Bâtiments industriels : marier l'acier et la fibre de bois pour isoler
Valérie Prudor
Le projet de recherche européen INCSEB (1ᵉʳ août 2021- 31 juillet 2025), vise à développer cinq systèmes innovants d'enveloppe en acier de bâtiment à très faible émission de carbone grâce à l'utilisation innovante de la fibre de bois, un matériau isolant renouvelable et biosourcé, tout en atteignant un haut niveau de performance thermique et en garantissant la conformité à d'autres exigences telles que les performances mécaniques, incendie et acoustiques. Premiers résultats.
Ces systèmes pourraient avoir de nombreuses applications, notamment pour les bâtiments non résidentiels (bâtiments industriels et logistiques, bureaux, centres commerciaux, etc.) Le projet INCSEB a reçu un financement du Fonds de recherche pour le charbon et l'acier (RFCS) de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n° 101033984.
Six partenaires sont impliqués dans le projet : l'Enveloppe métallique du bâtiment (France), en tant que coordinateur du projet, Joris Ide NV (Belgique), Monopanel sas (France), Tecnalia research and innovation (Espagne), TU Darmstadt (Allemagne) et l'université de Coimbra (Portugal).
Les objectifs du projet
L'objectif principal du projet est de développer une famille innovante de systèmes d'enveloppe en acier, de toiture (panneaux sandwichs pour toits plats et toits en pente) et de bardage (système double peau et bardage de façade avec cassettes), avec une isolation biosourcée (fibre de bois) qui répond aux nouvelles exigences en matière de construction à faible émission de carbone. Le principal défi pour cette famille innovante est de répondre aux nouvelles exigences en matière de carbone mais aussi, dans le même temps, à toutes les autres exigences de performance (thermique, mécanique, réaction et résistance au feu, acoustique, durabilité...).
La performance carbone des nouveaux systèmes est étudiée sous deux angles :
1. Pour chacun des systèmes, tous les indicateurs de l'analyse du cycle de vie (ACV) sont déterminés.
2. Une évaluation des bénéfices obtenus en termes d'empreinte carbone (PRP) est également réalisée en comparant le PRP d'un bâtiment de bureaux existant équipé d'un système d'enveloppe en acier traditionnel (panneaux sandwich avec âme en PU) avec le même bâtiment équipé (par calcul) des nouveaux systèmes.
Pour étudier toutes les autres performances de chacun des nouveaux systèmes, une série complète de tests et de calculs conformes aux normes EN pertinentes est réalisée afin d'évaluer leurs performances mécaniques, thermiques, acoustiques et de résistance au feu, ainsi que leur perméabilité à l'air, à la vapeur et à l'eau. En outre, le comportement et la durabilité des cinq systèmes innovants dans des conditions réelles sont étudiés. En effet, deux prototypes de bâtiments à l'échelle réelle équipés des nouveaux systèmes sont construits en Allemagne et exposés pendant deux ans aux rigueurs de l'environnement extérieur.
Pour faciliter l'application industrielle des nouveaux systèmes, une série d'outils est également développée. Par exemple, un certain nombre de guides pédagogiques pour la conception et l'installation des nouveaux systèmes, y compris des recommandations pour leur démantèlement en vue de leur recyclage ou de leur réutilisation, seront préparés.
des recommandations pour leur démantèlement en vue de leur recyclage ou de leur réutilisation seront préparés. Des objets génériques BIM, pour chacun des systèmes, seront également produits.
Cinq systèmes innovants d'enveloppe en acier développés
Trois systèmes de bardage sont en cours de développement (un panneau sandwich avec attaches, un double peau avec entretoises et un système de façade). avec entretoises et un revêtement de façade avec cassettes isolées) ainsi que deux systèmes de toiture (un panneau sandwich pour toiture en pente et un panneau sandwich pour toiture plate).
- Panneau sandwich de bardage (fabriqué par Monopanel)
Composants :
- 2 parements en acier (Monolaine B (0.5mm ; 0.63mm ; 9.6kg/m²))
- intérieur en fibre de bois (150mm, 115kg/m³)
- Panneau sandwich pour toiture en pente (fabriqué par Monopanel)
Composants :
- 2 parements en acier (Monolaine T (0.5mm ; 0.63mm ; 10.3kg/m²))
- intérieur en fibre de bois (150mm ; 115kg/m³)
- laine minérale dans la partie trapézoïdale dans les nervures
- Panneau sandwich pour toiture plate (fabriqué par Joris Ide NV)
Composants :
- 2 parements en acier, toiture en Vulcasteel (0.5mm ;0.6mm ; 9.3kg/m²)
- âme en fibre de bois (200mm ; 115kg/m³)
- laine minérale (épaisseur 50mm)
- PVC imperméable à l'eau
- Système de bardage double peau (fabriqué par Joris Ide NV)
Composants :
- bac de revêtement en acier (0.75mm ; 90x500mm ; 8.8kg/m²)
- fibre de bois dans le bac de liner (90 mm ; 115kg/m³)
- fibre de bois devant le plateau (120 mm)
- entretoise en acier (40-120-120-120-40x1,5)
- pare-pluie en polypropylène
- entretoise en oméga (30-20-60-20-30x1,5)
- revêtement en acier (0,75 mm ; 6,62 kg/m²)
- Système de revêtement de façade avec cassettes (fabriqué par Joris Ide NV)
Composants :
- mur en béton de 20cm
- fibre de bois collée au revêtement (30 mm ; 115kg/m³)
- fibre de bois devant le mur (200 mm ; 115kg/m³)
- entretoise en acier (40-200-120-200-40x1,5)
- pare-pluie en polypropylène
- entretoise en oméga (30-20-60-20-30x1,5)
- bardage en acier (1mm ; 11,1kg/m²)
Premiers résultats de recherche
Les essais de durabilité en conditions réelles sont toujours en cours.
L'étude de la performance carbone des systèmes, et notamment la détermination des indicateurs ACV (conformément à la nouvelle norme EN 15804 + A2) est également en cours. Cependant, les toutes premières estimations montrent, pour une performance thermique équivalente, une réduction de carbone de 34 % pour le panneau sandwich pour toit plat avec une âme en fibre de bois par rapport à un panneau conventionnel avec une âme en laine minérale.
Les résultats détaillés ci-dessous concernent la perméabilité mécanique, thermique et à l'air, le feu, les performances acoustiques et la perméabilité à l'eau et à la vapeur.
Performances mécaniques
Pour les panneaux sandwichs
Une série d'essais pour déterminer le comportement structurel de la membrane en statique sur deux appuis (comportement au vent) - déplacements imposés dans le plan ont été réalisés avec les résultats ci-dessous.
- pour les panneaux sandwich de bardage d'une épaisseur de 150 mm² : 4,8kN /150 mm
- pour les panneaux sandwich de toiture en pente d'une épaisseur de 150 mm : 8,2 kN/150 mm
- pour le panneau sandwich de toiture plate d'une épaisseur de 200 mm : 10 KN/150 mm
Un essai sismique dynamique a également été réalisé (charges maximales appliquées : 7611 N et 12747 N, déplacements maximaux mesurés/ 138,7 mm pour le mur) et 150,7 mm pour la toiture en accélérations horizontales et maximales absolues estimées à 2,25 m/s² et 1,85 m/s²). Dans tous les cas (murs et toitures), il n'y a pas eu d'effondrement des panneaux.
Jusqu'à présent, les principales conclusions sont les suivantes :
- Pour les essais mécaniques en flexion, les résultats des essais sur les toitures en pente (charge appliquée sur une portée de 6 m) et les résultats des essais sur les toitures plates (charge appliquée sur une portée de 3 m) sont du même ordre de grandeur que ceux des panneaux sandwich avec âme en laine minérale.
- Pour les essais sur les membranes, qui ont été répétés trois fois, une bonne cohérence et une bonne répétabilité des performances ont été enregistrées. Tous les résultats étaient également compatibles avec l'état de l'art en matière de panneaux sandwiches avec âme en laine minérale.
L'état de l'art pour les panneaux sandwichs avec âme en laine minérale. En outre, une grande rigidité dans le plan des panneaux a été constatée. Pour les essais sismiques, le comportement observé des panneaux à âme en bois est identique (pas d'effondrement) à celui des panneaux sandwichs conventionnels (à âme en laine minérale ou en polyuréthane). De plus, l'accélération que les panneaux innovants peuvent supporter au vent a été établie avec un coefficient de sécurité de 2.
Pour les profilés : bardage double peau et bardage de façade avec cassettes
En raison de la densité élevée de l'isolation en fibres de bois et de la rigidité accrue due à l'ajout d'un noyau d'isolation en bois, il a été nécessaire de vérifier la performance des systèmes à la fois en dynamique (accélération de la masse) et en statique (effet de diaphragme).
Dans le cas de la cassette, afin de déterminer en flexion (pression/succion du vent) comment optimiser la portée, plusieurs essais en chambre à vide et des essais de charge linéaire ont été réalisés.
Les principales conclusions sont les suivantes :
- Les résultats des essais mécaniques pour le revêtement de la façade avec des cassettes avec ou sans isolation sont équivalents. En outre, aucune dislocation n'a été observée pour les cassettes avec isolation par rapport aux cassettes sans isolation.
- Les essais sur les membranes, qui ont été répétés trois fois, ont montré une cohérence et une répétabilité des performances. Une grande rigidité des profils avec isolation en fibre de bois a été observée.
- Pour l'essai sismique, une grande rigidité du système a de nouveau été observée. Aucun système testé n'est tombé au sol pendant et après les déplacements sismiques imposés.
Perméabilité thermique et à l'air
Pour les panneaux sandwichs
L'étude de la résistance thermique et de la conductivité thermique des panneaux sandwichs de bardage et des panneaux sandwichs de toiture en pente est toujours en cours.
Pour les panneaux sandwichs de toiture plate, les calculs ont été effectués en tenant compte des valeurs optimales de conductivité thermique de l'isolation contre le feu de bois selon la déclaration de performance DoP (λ = 0,038 W/m.K) et les valeurs les plus défavorables détectées par le client (λ = 0,044 W/mK). Le tableau 1 donne les valeurs de transmission thermique obtenues. Elles sont compatibles avec la demande du marché.
En ce qui concerne la perméabilité à l'air, deux systèmes de murs (deux types de jonctions associés à deux types de joints), un système de toit en pente et deux systèmes de toit plat ont été testés conformément à la norme EN 12114. Des pressions maximales de 200 Pa et 200 Pa ont été appliquées. Les valeurs de perméabilité obtenues ont été ont été considérées comme appropriées pour les systèmes correspondants et compatibles avec les valeurs des panneaux sandwich avec âme en laine minérale. Seuls la conception du joint et le type de mastic utilisé sont fondamentaux pour cette performance.
Pour les profilés : revêtement de double peau et revêtement de façade avec cassettes
Les résultats obtenus pour les calculs thermiques sont compatibles avec les valeurs des systèmes avec isolation en laine minérale. Le tableau 2 donne les valeurs de transmission thermique obtenues. Elles sont compatibles avec les exigences du marché.
En ce qui concerne la perméabilité à l'air, deux systèmes muraux (système double peau et bardage de façade avec cassette) ont été testés conformément à la norme EN 12114. Des pressions maximales de 200 Pa et 200 Pa ont été appliquées. Les valeurs de perméabilité obtenues ont été considérées comme appropriées pour les systèmes correspondants et compatibles avec les valeurs des systèmes avec isolation en laine minérale.
Performances au feu
Pour les panneaux sandwichs
- Réaction au feu
Des essais SBI (EN 13823) et des essais d'inflammabilité (EN ISO 11925-2) ont été réalisés pour les panneaux sandwichs de bardage, de toiture en pente et de toiture plate. Trois répétitions des essais SBI par type de système ont été effectuées et la classification B-s1,d0 a été obtenue conformément à la norme EN 13501-1.
Les résultats des essais d'inflammabilité ont confirmé la classe B-s1,d0 selon la norme EN 13501-1 pour les panneaux sandwichs de bardage et de toiture en pente. Pour les panneaux sandwichs pour toitures plates, les essais d'inflammabilité sont toujours en cours.
- Effet de combustion lente
Un phénomène de combustion lente a été observé et étudié en détail (performance au feu sur la façade). Deux systèmes de bardage, l'un composé de trois panneaux sandwichs horizontaux en fibre de bois et l'autre composé d'un panneau sandwich en laine minérale en position intermédiaire, ont été testés. Le panneau isolant en laine minérale a été capable d'arrêter la propagation de l'effet de combustion lente.
- Performance de la toiture en cas d'incendie extérieur
En ce qui concerne la performance de la toiture en cas d'incendie extérieur du panneau sandwich de toiture en pente, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la classification, car trop de paramètres influencent la performance du Brooft1.
Pour les panneaux sandwich de toiture plate, deux systèmes ont été envisagés pour étudier la performance de la toiture en cas d'incendie extérieur : l'un composé uniquement de panneaux sandwich et l'autre prenant en compte l'isolation en laine minérale et la membrane d'étanchéité sur la partie supérieure des panneaux sandwich. L'échantillon avec l'isolation et la membrane est conforme à tous les critères et ce système a donc obtenu la classification BROOF(t1).
- Résistance au feu
Les résultats de résistance au feu obtenus pour les systèmes de bardage et de toiture en pente sont meilleurs que ceux des panneaux sandwich avec âme en polyuréthane. En effet, les résultats pour les systèmes de bardage se réfèrent à la classification EI 45 pour les cloisons et à la classification EI 30(i->o) pour les murs extérieurs conformément à la norme EN 13501-2. Pour le système de toiture en pente, les résultats se réfèrent à la classification REI 30. Pour le panneau sandwich de toiture plate, le système ne peut pas être classé pour la résistance au feu (REI). Des recherches supplémentaires sont nécessaires. Un panneau sandwich d'une épaisseur de 200 mm utilisé comme revêtement a également été testé et la performance obtenue était EI60.
Pour les profilés : double couverture de peau et couverture de façade avec cassettes.
- Réaction au feu
En ce qui concerne la réaction au feu, les résultats des essais SBI indiquent des classifications B-s2,d0 et B-s1,d0. Deux répétitions de l'essai SBI pour la configuration choisie et des essais d'inflammabilité sont en cours afin d'obtenir une classification selon la norme EN 13501-1. Jusqu'à présent, les classifications B-s2,d0 /Bs1d0 sont conformes aux performances obtenues dans le cadre de projets de R&D similaires (voir par exemple www.programmeprofeel.fr).
- Effet de combustion lente
Comme cela avait été le cas précédemment, un effet de combustion lente a de nouveau été observé et a été corrigé par l'ajout de laine minérale.
- Résistance au feu
Pour la résistance au feu, les systèmes de façade (bardage double peau et bardage à cassettes) ont été testés dans un four vertical et ont été classés E60 EI45 en tant que cloison et E60 EI30 en tant que mur extérieur.
Performances acoustiques
Pour les panneaux sandwichs
Pour le panneau sandwich de bardage, le panneau sandwich de couverture à pente et les panneaux sandwich de couverture de toit plat (200 mm d'épaisseur), les indices globaux d'affaiblissement acoustique pondérés obtenus sont respectivement Rw(C;Ctr)=29dB(-1;-3), Rw(C;Ctr)=30dB(-1;-3) et Rw(C;Ctr)=33dB(-1;-4).
Les performances sont similaires à celles des panneaux sandwich avec isolation en laine minérale.
Pour les profilés : ballage double peau et ballage façade avec cassettes.
Pour le système de bardage double peau, l'indice d'affaiblissement acoustique global pondéré obtenu est Rw = 49dB (avec le coefficient d'adaptation Ctr égal à-9 dB et le coefficient d'adaptation C égal à-2 dB, pour la configuration du profil de bardage de 25 mm, et à-3 dB, pour la configuration du profil de bardage de 40 mm).
Perméabilité à l'eau et à la vapeur
Pour les panneaux sandwichs
Pour la perméabilité à l'eau, à une pression maximale de 1200 Pa, la classification A (classification la plus élevée) a été obtenue pour les trois systèmes de panneaux sandwichs (bardage, toiture à pente, toiture plate).
Pour la perméabilité à la vapeur, deux isolants différents (isolation en fibres de bois et isolation en laine minérale) ont été testés afin de comparer les performances du nouveau produit à celles des produits actuels. L'isolation en fibre de bois présente de meilleurs résultats que l'isolation en laine minérale avec respectivement des facteurs de résistance à la diffusion de la vapeur d'eau de 2,2 et 1,9 et des valeurs de 0,319 mg/(mhPa) et de 0,319 mg/(mhPa) et 0,369 mg/(mhPa) de perméabilité à la vapeur d'eau.
Des modèles hygrothermiques (EN ISO 13788) ont été développés pour les panneaux sandwich de la toiture plate (travail en cours pour les 2 autres panneaux) qui ont montré un risque de condensation pour la classe d'hygrométrie 5 (bâtiment à fort taux d'humidité).
Pour les profilés : ballage double peau et ballage façade avec cassettes
Pour la perméabilité à l'eau, deux systèmes de bardage double peau ont été testés à une pression maximale de 1200 Pa. La classification A a été obtenue (meilleure classification).
Pour la perméabilité à la vapeur, les systèmes avec isolation en fibre de bois présentent de meilleurs résultats que ceux avec isolation en laine minérale : respectivement 2,2 et 1,9 facteurs de résistance à la diffusion de la vapeur d'eau et 0,319 mg/(mhPa) et 0,369 mg/(mhPa) valeurs de perméabilité à la vapeur d'eau.
Le risque de condensation de chaque classe d'hygrométrie a été étudié à l'aide de modèles hygrothermiques développés et basés sur des calculs thermiques. Après avoir considéré les différentes couches, il a été conclu qu'il n'y avait pas de risque de condensation dans le bardage double peau alors qu'un tel risque pourrait se produire dans le bardage avec le produit de façade (cassettes). Pour le système avec cassettes, des calculs supplémentaires doivent être effectués pour évaluer les caractéristiques et la durée des condensations.
Conclusion
Pour les systèmes d'enveloppe en acier étudiés, la fibre de bois est une alternative viable au polyuréthane et à l'isolation en laine minérale, même si quelques ajustements et/ou optimisations sont nécessaires, par exemple pour empêcher la combustion lente ou pour protéger la fibre de bois contre l'humidité pendant son installation. La fibre de bois est également une alternative efficace pour répondre aux nouvelles exigences environnementales en matière de faible émission de carbone.
À la fin du projet, avec toutes les données de l'INCSEB disponibles, les fabricants pourront immédiatement commencer à produire et à commercialiser les cinq nouveaux systèmes. Il leur suffira, dans les pays où ils prévoient de les commercialiser, de demander les certifications requises pour les produits innovants (par exemple "ATEX/avis technique" en France, "zulassung" en Allemagne, etc.).
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