Réhabilitation et renforcement du patrimoine industriel

Contexte du projet

L'arsenal de Hanyang a été fondé par Zhang Zhidong, gouverneur général du Huguang ; les travaux ont commencé en 1892 et la production en 1894. Le site a ensuite produit environ 1,08 million de fusils fabriqués à Hanyang, l'arme chinoise la plus utilisée pendant la guerre de Résistance, et ses bâtiments constituent le commencement physique de l'histoire industrielle moderne de la Chine.

Le quartier d'amorçage de Guibei (colline de la Tortue du Nord) connaît aujourd'hui son deuxième cycle de renouvellement, sur 108 600 m² au total, dont 88 000 m² d'anciens bâtiments d'usine. La reconversion prend l'activation du patrimoine industriel comme fondement, les industries culturelles et créatives comme cœur et le tourisme culturel et les loisirs comme programme d'accompagnement, avec l'objectif affiché d'établir un centre international d'échanges culturels et une destination de tourisme culturel de renommée mondiale. Le projet couvre la protection et la réhabilitation de 48 bâtiments et structures du patrimoine industriel, selon les principes d'un projet par bâtiment, de réparer l'ancien comme de l'ancien, de restituer le caractère d'origine et d'ajouter des équipements avec mesure.

Sur le plan structurel, le site n'est pas un type de bâtiment unique mais l'accumulation d'un siècle de construction industrielle. Les halles d'atelier des photographies sont des bâtiments à grande portée, avec des poteaux en béton portant des poutres annulaires et des poutres de plancher, des murs de remplissage en maçonnerie de brique entre les poteaux, et des fermes de toit en acier rivetées ou soudées franchissant toute la largeur de la halle sans appui intermédiaire. Le tablier de toiture et ses structures de lanterneau reposent sur les fermes, et les fondations sont superficielles et de l'époque.

L'état avant renforcement était typique d'une installation de production abandonnée depuis longtemps. Les murs de brique étaient fissurés et écaillés, les fermes métalliques et leurs assemblages étaient corrodés au-delà du film de peinture, les panneaux de toiture étaient brisés et laissaient entrer la lumière du jour dans les halles, et gravats et débris jonchaient le sol. L'enveloppe comme la structure demandaient une intervention, et les travaux devaient se dérouler dans un parc accueillant encore des locataires, des événements et du public.

Problèmes

• Les systèmes structurels sont mixtes et hétérogènes. Un site construit sur plus d'un siècle réunit maçonnerie de brique, portiques en béton armé, fermes métalliques de plusieurs générations et remplissages postérieurs, et aucune typologie unique ne peut s'appliquer aux 48 bâtiments. Chaque structure a dû être évaluée selon ses propres termes.

• Les halles sont à grande portée, sans poteaux intermédiaires. Une ferme métallique franchissant toute la largeur de l'atelier porte la toiture et, dans une halle reconvertie, les nouvelles charges d'exploitation et les charges d'équipement des studios, scènes, galeries et espaces de rassemblement public. Les poteaux situés dessous portent les fermes et les poutres de plancher, et leur demande axiale s'accumule sur toute la hauteur du bâtiment. Dans ce système, une insuffisance sur un poteau ou une ferme n'est pas un problème local, car il n'existe pas de second chemin pour cette charge.

• La contrainte patrimoniale a écarté le premier réflexe conventionnel. La valeur de ces bâtiments tient au fait qu'ils sont les structures d'origine. Un raidissement de section en béton modifie la proportion de l'élément et laisse une modification permanente sur le tissu historique, et un chemisage métallique complet des fermes enferme la charpente d'origine dans une nouvelle cage d'acier et produit le même effet. Ni l'une ni l'autre ne pouvait se concilier avec un bâtiment dont le sens est l'authenticité, et ni l'une ni l'autre n'était réversible.

• Le poids, la hauteur libre et les fondations étaient des limites strictes. Les fondations existantes ont été dimensionnées pour les charges industrielles d'origine et sont elles-mêmes de construction historique ; elles ne pouvaient donc être élargies sans risque archéologique. En même temps, la hauteur libre sous les planchers ne pouvait être réduite, car cette hauteur constitue le volume intérieur sur lequel repose tout le programme culturel et touristique. Tout système de renforcement devait apporter de la capacité en dépensant le moins possible du budget de poids et de hauteur et, partout où le poids était inévitable, il devait être porté et vérifié.

Stratégie de renforcement

• Tissu polymère renforcé de fibres de carbone, appliqué sur les planchers

Les planchers en béton existants ont été évalués et se sont révélés insuffisants en flexion et en effort tranchant pour le nouvel usage. La chape historique était mince et, par endroits, carbonatée et décollée, la hauteur utile de la dalle était faible, et les charges d'exploitation et de cloisonnement ajoutées par la reconversion ont consommé la marge restante.

Pour ce travail, du tissu de fibre de carbone a été collé sur les planchers, avec des bandes appliquées sur la face tendue en sous-face de la structure de plancher et des bandes supplémentaires sur les appuis pour l'effort tranchant. Comme les bandes ont de 0,111 à 0,333 mm d'épaisseur selon la classe, une bande n'ajoute pratiquement ni poids ni épaisseur. C'est la propriété décisive ici. Une tôle d'acier collée en sous-face de dalle aurait ajouté un poids réel à un système de dalle et de mur portant déjà les charges historiques, et aurait retiré de la hauteur libre à toutes les pièces situées dessous, qui sur ce site est l'espace dont dépend tout le programme.

Les travaux ont été exécutés en hauteur depuis des plates-formes d'accès mobiles, avec le support préparé et les bandes marouflées dans la colle fraîche par le dessous. La sous-face d'une dalle historique est la surface la plus susceptible de rester poussiéreuse et irrégulière, et la qualité du collage ici en dépend entièrement.

• Collage de tôles d'acier, appliqué sur les poutres et les fermes métalliques de toiture

Le collage de tôles d'acier a été utilisé sur les deux éléments portant la demande et la dégradation les plus fortes.

Les poutres. Les poutres annulaires et les poutres sur les files de poteaux étaient insuffisantes en flexion et en rigidité sous le nouveau chargement. Des tôles d'acier ont été collées sur leurs faces tendues à l'époxy structurale, formant une section composite acier-béton. La tôle d'acier transmet bien plus d'effort par unité de surface que la fibre, et son module élevé accroît la rigidité de l'élément, ce qui compte ici car les nouvelles cloisons et les grandes portées des halles reconverties font de la flèche — et pas seulement de la résistance — une question d'aptitude au service.

Les fermes métalliques de toiture. Les fermes étaient les éléments les plus sévèrement touchés du site. Un siècle d'exposition et un entretien incomplet ont produit une perte de section dans les membrures et les diagonales, et une corrosion sévère aux nœuds, là où la demande est maximale et le détail d'origine le plus vulnérable. Des tôles d'acier ont été collées sur les éléments les plus sollicités et dans les zones d'assemblage, restituant la capacité perdue par corrosion et ajoutant la capacité requise pour l'usage reconverti. Une tôle collée sur un élément métallique agit aussi comme renfort local de la section perdue, un rôle qu'aucun système de fibres collées en surface ne peut tenir.

La méthode comporte ses propres obligations, et elles ont fait partie de la conception. La tôle d'acier est visible sur l'élément et modifie l'aspect du tissu historique ; elle n'a donc été utilisée que là où la demande structurelle était assez élevée pour le justifier et où la lecture patrimoniale de cet élément pouvait l'accepter. La tôle exige à la fois une protection anticorrosion et une protection au feu, et la colle qui la fixe perd rapidement de la résistance avec la température.

• Chemisage acier, appliqué sur les poteaux

Les poteaux étaient les éléments qui exigeaient le plus grand gain et ont reçu l'intervention la plus lourde.

Un chemisage a été construit autour de chaque poteau : des cornières métalliques posées aux quatre angles du béton existant, reliées entre elles par des plats ou des tôles horizontales à intervalles réguliers, et le vide entre l'acier et le béton d'origine rempli de mortier sans retrait ou de béton projeté. Le chemisage agit de trois manières à la fois. Les cornières et le remplissage de mortier s'ajoutent à la capacité axiale de la section, ce qui compte là où le poteau porte l'accumulation croissante des charges de plancher et de toiture. La cage d'acier continue confine le noyau de béton, ce qui élève la résistance en compression et la capacité de déformation du poteau et, surtout, transforme un élément fragile et mal confiné en un élément capable de développer une déformation ductile sous action sismique. Le chemisage élève aussi la capacité d'effort tranchant du poteau et, dans les zones de nœud, renforce la liaison avec les poutres.

Le chemisage était le bon choix pour les poteaux parce que leur demande n'était pas seulement la résistance mais le confinement et la ductilité, et parce que l'acier ajouté devait être continu sur toute la hauteur de l'élément. Un système de fibres collées aurait pu apporter du confinement, mais il aurait fallu de nombreuses couches pour atteindre la capacité axiale requise, tandis que le gain de section d'une cage d'acier aux angles est bien plus efficace en tonnage d'acier et en espace occupé.

Protection au feu et anticorrosion

Une fois le renforcement achevé, l'ensemble a été revêtu. Une protection au feu et anticorrosion projetée a été appliquée sur les systèmes collés, les chemisages et la charpente métallique, ce qui sert trois objectifs à la fois. Elle protège l'époxy des deux systèmes collés, qui n'est pas résistant au feu et ne doit pas être exposé. Elle protège de la corrosion la tôle d'acier collée et l'acier des chemisages. Et elle restitue une surface continue et claire sur les fermes et les éléments renforcés, ce qui permet aux halles rénovées de se lire comme un intérieur industriel cohérent plutôt que comme un patchwork de réparations.

En conclusion

La réhabilitation de l'arsenal de Hanyang est un cas où le problème structurel et le problème de conservation devaient être résolus ensemble. Un parc bâti industriel centenaire aux systèmes mixtes, des halles à grande portée sans redondance, l'exigence stricte de réparer l'ancien comme de l'ancien, et des fondations et hauteurs libres qui ne pouvaient être sacrifiées : chacun de ces facteurs, pris seul, aurait déjà restreint le choix de la méthode. Ensemble, ils ont fait d'une combinaison de trois systèmes la voie pratique d'un renforcement complet de 88 000 m² de patrimoine industriel — le tissu de fibre de carbone assurant le travail sur les planchers, là où poids et hauteur libre ne pouvaient être dépensés ; les tôles d'acier collées assurant le travail sur les poutres et les fermes de toit corrodées, là où capacité et rigidité constituaient la demande dominante ; et le chemisage acier donnant aux poteaux la capacité axiale et le confinement qu'exigeait le chemin de charge principal —, le tout refermé par un unique revêtement de protection projeté, pour que la halle rénovée se lise toujours comme un intérieur industriel.

La leçon plus large pour la réhabilitation patrimoniale est qu'il n'existe pas une seule meilleure méthode de renforcement. Il n'y a que la bonne méthode pour chaque élément, choisie au regard de sa demande réelle, de sa signification patrimoniale et des contraintes du site où il se trouve.