Construction non standard en panneaux de bois

Construction non standard en panneaux de bois

Problématique

Si les panneaux de CLT sont présents sur le marché européen depuis les années 1990, ils demeurent un produit émergent en Amérique du Nord, où la production locale date du début des années 2010 (Conseil canadien du bois, 2017). En Europe, les règles de dimensionnement des structures en CLT sont guidées par l’Eurocode 5 (JRC European Comission, 2004) sans toutefois proposer de règles spécifiques pour le CLT.3 Dans quelques pays, ce système constructif reste cependant considéré comme une méthode de mise en œuvre particulière et demande un encadrement plus spécifique. (Lyon, 2013). L’Agrément Technique Européen (ATE), une spécification technique harmonisée, permet l’apposition du marquage de qualité CE qui assure l’encadrement nécessaire aux professionnels dans la réalisation de leurs projets en CLT.4 L’équivalent de l’ATE européen a dernièrement vu le jour en Amérique du Nord sous les traits du CLT : manuel sur le bois lamellé-croisé (Gagnon et Pirvu, 2011). Produit par le centre de recherche FPInnovations, ce guide comprend les prescriptions élémentaires pour la conception et les calculs de structure dans un cadre canadien. Ce manuel a permis, en 2016, d’intégrer les règles de calcul des structures en CLT dans les codes et normes du bâtiment nord-américains lors de l’amendement de la norme CSA O86-2014 AMD1.5
3 Les Eurocodes sont des normes et codes européens de conception et de calcul des ouvrages de bâtiment et de génie civil. L’Eurocode 5 s’applique spécifiquement aux calculs de structures en bois.
4 « Le marquage CE se veut un véritable passeport pour la libre circulation des produits sur l’ensemble du marché de l’Union européenne. Cette procédure est obligatoire pour de nombreux produits. Il s’agit d’une garantie de sécurité corporelle pour les utilisateurs. C’est un symbole visuel qui atteste que le produit est conforme aux exigences essentielles de sécurité. Le représentant autorisé du fabricant est la personne qui assume personnellement et solidairement la responsabilité de la conception et de la fabrication d’un produit en vue de sa mise en marché. Une fois marqué CE, le produit peut circuler librement sans être soumis à d’autres formalités, normes nationales de sécurité ou essais. » (Gouvernement du Québec, 2015)
5 La norme CSA 086-09 englobe l’ensemble des règles de calcul des charpentes en bois et est à ce titre l’équivalent canadien de l’Eurocode 5.
Ce cadre normatif laisse supposer que la construction en CLT évolue dans un contexte très particulier à l’heure actuelle. En effet, quoiqu’il soit de plus en plus aisé de proposer des bâtiments répondant adéquatement à ces réglementations techniques, concevoir un bâtiment hors de ces normes est encore peu envisageable vu le manque de précédent significatif.
De plus, les bâtiments en CLT cherchant à offrir un haut niveau d’efficacité énergétique sont assujettis à ces directives, codes et règles de l’art, lesquels limitent les possibles explorations formelles qui pourraient mener à des stratégies passives découlant de la forme du bâtiment. (Figure 2). Il est donc intéressant, dans ce contexte, de se questionner sur les méthodes de conception et de mise en œuvre de bâtiments en CLT afin d’ouvrir le champ des possibles.
Figure 2 Impact de la forme d’une structure sur l’efficacité énergétique d’une maison (Pavlíček et Kaftan, 2012)

Anatomie d’une structure en CLT

Dans un contexte de construction standard, le cadre normatif guide le concepteur aux différentes étapes de réalisation. Dans un contexte de forme complexe, par contre, les recommandations ne suffisent plus pour un design éclairé de la structure. Nous proposons donc d’aborder le projet à forme complexe en CLT selon un schéma de conception où le système constructif découle du matériau et du système d’assemblage. (Figure 3). Manifestement, les conditions et particularités du projet vont avoir un impact global dans le processus de décision et les choix conceptuels de ces composantes. Entre autres, le choix du CLT comme matériau orientera forcément les décisions lors de la conception des assemblages et du système constructif. Il importe donc de connaître les principales caractéristiques de ce matériau afin de faciliter la compréhension des principes de mise en œuvre d’un projet hors norme en CLT.
Figure 3 Relations « matériel » d’un projet en CLT
Le panneau CLT
Il faut savoir que si tous les panneaux de CLT possèdent des caractéristiques générales communes, décrites dans les documents de référence ou documents techniques, certaines caractéristiques individuelles peuvent varier selon l’entreprise fabricante. Ces différences s’expliquent principalement par l’essence de bois utilisée par le fabricant ‒ chaque essence possédant ses propriétés intrinsèques ‒, par la nature des adhésifs ou encore par les procédés de fabrication.67 Si ces caractéristiques individuelles sont importantes dans les calculs structuraux, elles le sont moins ici, dans cette introduction élémentaire au matériau. Nous les passerons donc sous silence pour le moment, mais celles qui sont d’intérêt particulier dans notre recherche seront examinées en détail dans les prochains chapitres.8 9
6 Par exemple : La densité du bois utilisé affecte les valeurs de résistance pour une même épaisseur, la résistance mécanique et le module élastique. La résistance au cisaillement sera aussi propre à une essence particulière. (Boucher-Côté, 2013)
7 En 2011, l’APA-Engineered Wood Association publie l’un des premiers standards nord-américains pour le panneau CLT (ANSI/APA PRG 320-2011). Ce dernier est principalement axé sur les standards de production du panneau.
8 X-LAM de Chantiers Chibougamau
9 Si le lecteur désire s’informer au-delà de ce qui sera présenté dans le présent chapitre, il est invité à consulter le chapitre traitant de l’analyse de la structure du projet ainsi que les documents cités dans cette section:.Kolb, 2011 ; Gagnon, S. et Pirvu, C., 2011 ; Boucher-Côté, 2013 ; ANSI/APA PRG 320-2011.
Compositions du CLT
Les panneaux de CLT sont composés d’une multitude de couches, communément appelées plis, constituées de planches de bois d’œuvre empilées et collées perpendiculairement au moyen d’adhésifs structuraux entre chacun des plis. (Kolb, 2011; Gagnon et Pirvu, 2011; Boucher-Côté, 2013).10 Le nombre de couches, ou plis, est généralement impair et varie généralement de 3 à 7, afin que les fibres des tranches extérieures soient de même orientation. (Figure 4). Il est courant de doubler certains plis afin d’apporter une plus grande résistance mécanique au panneau, au besoin. Au Québec, les dimensions courantes présentent une épaisseur allant de 78 à 381 mm (3’’ à 15’’), une largeur variant de 0,6 m à 2,4 m (2’ à 8’) et une longueur allant jusqu’à 19,5 m (64’) tel que le décrit CLT : manuel sur le bois lamellé-croisé. (Gagnon et Pirvu, 2011).
Figure 4 Composition d’un panneau de CLT (Gagnon, S. et Pirvu, C., 2011)
10 Certains fabricants ajouteront des adhésifs entre les planches en plus d’entre les plis. Ce n’est toutefois pas le cas du panneau produit par Chantiers Chibougamau, que nous décrivons dans le texte et sur lequel nous nous baserons.
Cette composition particulière confère au panneau une grande stabilité dimensionnelle, une capacité portante plantaire et permet un transfert de charges bidirectionnel. (Figure 5 A). Le sens des plis extérieurs, qui sont en nombre supérieur, dicte toutefois le sens de portée principale; l’autre sens devient le sens de portée secondaire. (Kolb, 2011 ; Boucher-Côté, 2013). On priorisera donc la reprise de charge dans le sens de ces plis. Il s’agit là d’une caractéristique importante qui doit être prise en compte dans les systèmes constructifs plus complexes. Schimek, Meisel et Bogenperger (2010) ont d’ailleurs intégré le sens de portée principale dans leur modèle numérique afin d’optimiser le transfert des efforts dans leurs structures non standard en CLT.
Finalement, il importe de considérer la résistance et la rigidité du panneau en flexion et en cisaillement (Gagnon et Pirvu, 2011) dans la façon dont on met le panneau en œuvre. Si, en général, le panneau présente une résistance et une rigidité accrues en raison de ses plis perpendiculaires, il est par contre moins résistant au cisaillement roulant (rolling shear). (Gagnon et Pirvu, 2011) (Figure 5 B)
Figure 5 A. Transfert bidirectionnel (Gagnon, S. et Pirvu, C., 2011); B. Sens des plis et force de cisaillement (FPInnovations)
Le CLT en structure
Sous les prescriptions existantes, le CLT est le plus communément utilisé dans des systèmes porteurs plans, puisqu’il est adapté à la reprise de charges importantes.11 (Kolb, 2011). De ce fait, on l’utilise couramment en tant qu’éléments horizontaux (plancher, toiture), voile travaillant (Richard, 2012), ou éléments verticaux (mur). En élément vertical, le panneau reprend les efforts horizontaux et permet de se soustraire à du contreventement supplémentaire. (Kolb, 2011). Le matériau est donc préconisé dans les bâtiments d’habitation de plusieurs étages (Bernasconi, 2013; Kolb, 2011) en système claire-voie, plate-forme ou mixte. En claire-voie, les concepteurs privilégient la continuité des panneaux, où les éléments muraux se prolongent sur plusieurs étages et les planchers viennent s’y fixer à l’aide de systèmes d’assemblage intermédiaires. Dans le système à plate-forme, les panneaux de plancher reposent directement sur les panneaux de mur et les murs des étages supérieurs s’appuient directement sur le panneau de plancher.12 Ce dernier système est couramment utilisé en Europe. (Gagnon et Pirvu, 2011). Même si Kolb (2011) affirme que ces systèmes ne sont pas limités par des questions de modules ou de trames, d’autres auteurs (Bernasconi, 2013; Gagnon et Pirvu, 2011) semblent plutôt suggérer qu’une trame, même irrégulière, doit à la rigueur être continue d’étage en étage afin d’assurer la continuité de la résistance et du transfert des charges. La plupart des bâtiments existants en CLT corroborent cette dernière affirmation.13 Il n’est toutefois pas possible de déterminer si l’absence de projet sans module ni trame est due aux contraintes imposées par les directives et normes de conception ou à quelqu’autre facteur.
11 Les éléments de structure sont constitués d’éléments plans qui transfèrent des charges par voiles. (Kolb, 2011)
12 Le système claire-voie est limité par la longueur maximale des panneaux de CLT et il est de ce fait plus souvent confiné à des projets de faible hauteur.
13 Par exemple : à Londres, le bâtiment de 9 étages Stadthaus, Murray Grove par Waugh Thistleton Architects; à Milan, le complexe résidentiel Via Cenni de Rossiprodi Associati S.R.L.; et à Saint-Dié-des-Vosges en France, la moins connue tour Jules Ferry par ASP architecture. Plus près de chez-nous, on peut nommer le projet d’écocondos Origine de la Pointe-aux-Lièvres, à Québec, d’Yves Blouin architecte et la résidence étudiante Brock Commons, Phase 1 à Vancouver par Acton Ostry Architects en collaboration avec l’architecte autrichien Hermann Kaufmann connu pour ses constructions en bois, à noter que le CLT est ici utilisé uniquement pour les éléments de plancher.
L’intégration des deux systèmes précités (claire-voie et plateforme) dans un même bâtiment relève du possible lorsqu’un projet présente des besoins particuliers comme une géométrie complexe, des ouvertures irrégulières ou une trame plus complexe. C’est le cas du projet G100 (G. studio, 2016) de l’agence G.studio de Strasbourg où les nombreuses ouvertures de la façade et la configuration intérieure complexe ont nécessité l’intervention accrue de l’ingénieur et du charpentier à chaque étape du projet. (Figure 6 A). Il ne faut toutefois pas voir en ces deux systèmes une solution entièrement restrictive au niveau de la forme. Des projets de petite échelle, comme l’agrandissement de la résidence Paramount – Alma Residence (construction originale de 1960) par l’agence Plasma Studio (Plasma Studio, 2017) permettent une certaine souplesse dans l’exploration géométrique de l’enveloppe, pour autant que la trame intérieure reste plus traditionnelle. (Figure 6 B). Ce genre d’exploration ne semble toutefois possible que dans des projets spéciaux, de petite à moyenne échelle, selon les normes actuelles.
Figure 6 A. Projet G100 à Strasbourg, (agence G.studio); B. Résidence Alma (Plasma studio, 2012)
Forme libre et forme prédéfinie 14
Les systèmes constructifs présentés précédemment sont restreints à des types de bâtiments bien définis : de petits ou grands bâtiments d’habitation et des bâtiments à usages variés comportant une trame plus ou moins régulière, mais toujours compartimentée. Même si, en début de projet d’un programme architectural de ce genre, la forme n’est pas pleinement déterminée, on sait qu’une certaine typologie de bâtiment sera présente (porteur plan). Il est rapidement possible d’envisager la résolution de la structure avec des panneaux de CLT sous réserve de quelques ajustements mineurs. C’est ce que nous appellerons ici les systèmes constructifs répondant à des formes prédéfinies. En opposition, nous parlerons aussi des systèmes constructifs à forme libre qui ont la particularité d’être adaptables à la forme même du bâtiment, voire d’être développés expressément pour elle, et qui n’offrent pas nécessairement une typologie standard permettant d’utiliser un système donné. (Figure 7)
Figure 7 Schéma de classification des systèmes constructifs
14 Nous reconnaissons l’existence de systèmes constructifs utilisant le CLT courbé mais, compte tenu de sa mise en œuvre complexe, nous avons délibérément décidé d’en faire abstraction dans cette recherche et de nous concentrer sur les systèmes planaires.
Figure 8 A. Principe structurel de l’origami (Buri, 2010). Le pli apporte une raideur à une surface qui autrement resterait souple; B. Étude de forme en origami (Buri, 2010)
Nous avons déjà présenté les systèmes à claire-voie, à plate-forme et mixte associés aux systèmes à forme prédéfinie. Un dernier mérite d’être mentionné, Le Pli, car il a été largement étudié ces dernières années, entre autres par le laboratoire IBOIS (IBOIS, 2017) de l’EPFL à Lausanne et le MAP-CRAI (MAP-CRAI, 2016) à Nancy. C’est aussi le premier système que nous pourrions qualifier de non-standard.15 Inspiré du concept de l’origami, Le Pli fait l’objet de premières recherches et expérimentations dans les années 1950-1960. 16 (Buri H. U., 2010) (Meyer, 2013). Ce qui est moins courant, c’est son utilisation avec le matériau bois en tant que structure. Comme le présente Meyer (2013) dans son mémoire de recherche, l’origami est en constante évolution et de nouvelles formes sont découvertes quotidiennement. Malgré cela, nous avons classé ce système dans la catégorie des formes prédéfinies, car le système vient toujours en réponse à une même typologie de bâtiment.
Dans ce système, les plis composent des arcs ou des portiques qui vont imposer une typologie de dôme ou de bâtiment en longueur (gymnases, entrepôts, églises) puisque les plis ont la capacité d’atteindre de grandes portées. (Figure 8 A) Pour confirmer cette tendance, il suffit de regarder les projets existants qui s’inspirent de ce système, tels la Chapelle Saint-Loup, développée par l’agence Local Architecture et le laboratoire IBOIS, ainsi que les explorations effectuées par Buri (2010). (Figure 8 B). L’apport esthétique est indéniable; la structure plissée ajoute des qualités perceptuelles à l’espace en créant un rythme avec les effets d’ombre et de lumière. (Buri H. U., 2010). La complexité et la richesse de la technique apportent une variété appréciable dans la conception des espaces, mais la liberté formelle est moindre et ne répond donc pas aux besoins de notre recherche.
Parce qu’ils délaissent le cadre du normatif et les typologies qui en découlent, les systèmes constructifs applicables aux formes libres sont davantage ce qui nous intéresse. Libre de toute typologie particulière, la géométrie finale du bâtiment découlera souvent, en partie, du système constructif lui-même. Les possibilités de formes sont donc exponentielles.
Par ailleurs, les exemples de non-standard sont souvent accompagnés de budgets élevés (Stavric, Hirschberg, et Wiltsche, 2010; Reiser et Umemoto, 2006), s’expliquant en particulier par le processus de design et de résolution du projet. Plutôt que de travailler au développement d’une structure comme telle, le plus courant est de partir d’une esquisse de concept à laquelle on intégrera une structure en bois, par raboutage technologique s’il le faut. Notre recherche vise donc à revoir l’approche conceptuelle souvent contreproductive de ces structures non-standard.
Pour stimuler l’innovation et l’utilisation de ces méthodes non normatives, il faut repenser à la fois les méthodes de conception et de fabrication. La première étape consiste à travailler avec des équipes multidisciplinaires, et la seconde, à intégrer les outils de conception numérique permettant de nouvelles explorations formelles et matérielles. Cependant, vu la multiplicité des logiciels et des compétences impliqués dans de tels projets, il y a un besoin pressant de faciliter le travail de tous par l’adoption d’une approche de conception intégrée qui a fait ses preuves pour stimuler l’innovation dans la construction.
À titre d’exemple, dans un processus plus standard, l’architecte pourrait effectuer ses explorations formelles dans SketchUp (logiciel de modélisation 3D). Une fois un premier concept choisi, il sera dessiné dans Autocad (logiciel de dessin assisté par ordinateur) afin d’en générer des plans préliminaires qui pourront être envoyés à l’ingénieur et aux autres intervenants dans l’équipe de conception. Cela implique que le concept doit être assez avancé. L’ingénieur modélisera ensuite la structure à partir des plans de l’architecte dans son propre logiciel d’analyse de structure et pourra en sortir des analyses préliminaires. Il pourra, à partir de ses analyses, appliquer des commentaires dans le plan Autocad qui sera renvoyé à l’architecte.
Les architectes pourront reprendre les explorations formelles en SketchUp à partir des commentaires reçus, pour redessiner dans Autocad un nouveau concept ou un concept mis à jour et renvoyer le nouveau fichier AutoCad aux collaborateurs. La boucle sera reprise jusqu’à ce qu’un concept soit assez stable et avancé pour être modélisé dans un logiciel BIM (building information modeling). Ce n’est qu’à cette étape avancé de conception qu’il sera possible d’avoir un suivi mieux intégré des différents collaborateurs dans un seul fichier de conception.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
1 Contexte de la recherche
2 Problématique
3 Anatomie d’une structure en CLT
Le panneau CLT
Le CLT en structure
Forme libre et forme prédéfinie
4 Objectifs
5 Structure du mémoire
Chapitre 2 – Méthodologie de conception
1 Recherche-Création
2 Construction non standard en panneaux de bois
Systèmes constructifs
Assemblages
3 Conception intégrée – l’architecture numérique solution intégrative
4 Facteurs de validation
Les facteurs dans le contexte numérique
5 Le projet
La Jetée Alexandra – Port de Montréal
La toiture-terrasse du terminal de croisière
6 Critères de conception
Choix du système à l’aide de nos trois facteurs décisionnels
Chapitre 3 – Conception
1 Composantes et limites du système
2 Planarisation des motifs
3 Les formes mathématiques
4 Épaisseur et matériau
5 Form finding
6 Propositions finales
Proposition A – L’organique
Proposition B – Les collines
Chapitre 4 — Validation de la structure et fabrication
AVANT-PROPOS
Résumé
Abstract
1 Introduction
2 Context and Previous Work
3 Joinery System and Manufacturing
4 Preliminary Analysis
Configurations and limitations
Analysis and results
5 Validation
Material properties, connections and configurations
Results
RFEM analysis
Analysis of the results
6 Practical implications
7 Conclusions
Acknowledgment
Conclusion
Bibliographie
Annexes
Annexe 1 – Tableau récapitulatif des principales combinaisons systèmes constructifs – assemblages recencées
Annexe 2 – Article soumis pour le WCTE
Annexe 3 – Propriétés Nordic X-Lam
Annexe 4 – Code Python Épaisseur et Joint en queue d’aronde
Code pour créer la surface en offset
Code préparation des lignes guides pour le dessin des assemblages
Code de création des joints en queue d’aronde

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