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Minneapolis, Minnesota, USA

Le stade U.S. Bank, nouveau terrain de jeu des Vikings du Minnesota

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L’écran extérieur trapézoïdal, qui mesure 16 m (53 pi) de haut du côté gauche, fait écho à la forme irrégulière et à l’immense verrière du stade U.S. Bank.

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Les déperditions de chaleur de la charpente d’acier en porte-à-faux de l’écran sont minimisées par des rupteurs de pont thermique posés à chaque point de pénétration de la charpente dans l’enveloppe isolée du bâtiment.

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Pour réduire les ponts thermiques, les tubes d’acier en porte-à-faux qui portent la charpente d’acier de l’écran de 279 m2 (3 000 pi2) ont été isolés de l’ossature d’acier intérieure du bâtiment par des rupteurs de pont thermique IsokorbMD de Schöck.

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Des rupteurs de pont thermique ont été posés sur 34 de ces tubes porteurs en porte-à-faux lors de l’installation de l’écran sur la superstructure du stade.

Dans le stade U.S. Bank, des rupteurs de pont thermique préviennent la condensation sur la charpente d’acier intérieure d’un écran géant.

Pour porter l’écran de 279 m2 (3 000 pi2) du nouveau stade U.S. Bank – le stade d’accueil des Vikings du Minnesota –, les architectes et les ingénieurs ne pouvaient pas se contenter de calculer les charges et les moments de la charpente d’acier. Il leur fallait aussi empêcher les ponts thermiques d’entraîner la formation de condensation propice à la rouille du côté chaud de l’enveloppe isolée du bâtiment pendant l’hiver. Les rupteurs de pont thermique leur ont sauvé la mise.

Comment HKS et Thornton Tomasetti ont isolé une structure extérieure glacée de 20,4 t de la charpente d’acier intérieure chaude

Avec l’asymétrie saisissante de sa structure et de son écran géant, son toit transparent, son immense verrière et ses portes de verre pivotantes de 30 m (95 pi) de haut, le nouveau stade U.S. Bank de Minneapolis a de quoi se démarquer et surprendre les visiteurs.

L’écran, extraordinairement grand et pesant, et exposé au froid glacial du Minnesota, repose sur des tubes d’acier qui s’élèvent en porte-à-faux à partir de la charpente métallique du bâtiment, placée à l’intérieur de l’enveloppe chauffée. Une configuration qui a poussé HKS, le cabinet d’architecture du projet, et Thornton Tomasetti, son bureau d’études, à faire preuve de créativité.

Placé en surélévation, à 45 m (150 pi) du sol, sur la face extérieure de la proue ouest du stade, l’écran affiche le calendrier des matches, des publicités, les concerts au programme et d’autres informations en très haute résolution. Ce colosse s’étend sur 279 m2 (3 000 pi2) et pèse 20 400 kg (45 000 lb).

Il mesure 24 m (80 pi) de large en haut, mais 15 m (48 pi) seulement en bas, et 16 m (53 pi) du côté gauche contre 14 m (45,5 pi) du côté droit. Sa forme épouse celle de la proue ouest.

Les ingénieurs de Thornton Tomasetti étaient chargés de concevoir et de superviser l’installation de l’écran. « La géométrie était extrêmement complexe, se souvient Greg Litterick, associé principal chez Thornton Tomasetti. Il a fallu trouver le moyen d’ajuster les structures portantes et de fixer l’écran avec précision pour qu’il s’intègre parfaitement au mur. »

Autre défi : la conductivité des pièces portantes en acier. En effet, l’écran est raccordé à un panneau métallique extérieur derrière lequel se trouve un réseau de poteaux métalliques assorti d’une barrière d’étanchéité isolée, et le tout est encadré par une superstructure d’acier. Parce que l’acier est hautement conducteur et que les écarts de température entre l’atmosphère extérieure et l’intérieur chauffé de l’ossature seraient considérables en hiver, des ponts thermiques risquaient de se former. « Il était impératif d’empêcher l’acier extérieur froid d’entrer en contact avec l’acier intérieur chaud », résume Eric Grusenmeyer, ingénieur de projet chez Thornton Tomasetti.

Pour régler ce problème au niveau de la face intérieure et extérieure de chaque porte-à-faux d’acier, des rupteurs de pont thermique IsokorbMD ont été posés aux points précis où chaque support perce l’enveloppe isolée du bâtiment.

Les rupteurs de pont thermique sont des assemblages porteurs soudés et isolés, d’une largeur pratiquement identique à celle du mur isolé du bâtiment, qui diminuent le contact thermique entre la partie extérieure de la pénétration structurelle et la structure intérieure qui la porte. Ils réduisent ainsi au minimum la conductivité thermique entre les deux masses tout en optimisant la capacité portante de l’ouvrage.

Les rupteurs de pont thermique qui ont été utilisés pour ce projet sont équipés de brides et de boulons qui ont permis de les fixer aux tubes d’acier rectangulaires à brides du côté intérieur, et du côté extérieur, aux tubes opposés qui supportent l’écran.

Ce système réduit de moitié les déperditions de chaleur qui se produisent au niveau des pénétrations, ce qui réduit la facture énergétique, les émissions de carbone et la charge du système de chauffage. Plus important encore pour ce projet, ils empêchent la face intérieure des éléments porteurs d’atteindre le point de rosée, ce qui prévient la formation de condensation qui risquerait de compromettre la structure environnante et d’engendrer des frais d’entretien récurrents.

« Nos plans devaient tenir compte des hivers difficiles du Minnesota, explique Lance Evans, directeur et vice-président directeur d’HKS, le cabinet d’architecture qui a conçu le stade et l’écran. La température extérieure atteint régulièrement les moins 20 degrés, et l’intérieur du stade serait chauffé pour le confort des visiteurs. Il était donc essentiel de prévenir les ponts thermiques pour assurer l’intégrité et la performance de la structure. Les rupteurs de pont thermique constituaient une barrière efficace de ce point de vue. »

Comment fonctionnent les rupteurs de pont thermique?

L’écran s’appuie sur 34 tubes d’acier rectangulaires de 152 sur 102 mm (6 sur 4 po) placés en porte-à-faux, et sa stabilité est renforcée par des entremises horizontales et verticales.

Ces tubes, qui servent de stabilisateurs, forment un quadrillage placé en saillie de l’ossature tous les 2,7 m (9 pi) à la verticale, et tous les 2,4 à 5,2 m (8 à 17 pi) à l’horizontale. Parce qu’ils percent l’enveloppe du bâtiment, ils devaient être équipés de rupteurs de pont thermique à leurs points de pénétration. Chaque tube était divisé en deux sections à brides qui seraient fixées de chaque côté des rupteurs de pont thermique.

Le bureau d’études a choisi les rupteurs de pont thermique IsokorbMD de type acier sur acier fabriqués par Schöck North America. Chaque module se compose d’un profilé de charpente creux de forme rectangulaire placé dans un bloc de mousse de polystyrène isolante sans HCFC de 80 mm (3 1/8 po) d’épaisseur et équipé de boulons d’acier inoxydable. L’isolant diminue la transmission du froid et de la chaleur, ce qui minimise le risque de pont thermique entre les faces extérieure et intérieure de l’assemblage boulonné.

« Les plaques d’acier boulonnées résistent aux fortes contraintes structurelles qui s’exercent là où l’écran est arrimé au bâtiment, explique Eric Grusenmeyer. Elles sont conçues tout spécialement pour ce genre d’application. »

L’entrepreneur s’est aidé d’un livret d’installation illustré et a seulement eu besoin de se procurer des pièces d’écartement pour isolant supplémentaires et une clé dynamométrique pour l’installation.

Les résultats jusqu’ici

Le stade a ouvert ses portes en juillet 2016, à temps pour le match d’ouverture de la saison 2016-2017 des Vikings. Il a été si bien accueilli que la NFL a choisi d’y tenir la 52e édition du Super Bowl en février 2018.

En plus de son esthétique extraordinaire, le bâtiment présente des angles et des pentes qui permettent à la neige abondante de glisser au sol, et sa façade transparente offre des panoramas spectaculaires – de la silhouette de Minneapolis vu de l’intérieur, et des matches trépidants vu de l’extérieur.

« La Ville et l’équipe voulaient resserrer les liens entre les résidents, les visiteurs et les fans de football, affirme Lance Evans. Et ça faisait partie de notre idée de départ : créer un lien visuel entre le stade et le centre-ville. » 

Architecte

HKS

Ingénieur en structure

Thornton Tomasetti

Promoteur

Minnesota Sports Facilities Authority

Construction terminée

2016