Souple et efficace

Thierry Voellinger

A l’EPFL un groupe de rechercheurs a dévéloppé un mur multicouche monolithique

Dans le cadre d'une recherche à l'EPFL dirigée par le professeur Andrea Bassi, nous développons une méthode d'élaboration de murs monolithiques préfabriqués en béton, minces, à haute performance thermique.

Ce projet est élaboré en partenariat avec des industriels, spécialisés tant dans le domaine de la préfabrication en béton que dans la fabrication d'isolants. Pour mener à bien ce projet, nous bénéficions de subsides de la CTI, agence de la Confédération pour la promotion de l'innovation.

Cette recherche doit pouvoir proposer des solutions concrètes pour des constructions futures à des prix économiques. Le but est d'obtenir une qualité thermique maximale, avec un produit compétitif, résistant et durable, tout en conservant une épaisseur de mur mince, afin de ne pas réduire la surface habitable si précieuse dans nos régions.

Actuellement, nous travaillons sur un projet de villa qui représente la synthèse de notre recherche. Nous sommes en phase d'exécution. La construction, une fois terminée, nous renseignera sur le potentiel et la pertinence d'appliquer ce principe constructif à des échelles plus importantes, tels que des bâtiments de logements économiques.

Vers le mur multicouche monolithique

Sous le terme « mur multicouche monolithique » nous sous-entendons des murs formés d'un seul bloc, contenant plusieurs couches, dont la principale participe à la structure du bâtiment.

Les applications du béton armé aboutissent à leur apogée de développement après la deuxième guerre mondiale. Les innovations technologiques comme les nouveaux malaxeurs, les engins de levage et les tables de coffrage, donneront un nouveau visage à la construction en béton. La préfabrication connaîtra alors son essor par sa rationalité industrielle de construction et de ses moyens de production, Elle sera à ce moment plus avantageuse, efficace et économique, que le bétonnage In Situ. 

Deux méthodes particulières se démarqueront à cette époque. Tout d'abord, la « Kleintafelbauweise », qui se caractérise par l'assemblage de petits éléments coulés au pied des bâtiments sous des abris forains. Ces systèmes de construction seront appliqués sous licence, par des entreprises de construction locales de taille moyenne. Le système français Barets sera à l'origine des constructions des établissements scolaires à Genève. Durant quinze ans, une quinzaine de cycles d'orientation, seront érigés sur la base de ce principe. Ce système propose une structure longitudinale, dont les modules de façades sont porteurs. Les premiers chantiers de production à Genève seront rapidement rationalisés et la production passera d'un état forain et provisoire, à un état forain mais sédentaire. 

Ensuite, la « Grosstafelbauweise » propose l'assemblage de plaques coulées en usine et dimensionnées en fonction du transport en camion de l'usine au chantier. Cette technique sera avant-tout utilisée dans la construction de logements. Les tailles des plaques se baseront sur l'unité d'une pièce habitable. Les murs transversaux feront l'objet de la structure portante. En suisse romande une usine sera implantée à Etoy. Son système de préfabrication se basera sur le modèle de Larson & Nielson, importé  du Danemark. Ce système danois se différencie des nombreux systèmes français par des détails de préfabrication très élaborés. Celui-ci a été conçu pour des pays à climat froid dans lesquels la construction in Situ est difficile durant la période d'hivernale.

Suite aux deux chocs pétroliers des années 70, les programmes de construction de logements se réduisent considérablement dans les pays d'Europe occidentale. Les usines de préfabrication de très grande capacité fermeront progressivement leurs portes, y compris l'usine d'Etoy.

Au début des années 70, la conscience environnementale collective ainsi que les préoccupations énergétiques de préservation des ressources et des avoirs prennent un place prépondérante. L'économie de l'énergie dans le bâtiment devient impératif et donne suite au développement des isolants. Désormais, les murs de façade comprendront dans notre pays une nouvelle couche: l'isolant. 

Le mur de façade comptera maintenant trois couches distinctes; une strate de béton porteur formant la structure, une couche intermédiaire, l'isolant, et la couche de finition en béton, le revêtement extérieur. Les bétons de parement joueront un rôle considérable dans l'architecture des années à suivre. Les bétons changeront d'aspect permettant de nouvelles expressions. Les bétons bruts et gris passeront à des bétons soignés, traités et colorés. Ils se diversifieront dans la fantaisie et les imitations de formes architecturales ou d'autres matières. 

La mise en oeuvre de la façade préfabriquée en béton avec de nouveaux calpinages est devenue un travail complexe par rapport à la réalisation des autres éléments constructifs telles que les dalles ou les cloisons. 

Sa fabrication demande un savoir-faire pluri-techniques et sa préfabrication en atelier retrouve un sens. Le mur préfabriqué en béton contemporain contient l'isolant sous forme d'un sandwich compact. On peut l'apprécier comme un mur multicouche et monolithique avec son expression concrète de matérialité.

Recherche de mur multicouches monolithique mince

A Genève, grâce à la construction des cycles d'orientation, une entreprise développe dans les années 60 et 70 un savoir-faire spécifique à la fabrication d'éléments de façade porteurs préfabriqués. Ces modules, ayant la dimension d'une classe, ont atteint jusqu'à 8 mètres de portée. Ce savoir-faire s'est perpétué jusqu'à nos jours. Aujourd'hui, cette technique a un potentiel pour la construction d'immeubles de logements et de bureaux dans les milieux urbains où la place disponible pour le chantier est restreinte ou difficile d'accès.

Dans le cadre de notre laboratoire à l'EPFL, nous préconisons la densification des villes. La question de la performance nous conduit à explorer de nouvelles possibilités ou plus concrètement affiner des techniques existantes. Nous pensons qu'aujourd'hui, les performances requises sur le plan écologique et thermique ne doivent pas être un obstacle au développent de la construction et à son image architecturale.

Les nouvelles exigences thermiques sont toujours plus accrues. Elles impliquent un épaississement inévitable de la couche isolante des murs extérieurs. Ceci à une répercussion directe sur la construction. Dans la préfabrication, un épaississement engendre des modifications importantes dans la production, a un impact sur le transport et la manutention des éléments. 

Pendant la phase de l'avant-projet, la question de l'épaisseur des murs des façades reste en suspend jusqu'au rapport du bilan thermique global qui confirme ou non, l'épaisseur anticipée. La surface occupée par un mur de façade est déterminante dans un milieu où le prix des terrains est élevé. L'exploitation optimale des surfaces habitables est mise en péril par le fait que l'épaisseur du mur extérieur reste incertaine pendant cette phase d'avant projet.

Nous optons vers une stabilisation et un contrôle de l'épaisseur du mur de façade. Dans la préfabrication, ceci est d’un grand intérêt car la conservation des géométries liées aux détails de construction est déterminante. Le détail du caisson de store intégré au mur oblige à conserver entre les deux voiles en béton un espacement de 14 cm. Cette donnée donne la règle de l'épaisseur minimale, dont découle l'ensemble des détails constructifs du panneau sandwich. Cette épaisseur que nous voulons en aucun cas dépasser, nous a conduit à trouver des solutions pour déterminer une combinaison d'isolants à même de garantir la performance thermique exigée. Nous proposons de mélanger plusieurs types d'isolants; des isolants classiques avec un isolant ultra-performant de type VIP (Vacuum insulated Panels). Nos recherches nous conduisent à définir des proportions de mélange. Les isolants sont choisis en fonction de leur performance thermique, de leur impact sur l'environnent et de leur prix. Le but est de conserver une épaisseur constante à partir de la conception du projet jusqu'à sa réalisation.

L'intérêt architectural que nous portons au mur en béton préfabriqué est dû à la grande liberté d'expression que permet le béton aujourd'hui. Depuis les année 80, les bétons de parements ont été développés et donnent des possibilités quasi illimitées. L'architecte peut composer une matérialité propre à son projet en choisissant le granulat, le sable, le pigment et les traitements de surface. Nous pensons que cette matière incarne bien l'aspect minéral dont sont faites la plupart de nos villes. Les objets urbains de grande taille supportent aisément une robe en béton préfabriqué. Cette technique, plus affinée que par le passé, est encore aujourd'hui une solution économique. 

Projet pilote

Actuellement, nous réalisons un projet pilote de villa individuelle. Il nous permet de vérifier concrètement, en usine, l'ensemble du processus de fabrication. Notre but est de pouvoir réaliser, un jour, des bâtiments à une plus grande échelle, tels que des immeubles de logements. Les panneaux développés pour la villa sont constitués d'une couche structurelle, d'un isolant et d'un revêtement en béton coloré. 

Ils peuvent être compris comme les éléments d'un mur monolithique aux propriétés multiples. Cette expérience doit mettre en pratique et en examen nos recherches développées jusqu'ici, soit, la composition multicouche de l'isolation, une nouvelle technique d'assemblage des voiles de béton et la réduction d'épaisseur du voile de parement. 

Une première réflexion a été de décomposer les façades de la villa en éléments de grande dimension approchant les 7,5 mètres. Cette mesure correspond à une dimension optimale pour des éléments de d'immeubles de logement. La fabrication d'un panneau de grande taille permet de réduire le temps de production, de diminuer la quantité de détails nécessaires à sa mise en oeuvre, de réduire la manutention ainsi que le transport. Aujourd'hui, les performances statiques et thermiques poussent la conception de panneaux composites de ce genre vers de nouveaux formats de plus grande dimension. 

Le travail avec des nouveaux isolants à haute performance thermique a comme intérêt de réduire les épaisseurs et d'augmenter les surfaces habitables. A performance égale, un mur réalisé avec 7 cm d'isolant ultra-performant correspond à un mur construit avec un isolant classique de 24 cm. Les isolants ultra-performants sont toutefois fragiles et présentent un risque au niveau de leur mise en oeuvre. Notre expérience montre toutefois que ces risques peuvent être contrôlés et minimisés. Le coût de fabrication de ces isolants est certes plus onéreux, en raison d’une technologie de production complexe, mais leur rendement est bien supérieur. Le fait d'introduire ces isolants dans une préfabrication en atelier leur donne une perspective de développement dans le domaine de la construction.

Pour conclure, nous pensons que les trois couches d'un panneau sandwich préfabriqué en béton peuvent être optimisées de la manière suivante: La strate du porteur est dimensionnée aujourd'hui pour être conforme aux normes de résistance au feu. Elle peut difficilement être réduite. Par contre, elle peut facilement être constituée de béton recyclé conformément aux recommandations de l’EMPA. La strate de l'isolant est la couche au plus grand potentiel de progrès. En effet, son épaisseur peut être contrôlée de manière optimale en mélangeant plusieurs types d'isolants pour une performance donnée. La dernière couche de parement peut être réduite par la substitution de son armature en acier par une armature non-corrosive. Ce changement structurel permet de conserver la liberté d'expression propre à la matérialité de cette dernière couche qui constitue une protection durable de l’isolant.

Notre travail de recherche s'inscrit dans une réflexion de continuité et d'optimisation de techniques de préfabrication existante. Il ne s'agit ni d'inventer un nouveau mur, ni de révolutionner la préfabrication. Nous pensons seulement que dans un contexte donné, un mur doit pouvoir répondre aux questions économiques, environnementales, thermiques et esthétiques du projet. Aujourd'hui, la technique de préfabrication appartient à la culture de l'architecture urbaine et celle-ci ne cherche pas le spectaculaire, mais une certaine normalité et la continuité du développement de nos villes.

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