Un aperçu des métaux architecturaux et des traitements de surface avancés

Après qu'un tremblement de terre en 1989 ait détruit l'intégrité structurelle du MH de Young Memorial Museum à San Francisco, les architectes Jacques Herzog et Pierre de Meuron ont été chargés de repenser le bâtiment. L'une des idées était le développement d'un écran extérieur à perforations variables qui refléterait le feuillage vert de la canopée des arbres dans le Golden Gate Park à proximité. Les ingénieurs et les spécialistes en logiciel d'A. Zahner ont développé un système pour créer les modèles uniques de perforation et de fossette pour créer le criblage, qui peut être vu dans cet auvent couvrant le café extérieur du musée. Il s'agissait de la première itération de ce qu'A. Zahner appelait le processus algorithmique relationnel interprétatif de Zahner, ou le processus ZIRA.

La beauté du métal est souvent cachée dans la construction commerciale. Dans la plupart des cas, personne ne remarque vraiment l'acier de construction qui fournit le système squelettique de certaines des œuvres architecturales les plus impressionnantes jamais enregistrées.

Ce n'est pas toujours le cas, cependant. De nombreux architectes et artistes se rendent compte de l'impact que le métal peut avoir non seulement en tant qu'élément fonctionnel dans la conception des bâtiments, mais également en tant qu'élément décoratif. Personne n'aime le fade et l'ennuyeux, et le métal architectural est un moyen d'ajouter de l'excitation visuelle à un projet de construction.

Bill Zahner, président et chef de la direction, A. Zahner Co., a littéralement écrit les livres sur les surfaces métalliques (surfaces en acier ; surfaces en cuivre, en laiton et en bronze ; surfaces en aluminium ; surfaces en acier inoxydable ; et surfaces en zinc). Fondée par l'arrière-grand-père de Bill en 1897, A. Zahner Co. a fait ses débuts avec les métaux architecturaux en fabriquant des corniches pour de nouveaux bâtiments commerciaux construits dans toutes les petites villes à l'ouest du Mississippi. La société a commencé à Joplin, Mo., mais a ensuite déménagé à Kansas City, Mo., où elle se trouve aujourd'hui. A. Zahner possède deux usines, l'une à Kansas City et l'autre à Grand Prairie, au Texas, et compte environ 60 ingénieurs et 100 employés de fabrication travaillant à la création de produits métalliques qui sont envoyés partout dans le monde.

"Nous travaillons partout", a déclaré Zahner. "Nous avons des travaux en cours à Miami, Phoenix et à New York. En ce moment, l'un de nos plus grands projets consiste à restaurer la chapelle de l'Air Force Academy à Colorado Springs."

La chapelle des cadets de l'US Air Force Academy est bien connue même de ceux qui ne font pas partie des cercles d'architectes. La chapelle, construite en 1962, compte 17 flèches atteignant des hauteurs de 150 pieds. En 2004, elle a reçu le statut de monument historique national des États-Unis.

Au cours du projet de restauration, une structure fermée temporaire a été construite autour de la chapelle pour protéger l'intérieur du bâtiment alors que les sections en aluminium utilisées dans le cadre de la construction d'origine sont retirées et remplacées. (La conception du bâtiment d'origine prévoyait un réseau complexe de gouttières de pluie, à l'origine prévue pour être incluses sous les panneaux d'aluminium extérieurs du bâtiment. Les gouttières, cependant, ont été supprimées en raison de contraintes budgétaires. es l'esthétique d'origine, mais avec des caractéristiques de performance considérablement améliorées que les anciens panneaux remplacés.)

Zahner a déclaré qu'en tant que sous-traitant du projet, l'entreprise devait identifier l'alliage spécifique utilisé dans la construction de la chapelle dans les années 1960 et le faire couler spécialement afin qu'il puisse être extrudé et déroulé pour correspondre aux panneaux sortant de la chapelle. Le but est de restaurer les panneaux, mais sans les fuites.

"Notre réputation est que nous pouvons relever des défis sur des projets très complexes et aider le concepteur à les réaliser pour le client", a déclaré Zahner.

Le travail d'A. Zahner est une très bonne illustration de certaines des tendances de surface métallique utilisées dans le métal architectural.

"Lorsque vous voyagez à travers le monde, je suis sûr que vous voyez ces vieux bâtiments dans des endroits comme Copenhague, Londres et Francfort, et les anciennes surfaces de cuivre oxydé sont généralement les plus identifiables et les plus intéressantes", a déclaré Zahner. "Eh bien, vous pouvez faire quelque chose de similaire avec de l'acier inoxydable."

FIGURE 1. Une couche d'oxyde de chrome épaissie sur de l'acier inoxydable aide à produire la couleur visible à l'œil humain. Cela peut être vu dans les panneaux utilisés à l'extérieur du Musée des sciences et de l'industrie de Tampa, en Floride. A. Zahner dispose d'une équipe dédiée au développement de palettes personnalisées de nouvelles couleurs et finitions pour divers métaux, que la société appelle sa gamme de produits Zahner Surfaces.

Une façon d'introduire la coloration dans l'acier inoxydable consiste à utiliser un procédé mis au point dans les années 1970 par Inco Ltd., une société minière canadienne et le premier producteur mondial de nickel pendant une grande partie du 20e siècle. Les bains d'acide chimique développent une couche d'oxyde de chrome épaissie sur la surface de l'acier inoxydable, et cette couche aide à produire la couleur visible à l'œil humain.

Le phénomène à l'origine de la création de la couleur est appelé interférence en couche mince, qui a évolué en coloration interférentielle. La couche épaissie d'oxyde de chrome aide à influencer la couleur lorsque la lumière la traverse, frappe le métal de surface et se réfléchit vers le spectateur. Pensez à la lumière du soleil qui brille sur une flaque d'huile moteur et d'eau dans l'allée et à l'effet arc-en-ciel qui se produit parfois. Dans cette situation, une partie de la lumière est réfléchie par la couche supérieure d'huile, une partie est réfractée par cette couche puis réfléchie par la couche d'eau sous l'huile, et la lumière est ensuite réfractée à nouveau lorsqu'elle traverse la couche d'huile. La lumière réfléchie dans la flaque d'eau montre un arc-en-ciel car la lumière contient tous les composants de toutes les longueurs d'onde et la condition n'est pas contrôlée. Lorsque le processus électrochimique d'introduction ultérieure de l'oxyde de chrome est contrôlé, des couleurs spécifiques peuvent être introduites. Aucun pigment, encre ou colorant n'est utilisé pour créer la couleur.

L'un des premiers grands projets utilisant ce type de coloration interférentielle a été le bâtiment Team Disney à Anaheim, en Californie, conçu par Frank Gehry et ouvert en 1995. Il a été bientôt suivi par le Musée des sciences et de l'industrie (MOSI) à Tampa, en Floride, achevé la même année.

Ces panneaux bleus sont triangulaires, ce qui ajoute à l'intérêt visuel (voir la figure 1). A. Zahner et Antoine Predock, architecte du projet MOSI, ont travaillé ensemble pour développer le système de panneaux triangulés dans le but de contrer la réticence du métal à se courber dans deux directions à la fois, ce qui était nécessaire pour couvrir la forme sphérique du dôme du bâtiment.

"Aujourd'hui, vous allez là-bas, et ça ressemble exactement à ce qu'il était quand ça a été fait pour la première fois au début des années 1990. C'est ce beau bijou", a déclaré Zahner.

La coloration par interférence ne peut fournir que des couleurs primaires. La coloration par dépôt physique en phase vapeur (PVD), la deuxième méthode majeure de production de couleur dans l'acier inoxydable, peut produire une palette plus variée.

Le processus PVD implique l'application d'un revêtement qui est vaporisé et appliqué sur une surface métallique chauffée dans une chambre à vide. La vapeur de métal ionisé, lorsqu'elle est liée au métal de surface, crée un revêtement de seulement quelques molécules d'épaisseur. Le résultat est une surface qui diffère des propriétés du métal d'origine et qui est plus protectrice que le revêtement en poudre, la galvanoplastie ou l'anodisation.

L'ajout d'un nitrate de titane au procédé PVD donne une couleur dorée. Le carbure de titane aide à produire un noir profond. Dans les deux exemples, la finition possède une couleur, contrairement à la coloration par interférence. (Il convient de noter que la finesse du revêtement PVD permet à la lumière de le traverser et de se refléter sur le métal de surface, créant ainsi des interférences lumineuses.) Les autres couleurs pouvant être produites par le procédé PVD incluent le bronze, le bleu et le rouge/violet.

Tout le monde dans l'industrie des métaux sait ce qu'est COR-TEN. C'est à peu près ce à quoi vous pensez quand quelqu'un mentionne "l'acier résistant aux intempéries".

Développé pour la première fois par US Steel Corp. dans les années 1930 pour la construction de wagons utilisés pour le transport de minerai de fer et de charbon, COR-TEN est depuis commercialisé en tant qu'alliage d'acier résistant à la corrosion pour l'architecture et les applications artistiques, mais pas limité à ces domaines. Le COR-TEN et d'autres aciers résistants aux intempéries ont certains éléments, principalement du cuivre, qui interagissent et créent une barrière d'oxyde distinctive sur la surface. Au fur et à mesure que cet oxyhydroxyde ferrique se développe, le métal de base bénéficie d'une résistance à la corrosion. Une fois que la couche d'oxyde se développe, d'autres modifications du matériau de surface se produisent lentement dans la plupart des environnements. L'acier résistant aux intempéries produit une finition de couleur terre qui en fait un choix populaire pour les bâtiments qui cherchent à se fondre dans un environnement naturel.

FIGURE 2. L'extérieur du Science Center de l'Amherst College, à Amherst, dans le Massachusetts, est un exemple de l'apparence préaltérée qui peut être obtenue sans attendre que la nature fasse son travail.

Le problème reconnu par A. Zahner est que les architectes et les concepteurs peuvent être très frustrés d'attendre que la corrosion se produise et produise la finition de surface attendue. C'est là que la préintempérie peut aider.

"C'est l'une des choses que nous faisons avec notre usine au Texas", a déclaré Zahner. "Nous prenons l'alliage COR-TEN et le vieillissons. Ce que nous essayons de faire, c'est d'arriver au point où l'oxyhydroxyde ferrique saigne et se transforme en un oxyhydroxyde ferrique beaucoup plus stable."

Chez A. Zahner, le prépatinage consiste à prendre du COR-TEN et d'autres aciers résistants aux intempéries faiblement alliés et à exposer les surfaces métalliques à un agent oxydant, puis à suivre une série de cycles de mouillage et de séchage. La société pense que ses processus de pré-altération peuvent aider la surface de ces matériaux à atteindre l'oxyhydroxyde sombre et riche qu'elle acquerrait en vieillissant naturellement dans les éléments.

Un exemple de ce type de préaltération est le Science Center de l'Amherst College (voir la figure 2). Les sections d'acier soudées et formées ont été sablées pour nettoyer en profondeur et préparer la surface pour le traitement d'oxydation initial. Une fois sèches, les surfaces ont été traitées avec un électrolyte puissant qui est un agent réducteur, ce qui déclenche le processus d'oxydation. Lorsque des signes de corrosion étaient présents, la surface a été rincée avec de l'eau déminéralisée et laissée sécher. Les traitements de suivi consistant à mouiller le métal et à le laisser sécher entraînent la formation d'un oxyde épais et sombre sur la surface du métal.

N'importe qui peut faire des perforations. A. Zahner a été le premier à utiliser cette poinçonneuse pour découper une image (voir la figure 3).

"Nous avons été les premiers à prendre une image et à la convertir en langage machine", a déclaré Zahner. "Nous avons donc commencé à jouer avec le contrôle des perforations sur la surface à l'aide du poinçon, mais ensuite nous avons commencé à penser : 'Comment pouvons-nous tromper la machine pour qu'elle ne perfore pas, mais plutôt qu'elle cogne le matériau pour créer différentes façons de créer des textures ?'"

Ce qui a commencé par le poinçonnage précis de trous de différentes tailles pour reproduire une image sur plusieurs panneaux métalliques s'est rapidement transformé en quelque chose de beaucoup plus complexe. Zahner a déclaré que le MH de Young Memorial Museum à San Francisco en est un bon exemple (voir la figure 4).

Le musée, ouvert pour la première fois en 1895, a été gravement endommagé à la suite du tremblement de terre de Loma Prieta en 1989. Les architectes suisses Jacques Herzog et Pierre de Meuron ont été sélectionnés à la fin des années 1990 pour repenser le bâtiment.

Herzog et de Meuron ont eu l'idée d'un écran extérieur perforé pour imiter la canopée des arbres du Golden Gate Park à proximité. Le duo a travaillé avec les ingénieurs et les spécialistes en logiciels d'A. Zahner pour développer un moyen de créer des motifs de perforation et de fossettes uniques qui reproduiraient les motifs de lumière tels qu'ils sont vus à travers les arbres.

Le travail était immense. Un peu plus de 1,1 million de livres. de cuivre ont été utilisés pour le travail. Cela se traduit par environ une feuille de cuivre qui mesurerait 1 m de large sur 21,6 miles de long.

FIGURE 3. Les panneaux métalliques perforés ImageWall d'A. Zahner permettent aux architectes de créer des conceptions murales élaborées pour des endroits tels que des halls d'entrée, des façades de garages de stationnement ou des espaces extérieurs cloisonnés. Dans cette installation particulière dans un immeuble de bureaux à Ottawa, au Canada, 1 563 pieds carrés de panneaux d'aluminium perforés personnalisés et de sous-cadres associés ont été utilisés pour créer des œuvres d'art murales qui mettent en valeur le voyage le long de la rivière des Outaouais adjacente à la colline du Parlement à proximité.

En termes de fabrications, le bâtiment et sa tour comptaient 1,7 million de perforations et 1,5 million de bosses en surface, dont quatre niveaux de reliefs et quatre niveaux de formes extérieures.

La prochaine évolution des panneaux texturés devrait s'appuyer davantage sur la robotique, selon Zahner.

"Si vous regardez le Bloomberg Center à New York, par exemple, nous avons partiellement coupé le métal, puis utilisé un robot pour le plier de manière sélective", a-t-il déclaré. (La figure 5 montre un mur extérieur du Bloomberg Center sur le campus Roosevelt de Cornell Tech à New York.)

Ce n'est qu'une partie de ce qui se passe chez A. Zahner pour le monde du métal architectural, mais cela renforce le fait que le métal est facile à négliger lorsqu'il s'agit de faire une déclaration. Pendant trop longtemps, les gens acceptaient simplement d'utiliser de la peinture pour protéger la surface ou créer un intérêt visuel sur la surface métallique. Cela ne doit pas être le cas.

Zahner a déclaré qu'A. Zahner continuera à se pencher sur la robotique pour fournir des formes texturées au métal qui seraient presque impossibles à réaliser manuellement. Il a également mentionné que des nano-revêtements émergeront qui fourniront une protection matérielle et donneront au métal une finition plus prévisible au fil du temps.