'espace entre les deux. Le processus d'assemblage est décrit étape par étape. Lorsque le processus est identique à celui du scénario 1, seul un titre succinct est fourni.

6.3. Aperçu

Les deux séquences d'assemblage différentes, bien que très similaires pour la plupart, présentent certaines différences principales, qui découlent de la tendance du matériau intercalaire à fluer ou non.

Lorsque l'intercalaire ne risque pas de fluer, le processus d'assemblage est facilité, car la poutre supérieure peut être placée dans sa position définitive dès le début, alors que, lorsqu'il y a un risque de fluage, la poutre doit être placée en position haute puis abaissée pour comprimer l'assemblage et les intercalaires sur site. Ce processus nécessite un équipement supplémentaire (accessoires) et de la main-d'œuvre. De plus, si une couche intermédiaire ne flue pas, l'ensemble d'emboîtement peut se dilater dans une enveloppe plus grande.

Pour l'évaluation finale du système de façade avec différents matériaux intercalaires, les critères suivants ont été pris en compte :

Il s'agit de l'état dans lequel le matériau de l'intercalaire arrive sur le site (à plat ou façonné), ainsi que du processus d'assemblage de la façade tel que décrit ci-dessus (avec et sans nécessité de précompression).

La facilité de fabrication concerne la fabrication, le dimensionnement, la mise en forme et le post-traitement de l'intercalaire ainsi que la réceptivité aux tolérances de l'intercalaire. Pour un intercalaire plus malléable, qui peut s'ajuster et prendre des tolérances, la précision de production n'est pas aussi critique que dans un intercalaire plus dur. Dans cette catégorie, le Néoprène a un net avantage, car il ne nécessite qu'une découpe après sa fabrication. Pour l'aluminium, la mise en forme devra être très précise, pour tenir compte de la nature plus rigide du matériau. Le PETG (Vivak®), peut nécessiter un post-traitement (ponçage), tandis que la fabrication la plus complexe est requise pour les intercalaires hybrides.

Une façade en verre implique certaines attentes visuelles, de sorte que l'apparence qui en résulte ne doit pas être globalement négligée. Selon les matériaux intercalaires discutés, le résultat visuel peut être : transparent, opaque et réfléchissant. Parmi les alternatives, le seul candidat pouvant aboutir à un assemblage entièrement transparent est le PETG (Vivak®), la vue à l'intérieur étant presque totalement dégagée. Le seul candidat d'intercalaire opaque est le néoprène, dans sa version blanche, où le résultat devrait être similaire à l'impression visuelle des structures existantes collées à l'aide d'un adhésif blanc, à savoir la structure Qwalala (Paech, Goppert, 2018) et le pavillon Qaammat (Oikonomopoulou et al., 2022). Tous les intercalaires en aluminium auraient une présence visuelle plus dominante.

Cela dépend de nombreux facteurs; les matériaux eux-mêmes, les processus de mise en forme requis, le processus d'assemblage, ainsi que les fluctuations de la demande du marché. Une analyse détaillée des coûts des matériaux intercalaires choisis dépasse le cadre de ce travail. Cependant, un classement général basé sur le coût comparatif des matériaux, leurs procédés de fabrication et les défis d'assemblage est présenté, reconnaissant qu'il peut varier en fonction du marché au moment de la construction. En raison de l'augmentation de la main-d'œuvre et des matériaux requis pour les intercalaires hybrides, on s'attend à ce qu'ils soient les alternatives les plus coûteuses. Le néoprène qui ne nécessite aucun traitement supplémentaire après sa production devrait être le moins cher.

Parmi les différents candidats intercalaires, les alternatives PETG (Vivak®) et Aluminium apparaissent comme les plus prometteuses. Les intercalaires hybrides, comme mentionné précédemment, augmentent considérablement la difficulté de fabrication et le coût de l'assemblage, tandis que l'intercalaire en néoprène affecte négativement le processus d'assemblage. La comparaison de la figure 14 inclut également des ensembles de blocs de verre creux conventionnels comme référence, bien qu'ils n'aient pas de rôle structurel. Bien que le tableau offre une indication solide des forces et des faiblesses de chaque assemblage, une validation structurelle des matériaux intercalaires secs pour les géométries imbriquées est nécessaire pour que l'évaluation soit complète, comme décrit dans la section suivante.

L'objectif de cette recherche est de découvrir l'effet de différents matériaux intercalaires sur les performances et le potentiel de construction d'un assemblage à sec, assemblage de briques de verre coulées à emboîtement. Cette couche intermédiaire assure une répartition uniforme de la charge entre les composants en verre et tient compte des micro-aspérités de surface, empêchant une défaillance précoce. Avant cette recherche, une exploration limitée concernant la matérialité de l'intercalaire avait été faite, car l'assemblage de blocs de verre coulés imbriqués est en soi une nouvelle structure.

A travers la redéfinition des critères de performance, un examen approfondi des différents matériaux utilisés avec le verre ou comme intercalaires, a limité les candidats à : PETG (Vivak®), Néoprène et Aluminium, issus des familles monomatériaux, et PU laminé et Aluminium à âme tendre comme choix de matériaux hybrides. La mesure dans laquelle les propriétés uniques de tous les matériaux affectent la fabrication, les détails et l'assemblage de la structure à emboîtement a été examinée.

La présente recherche ne conclut intentionnellement pas à un seul matériau intercalaire approprié. Au lieu de cela, l'exploration parmi différentes familles de matériaux aboutit à un guide général des paramètres affectés lors de la fabrication et de la construction de l'assemblage de verre coulé à emboîtement. Le lien de cause à effet depuis le choix d'un matériau intercalaire jusqu'à l'assemblage final est illustré à la Fig. 15. Selon l'intention et la priorité d'un projet, la voie la plus appropriée peut être suivie. Par exemple, si une transparence de haut niveau est requise, le PETG (Vivak®) est le plus susceptible de servir l'intention. Si toutefois on envisageait d'avoir l'assemblage à emboîtement sur une façade étendue, alors les intercalaires ne risquant pas de fluage seraient favorisés, comme l'Aluminium.

Ainsi, la Fig. 15 sert une feuille de route de sélection qui peut guider les ingénieurs et les architectes sur le matériau le plus approprié en fonction des critères prioritaires de l'étude de cas respective.

En ce qui concerne la fabrication de l'intercouche, chaque matériau dicte quelle méthode de mise en forme est la meilleure pour obtenir la géométrie souhaitée et quelle épaisseur doit être préférée. Dans le cas d'intercalaires monomatériaux, les procédés de fabrication sont assez courants, alors que le choix d'un intercalaire hybride entraînerait une complexité accrue.

Les détails et l'assemblage de la structure d'emboîtement sont principalement affectés, compte tenu des différents matériaux intercalaires. La propriété la plus définitive des candidats intercalaires pour cette phase est leur tendance ou non au fluage, qui à son tour définit les exigences de l'ensemble de l'assemblage. Sur la base des propriétés du matériau, deux cas distincts sont analysés.

Lorsque le risque de fluage est évident (PETG (Vivak®), Néoprène, PU laminé), l'ensemble nécessite une compression supplémentaire sur site, pour éviter le tassement de la façade, inévitable du fait du matériau intercalaire. La compression de la paroi en briques de verre sur site assure une performance structurelle constante des intercalaires et un transfert de charge homogène sur l'ensemble de l'assemblage. Pour ce faire, la poutre supérieure doit changer de position pendant la construction, ce qui nécessite un équipement supplémentaire. De plus, ces intercalaires étant plus vulnérables au flambage, la hauteur maximale admissible de l'assemblage est limitée. Sans crainte de fluage (Aluminium, Soft core Aluminium), l'assemblage peut se dilater, résultant en une structure portante plus grande.

Enfin, le résultat le plus évident du changement de matériau intercalaire, est l'aspect de l'assemblage. Le choix entre des intercalaires transparents, opaques ou réfléchissants a un effet immédiat sur la façon dont l'ensemble réagit à la lumière, sur le degré d'accentuation de la géométrie imbriquée et sur l'impression générale de la façade.

En raison des restrictions liées à la pandémie de Covid-19, il n'a pas été possible d'effectuer des tests structurels pendant la durée de la recherche présentée. Ainsi, la principale recommandation suite à cette recherche serait d'effectuer des tests expérimentaux pertinents, qui offriront une indication de la famille de matériaux la mieux adaptée à l'assemblage particulier, car chaque famille de matériaux est représentée dans les alternatives proposées. Les tests attendus comprendraient des tests d'intercalaires plats et façonnés de l'épaisseur finale souhaitée sous charge statique pour le fluage, des tests de cisaillement hors plan pour les charges latérales et des tests uniaxiaux d'assemblages plus hauts pour la flexion. Alors que le fluage était considéré comme une propriété matérielle déterminante pour cette recherche, la validation structurelle des intercalaires proposés peut révéler des propriétés supplémentaires qui affectent l'assemblage. Considérant que l'assemblage à emboîtement est un nouveau système, de nombreux aspects peuvent encore être explorés davantage. Les tests de validation recommandés sont illustrés à la Fig.16.

En ce qui concerne l'assemblée, les points clés et les principes critiques dans une telle structure ont été mis en évidence. Outre les enveloppes autoportantes, l'assemblage à emboîtement a le potentiel d'être également appliqué à d'autres éléments de compression, tels que des colonnes ou des arcs. La réversibilité du système fait également d'un tel assemblage une proposition prometteuse pour les projets de restauration (Barou, 2016).

Enfin, une enquête supplémentaire sur les performances thermiques doit être effectuée et définie comme paramètres de conception supplémentaires. La nature monolithique des briques de verre coulé se traduit par des propriétés d'isolation relativement médiocres et présente un risque élevé de condensation en surface.

Akerboom, R.: Glass Columns, explorant le potentiel des colonnes de verre autoportantes assemblées à partir d'éléments moulés empilés. Université de technologie de Delft, Delft (2016)Ashby, MF, Shercliff, H., Cebon, D. : Matériaux : ingénierie, science, traitement et conception Butterworth-Heinemann, Oxford (2007)Aurik, M., Snijder, A., Noteboom, C., Nijsse, R., Louter, C. : Analyse expérimentale du système d'intercalaire en verre dans les arcs en maçonnerie de verre. Glass Structures & Engineering 3(2), pp. 335-353 (2018) doi:10.1007/ s40940-018-0068-7Aurik, M. : Aspects structurels d'un pont de maçonnerie en verre arqué. Université de technologie de Delft, Delft (2017)Barou, L : Restauration transparente, Université de technologie de Delft, Delft (2016)Daryadel, SS, Mantena, PR, Kim, K., Stoddard, D. et Rajendran, AM : Réponse dynamique du verre sous impact à faible vitesse et charge de compression SHPB à taux de déformation élevé. Journal des solides non cristallins, Elsevier, 432, p. 432–439 (2016) https://doi.org/10.1016/j. jnoncrysol.2015.10.043 DuPont. (sd). Téflon PTFE : résine fluoropolymère. Extrait le 6 janvier 2020 de http://www.rjchase. com/ptfe_handbook.pdf Gallagher Corporation : Principes de liaison du polyuréthane coulé aux métaux, Gallagher Corporation [fichier vidéo]. (2017) Extrait de https://www.youtube.com/watch?v=lxQYfjoZr_wGranta Design Limited : CES EduPack (2019)Hannah, BH : Jaume Plensa : Crown Fountain as Carnivalesque. Umi Dissertation Publishing, États-Unis (2009)Hayez, V., Gubbels, F., Chambard, G. : Optimisation de la transparence de la façade avec des espaceurs en silicone transparents. Journées de performances verrières (2019)Jacobs, EAM : Consolidation structurelle des monuments historiques par emboîtement d'éléments en verre coulé. Université de technologie de Delft, Delft (2017)Kula, DK, & Ternaux, ET : Matériologie : Le guide créatif des matériaux et des technologies (édition révisée). Frame Publishers, Amsterdam (2009)Liu, C., Zhang, YX et Heslehurst, R. : Résistance aux chocs et capacité de liaison des panneaux sandwich avec revêtements en stratifié fibre-métal et âme en mousse d'aluminium. Journal of Adhesion Science and Technology, 28(24), pp. 2378–2392. (2014) https://doi.org/10.1080/016942 43.2014.967744 Liu, X., Tian, ​​X., Lu, TJ, Zhou, D., & Liang, B. : Résistance au souffle des cylindres creux à paroi sandwich avec noyaux en mousse métallique graduée. Structures composites, 94(8), p. 2485–2493. (2012) https://doi. org/10.1016/j.compstruct.2012.02.029 McKeen, LW : Introduction au fluage, aux polymères, aux plastiques et aux élastomères. L'effet du fluage et d'autres facteurs liés au temps sur les plastiques et les élastomères, p. Pavillon aammat au Groenland : De la recherche à la réalisation. Journal of Architecture, Structures and Construction, Springer, Heidelberg (2022) https://doi.org/10.1007/s44150-022-00031-2 Oikonomopoulou, F., Bristogianni, T., Barou, L., Veer, FA : Intercalaires secs en caoutchouc polyuréthane coulé pour structures en verre coulé à emboîtement : exploration expérimentale et validation. Dans : Actes de la septième conférence internationale sur l'ingénierie structurelle, la mécanique et le calcul (SEMC). Cape Town (2019a)Oikonomopoulou, F. : Dévoiler la troisième dimension du verre, A+BE, Rotterdam (2019b) Oikonomopoulou, F., Bristogianni, T., Barou, L., Jacobs, E., Frigo, G., Veer, F., & Nijsse, R. : Interlocking cast glass components, Exploring a demountable dry-assembly structural glass system. Heron, 63(1/2), 103-138, (2018)Oikonomopoulou, F., Bristogianni, T., Veer, FA, Nijsse, R. : La construction de la façade des Maisons de Cristal : défis et innovations. Structures de verre et ingénierie, pp. 1-22 (2017). https://doi.org/10.1007/s40940-017-0039-4Oikonomopoulou, F., Veer, FA, Nijsse, R., Baardolf, K. : Un système de maçonnerie en blocs de verre à la chaux sodée complètement transparent et collé. Journal de conception et d'ingénierie de façade 2(3-4), 201-222 (2015). https://doi.org/10.3233/FDE-150021 Oikonomopoulou, F., Veer, F., Nijsse, R. et Baardolf, K. : Un système de maçonnerie en blocs de verre sodocalcique complètement transparent et collé, In U. Knaack et T. Klein, Journal of facade design and engineering Vol. 2, No.3-4, IOS Press, Delft (2014)Oshima, KT : The Architectural Review, Optical Glass House, Hiroshima, Japon. 〈https://www.architectural-review.com/today/optical-glass-house-hiroshima-japan/8638709.article〉. (2012)Paech, C., Göppert, K. : Joints de verre innovants - Le Mémorial du 11 mars à Madrid. Dans : Louter, C., Bos, F., Veer, F. (eds.) Challenging Glass : Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, pp. 111-118. IOS Press, Delft, (2008) Paech, C., Göppert, K. : Qwalala – Monumentale Skulptur aus verklebten Glasblöcken. ce/papers 2(1), 1-12 (2018)Parascho, S., Han, IX, Walker, S., Beghini, A., Bruun, EPG et Adriaenssens, S. : 'Robotic voûte : une méthode d'assemblage robotique coopérative pour la construction de voûtes en briques', Construction Robotics, 4 pp.117-26.(2020)https://doi.org/10.1007/s41693-0 20-00041-w Patterson, M. : Façades et enceintes en verre structurel (1ère éd.). Wiley, Hoboken (2011)Sheikh, MZ, Wang, Z., Suo, T., Li, Y., Zhou, F., Ahmed, S., ... Wang, Y. : Défaillance dynamique du verre recuit et renforcé chimiquement sous une charge de compression. Journal des solides non cristallins, 499, pp. 189–200. (2018) https://doi.org/10.1016/j. jnoncrysol.2018.07.043 Torre, L., & Kenny, JM : Essais d'impact et simulation de structures sandwich composites pour le transport civil. Structures composites, 50(3), p. 257–267. (2000) https://doi.org/10.1016/s0263- 8223(00)00101-xWurm, J., & Peat, R. : Glass Structures : Design and Construction of Self-supporting Skins. Birkhauser, Boston (2007)Yang, H. : Conception de façade avec système de verre coulé imbriqué. Basé sur une enquête sur le comportement structurel., Université de technologie de Delft, Delft (2019)Zheng, K., Politis, DJ, Wang, L. et Lin, J. : Un examen des techniques de formage pour la fabrication de composants légers de panneaux en aluminium de forme complexe. Journal international des matériaux légers et de la fabrication, 1(2), pp. 55–80. (2018) https://doi. org/10.1016/j.ijlmm.2018.03.006