Ailettes en verre

Date : 27 mars 2023

Auteur : Marcin Brzezicki

Source:Série de conférences IOP : Science et génie des matériaux, volume 603, numéro 2

EST CE QUE JE:10.1088/1757-899X/603/2/022040

L'utilisation d'ailettes en verre constitue une tendance émergente récente dans l'industrie de la façade. Les ailettes (nervures) pourraient être définies comme de longues bandes de verre montées perpendiculairement à la surface de la façade. Les ailettes sont utilisées comme éléments (i) décoratifs (enrichissement esthétique de la façade), (ii) fonctionnels (brise-soleil) et (iii) structurels (renfort et porteur) de la façade. La tendance générale à utiliser des ailettes en verre est le résultat de l'abondance de verre de bonne qualité, qui permet une utilisation sûre d'éléments relativement petits qui sont montés ponctuellement ou fixés d'une manière différente à la surface de la façade. Cette tendance des ailettes en verre mérite d'être revue, illustrée par les photographies réalisées sur place montrant différents domaines d'application. L'examen donné de l'application des ailettes en verre est basé sur une étude morphologique générale des façades transparentes que l'auteur a menée tout au long de l'année 2017-2019, et comprenant la position de l'ailette, l'orientation de l'ailette et les qualités transmissives du fin – transparent, translucide et sérigraphié. Les ailerons pourraient également être abordés comme un élément d'articulation formel stratégique du point de vue de la forme architecturale du bâtiment.

La transparence architecturale contemporaine (comprise comme la propriété optique de transmettre la lumière à travers le matériau) est constamment redéfinie et, au cours de la dernière décennie, de nouvelles tendances de conception liées aux façades transparentes en architecture ont été développées. Ces tendances sont les résultats du progrès technologique dynamique et de l'avancement dans le domaine de la science des matériaux. La transparence n'est plus limitée à des fonctions spécifiques (par exemple l'éclairage de l'intérieur) mais est devenue un outil d'expression formelle lui-même. Outre la compréhension standard de la transparence comme l'utilisation de matériaux perméables à la lumière dans la conception des façades, on peut trouver d'autres interprétations innovantes et créatives. Les ailettes en verre sont devenues l'un des éléments de cette tendance à la transparence abondante vers les années 1950 et se développent rapidement aujourd'hui.

Ce bref aperçu de l'application des ailettes en verre est basé sur des études de morphologie générale des façades transparentes que l'auteur a menées au cours de l'année 2015-2017 et publiées en 2018 [1]. Cela a permis d'isoler l'une des principales tendances - une tendance des ailettes en verre qui, selon l'auteur, mérite une analyse plus approfondie. La description de la tendance donnée dans cet article est suivie de photographies prises sur place montrant différents domaines d'application dans les bâtiments achevés.

Les ailettes de verre (également appelées nervures et lamelles) pourraient être définies comme de longues bandes de verre montées à la surface de la façade. Les ailettes sont montées en position horizontale et verticale et aux différents angles par rapport à la surface de la façade (généralement perpendiculairement). Les ailerons sont utilisés comme élément structurel, fonctionnel et décoratif de la façade. L'apparition de la tendance glass-fin est évidemment liée au développement dans le domaine de la ferrure, du montage et du laminage du verre. Cela a permis de fabriquer des bandes étroites et de les monter en toute sécurité en pointe ou en bordure sur la façade en hauteur.

Ce court aperçu n'offre pas d'espace pour la présentation détaillée des caractéristiques structurelles des ailettes en verre, mais au moins quelques questions pourraient être discutées. Les ailerons en verre structurel sont principalement le résultat des efforts des architectes et de leurs clients pour créer des façades dites tout en verre. L'utilisation de ce système remonte aux années 1950 où des ailettes étaient utilisées pour stabiliser les vitrines avec une des premières applications à la Maison de la Radio à Paris (arch. Henry Bernard, 1952-1963) [2]. Les ailettes en verre du point de vue structurel remplacent les meneaux verticaux opaques dans les systèmes classiques de façade à mur-rideau.

L'application réussie de ce système dans les premiers bâtiments - par exemple le siège Willis Faber & Dumas de Foster and Partners, où la façade est partiellement suspendue par le haut - à l'aide d'ailettes en verre - a facilité la diffusion du système et poussé la technologie pour la création de nouveaux développements. Les ailettes en verre sont reliées au vitrage de façade au moyen de raccords patch, de raccords d'angle ou de raccords de montage ponctuel, les systèmes disponibles sont nombreux offrant la hauteur des ailettes jusqu'à 12-15 mètres, atteignant 18 m selon certaines propositions conceptuelles [3]. Les raccords patch et les systèmes de montage ponctuel ont été introduits par la suite. Des plaques d'acier sont également laminées entre les couches de verre formant des ailettes en verre. Les plaques sont ensuite utilisées pour connecter les éléments de la façade et pour assurer le transfert de charge approprié.

L'aspect le plus difficile d'un mur à ailettes de verre "se produit lorsque la portée est trop grande pour être prise en charge par une ailette d'une seule pièce, et un détail d'épissure doit être développé pour créer une ailette composée de plusieurs pièces de verre" [4]. Initialement, des ailerons plus longs devaient être connectés au moyen de plaques de raccordement pour fixer ensemble des ailerons plus petits, mais la toute dernière technologie d'ailerons en verre trempé laminé permet même de produire des ailerons laminés de plus de 40 pieds de haut en une seule pièce (par exemple par Sedak).

Les ingénieurs en structure utilisent des ailettes en verre comme moyen de raidir la structure. Leur orientation est généralement perpendiculaire à la surface de la façade vitrée. Les ailettes sont utilisées pour rendre les parois vitrées plus rigides, pour réduire les déflexions et pour améliorer la capacité portante des charges horizontales - elles "portent généralement la pression positive du vent et les forces d'aspiration" [5]. Jan Wurm écrit que du point de vue structurel, les ailerons sont "normalement suspendus et tous les mouvements dans la structure primaire sont logés au niveau du support inférieur de l'aileron" [5].

Les ailettes sont généralement en verre feuilleté mais peuvent également être monolithiques. Outre les différences structurelles, il existe certaines contraintes visuelles concernant l'utilisation d'ailettes feuilletées car "ces systèmes peuvent sembler plus épais que les ailettes monolithiques lorsqu'ils sont vus de l'intérieur sous un angle ou directement derrière même avec du verre ultra-clair à faible teneur en fer" [ 2]. Même si l'intercalaire utilisé pour feuilleter le verre est clair, il sera toujours quelque peu visible de l'intérieur. Cet effet a pu être observé dans l'Apple Store Boylston Street à Boston (arch. Bohlin Cywinski Jackson, 2008), où les ailettes en verre sont fabriquées à partir de 5 panneaux de verre avec un matériau intercalaire structurel, affectant visiblement la transparence de cet élément (voir Figure 1) . Dans ce cas particulier, les ailettes sont solidaires des poutres formant un élément continu (un portique). Bien qu'une poutre ressemble à l'aileron, elle est soumise à une force de flexion et au flambage qui en résulte, elle doit donc être conçue différemment. Les éléments sont reliés au moyen de raccords en acier inoxydable poli.

Des ailettes en verre fonctionnelles sont utilisées comme éléments d'ombrage, ainsi les ailettes deviennent des persiennes. Généralement orientés horizontalement, ils bloquent le soleil et permettent aux utilisateurs du bâtiment des vues extérieures ininterrompues. Les persiennes utilisées comme ombrage nécessitent plus d'entretien, car la position horizontale facilite l'accumulation de saleté. Dans certains cas, les persiennes horizontales en verre sont motorisées et s'adaptent à l'angle d'ensoleillement. L'un des systèmes de rétraction mécanique des persiennes en verre les plus compliqués a été développé à la fin des années 1990 à Zurich, au siège social de Tamedia Ernst-Nobs Platz (arch. Atelier WW, 2001). Les persiennes en verre opaque sont motorisées à l'aide de systèmes à pantographe qui les abaissent dans la bonne position en réglant la longueur des câbles en acier. Les ailettes transparentes en verre de bonne foi sont utilisées comme support pour un rail de guidage pour ce mécanisme, et non comme une partie du système de diffusion de la lumière (voir Figure 2).

Les ailettes d'ombrage sont également utilisées en position verticale, ce qui les rend moins sujettes à la saleté et aux salissures. Les ailettes verticales externes en verre sont également utilisées comme élément diffuseur de lumière et sont donc appelées déflecteurs (remplissant la fonction de ce que l'on appelle la tablette lumineuse verticale). Pour une diffusion verticale encore plus efficace de la lumière, les ailettes sont fabriquées sous forme d'éléments translucides, par exemple sablés ou frittés, car "lorsqu'elles sont infusées, elles peuvent aider à répartir uniformément la lumière sans réduire considérablement la quantité totale de lumière" [4] et pourraient contribuer à la réduction globale de l'éblouissement dans les bureaux, par exemple comme à Canada Place à Canary Wharf, (arch. Zeidler Partnership Architects, 2003), voir Figure 3.

Des ailettes sablées situées sur la façade nord du Federal Office Building à San Francisco (arch. Morphosis, 2007) sont utilisées comme dispositifs de redirection de la lumière (voir Figure 4a) tandis que des ailettes sérigraphiées sur la façade ouest de l'INES - Institut national français de l'énergie solaire ( arch. Atelier Michel Rémon + Agence Frédéric Nicolas, 2013) sont utilisés à la fois : redirection de lumière (aux heures de pointe de la journée) et dispositif d'ombrage (l'après-midi – voir Figure 4b). Les ailettes en verre dans INES pourraient être pivotées autour de l'axe vertical au moyen d'actionneurs électriques (un actionneur commande quatre ailettes à une hauteur de plancher). Un système similaire a été appliqué dans le bâtiment Galizia Fashion Plaza, dans la ville allemande de Metzingen.

Les ailettes en verre sont également utilisées comme support de cellules PV produisant ce que l'on appelle l'élément shadovoltaïque. Les cellules photovoltaïques sont généralement stratifiées entre deux vitres, ce qui facilite le processus de production et protège les cellules de l'influence des intempéries. L'orientation de l'installation peut varier en fonction du résultat attendu. Dans le Swiss Tech Convention Center (arch. Richter Dahl Rocha & Associés, 2014), des cellules transparentes teintées sont installées sous forme de lamelles de verre dans une orientation verticale et inclinées à un angle légèrement oblique, permettant une circulation d'air facile tout en restant visibles de l'extérieur. à l'intérieur du bâtiment (voir Figure 5).

Une bonne ventilation entraîne une baisse de la température de surface des cellules PV, ce qui les rend plus efficaces en termes de production d'énergie [6]. Dans le centre d'innovation de Merck à Darmstadt (arch. Henn Architekten, 2015), la société Colt a installé un nombre total de 74 ailettes photovoltaïques pour générer de l'énergie électrique. Certaines d'entre elles sont statiques et situées perpendiculairement à la surface de la façade, mais 17 ailettes pivotent verticalement pour suivre le soleil et augmenter le gain d'énergie [7]. Les cellules solaires rotatives génèrent de l'électricité et fournissent en même temps de l'ombrage et de la réflexion de la chaleur.

Des rendements supérieurs à 12 % peuvent être reproduits en laboratoire, tandis que la plage de 2 à 3 % est réalisable dans des applications à grande échelle. Une application similaire d'ailettes en verre a pu être observée au siège de la société de capital-investissement Istituto Atesino di Sviluppo (arch. Renzo Piano Building Workshop, 2013) situé dans le quartier de Le Albere à Trente. Dans ce cas, les éléments photovoltaïques stratifiés entre les vitres forment des persiennes horizontales, qui à la fois protègent le bâtiment du soleil et génèrent de l'électricité (voir Figure 6).

Les ailettes en verre sont également utilisées comme élément accrocheur. Des ailettes (généralement dans ce cas appelées lamelles) situées perpendiculairement à la façade permettent de modifier l'apparence de la façade en fonction de la position du spectateur. Les bâtiments semblent massifs, forment la perspective oblique et légers et aérés s'ils sont vus de face. Ceci est également fréquemment lié aux expériences avec le matériau lui-même; les ailettes décoratives sont sablées, décorées de motifs, peintes et recouvertes de revêtements spéciaux (par exemple les revêtements sélectifs spectraux) comme dans une installation artistique appelée Dichroic Light Field à New York (arch. James Carpenter, 1995) - voir Figure 7a. Les ailettes G sont également fréquemment utilisées comme substitut de la décoration sculpturale qui manque aux façades vitrées plates.

De nombreux efforts dans ce domaine ont abouti à la création de cas très impressionnants d'application d'ailettes de verre en tant qu'éléments strictement décoratifs. L'un des cas les plus impressionnants d'application des ailettes décoratives est le bâtiment W16 à Bruxelles (arch. Conix RDBM Architects, 2009), où les ailettes en verre sont torsadées autour de l'axe vertical et montées sur les plaques de sol en saillie du bâtiment. Le verre des ailettes est plié à froid, offrant une quantité sans précédent de réflexions déformées lorsqu'il est vu sous l'angle oblique (voir Figure 7b).

Le schéma de placement le plus courant est défini par la fonction de l'ailette : les ailettes structurelles sont le plus souvent situées à l'intérieur, tandis que les ailettes d'ombrage sont placées à l'extérieur, pour empêcher la lumière du soleil de pénétrer à l'intérieur du bâtiment. Cet emplacement externe provoque généralement un encrassement accru, une accumulation de saleté et un effort d'entretien plus important, mais - simultanément - certaines de ces ailettes sont fréquemment utilisées comme éléments décoratifs de la façade. Les ailettes structurelles sont généralement verticales, tandis que les ailettes fonctionnelles sont ajustées en fonction de la trajectoire du soleil et de la géométrie du bâtiment. Avec les façades orientées au sud, l'emplacement des ailettes est horizontal, tandis que les façades est et ouest sont le plus efficacement ombragées par des ailettes verticales, comme dans le cas du Federal Office Building à San Francisco (arch. Morphosis, 2007).

Dans certains cas de façades adaptatives, les ailettes en verre pourraient être motorisées pour suivre la trajectoire du soleil ou fournir l'ombrage ou la diffusion de la lumière du jour à la demande de l'utilisateur. De cette manière, une façade adaptative est capable de "modifier ses fonctions, ses caractéristiques ou son comportement dans le temps, en réponse à des exigences de performances transitoires et à des conditions aux limites" [8] par l'ajustement d'un seul élément. Ainsi, les ailettes permettent d'éviter la surchauffe intérieure et de protéger les utilisateurs de l'éblouissement, comme dans le cas des Bureaux ovales de Cologne (arch. Sauerbruch et Hutton, 2010) – voir Figure 8 – où des ailettes en verre laqué sont motorisées pour fournir la régulation de la lumière du jour aux utilisateurs du bâtiment.

Les ailerons sont incontestablement devenus des éléments des façades vitrées contemporaines, remplissant de nombreuses fonctions et offrant de multiples effets visuels. Ceux-ci pourraient être utilisés comme éléments structuraux, fonctionnels et décoratifs. Au fur et à mesure de l'évolution du vitrage structurel, les ailettes sont systématiquement intégrées dans les façades comme élément porteur, permettant le remplacement des meneaux non transparents. En même temps, les ailettes sont des éléments d'ombrage et de récupération d'énergie, tout en produisant simultanément un résultat optique intéressant. Le rôle esthétique des ailettes en verre ne peut être sous-estimé car les ailettes sont fréquemment utilisées comme élément sculptural de la façade, soulignant son rythme et définissant les proportions.

Cet article a été financé par les subventions du Centre national des sciences polonais intitulé : "Nouvelles tendances dans l'architecture des façades transparentes - expériences formelles, innovations technologiques", réf. Non. 2014/15/B/ST8/00191 et par la bourse intitulée : "Les ailerons de verre (nervures) en tant qu'élément décoratif et structurel des façades vitrées. Analyse d'études de cas", réf. n° : S80401-0067-10-K0106.

[1] M. Brzezicki, Études sur les morphologies des façades vitrées, Transparence technique 2018 : le verre dans l'architecture et l'ingénierie structurelle, éd. : Jens Schneider, Bernhard Weller. Berlin WileyBlackwell/Ernst & Sohn, flic. 2018. p. 153-160. [2] C. Hein, The Capital of Europe: Architecture and Urban Planning for the European Union, Greenwood Publishing Group, 2004. [3] J. Kooymans, J. Schneider et H. Techen, Long span glass fin design, Challenging Glass : Conférence sur les applications architecturales et structurelles du verre ; éd. F. Bos, Ch. loutre ; F. Veer, Faculté d'architecture, Université de technologie de Delft, IOS Press, 2008. [4] Enclos Corp, Glass Fin [en ligne] Service and Technology, 2019 [consulté le 1.03.2019], disponible sur : http://www. enclos.com/service-and-technology/technology/structural-glassfacades/facade-structures/glass-fin/. [5] J. Wurm, "Structures en verre : conception et construction de peaux autoportantes", Springer Science & Business Media, 2007. [6] Ailettes en verre feuilleté par rapport aux ailettes monolithiques trempées : lignes directrices pour les applications de verre à support ponctuel, 2015 [ consulté le 1.03.2019], disponible sur : http://www.wwglass.com/blog/post/laminated-glass-fins-vs-tempered-monolithic-glassfins/. [7] M. Muszynska-Lanowy, "Solar photovoltaic systems", Swiat Szkla, 3, pp. 10-14, 2011. (en polonais) [8] RCGM Loonen, JM Rico-Martinez, F. Favoino, M. Brzezicki , ch. Menezo, G. La Ferla & LL Aelenei "Conception pour l'adaptabilité des façades : vers une caractérisation unifiée et systématique". In 10th Conference on Advanced Building Skins, 3-4 novembre 2015, Berne, Suisse, pp. 1284-1294, Munich : Economic Forum, 2015.