Pete Silver et Will McLean sont tous deux enseignants à la School of Architecture and the Built Environment (Sabe) – l’école d’architecture de l’Université de Westminster. Ils sont les auteurs de l’ouvrage de référence sur les techniques et processus de fabrication des matériaux Fabrication : The Designers Guide (2006).
Au moyen de nombreuses illustrations et photographies en couleurs, cet ouvrage pédagogique présente les aspects fondamentaux des techniques de conception : physique du bâtiment, éléments structurels, logiques structurelles, chauffage, éclairage, performances des bâtiments, etc. La première partie expose les principes fondamentaux des structures : science des matériaux, technologie des matériaux et solidité des structures. Elle s’attache ensuite à décrire en détail les éléments, notamment leurs fonctions et leurs matériaux, puis la manière dont leur combinaison aboutit à la création des différents types de bâtiments, de la simple structure poteaux-poutre aux monocoques en aluminium en passant par les structures tendues. Une deuxième partie montre l’interaction de l’enveloppe avec son environnement et détaille
les techniques de conception qui permettent de satisfaire aux principes du confort thermique, acoustique et lumineux.
Comprendre simplement les techniques de conception explore également les techniques informatiques actuelles, notamment les possibilités offertes par les maquettes numériques. Enfin, les différentes thématiques abordées dans l’ouvrage sont mises en perspective au travers d’études de cas qui analysent des bâtiments tant historiques que contemporains. Véritable introduction à l’ingénierie des structures, ce livre s’adresse aux architectes et aux étudiants en architecture : il leur propose une vision d’ensemble des enjeux de conception et valorise les techniques en tant que source d’inspiration fondamentale.
STRUCTURE ET FORME : PHYSIQUE DU BÂTIMENT – SCIENCE DES MATÉRIAUX – SOLIDITÉ – TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX – ÉLÉMENTS STRUCTURELS – ÉLÉMENTS PORTEURS – ÉLÉMENTS DE FRANCHISSEMENT – CONNEXIONS ET ASSEMBLAGES – LOGIQUES STRUCTURELLES • CLIMAT ET ENVELOPPE : CONFORT THERMIQUE – PERFORMANCES DES BÂTIMENTS – ENVELOPPE DU BÂTIMENT – ACOUSTIQUE ET ÉCLAIRAGE – ÉQUIPEMENTS TECHNIQUES • OUTILS ET TECHNIQUES INFORMATIQUES – BIM – ANALYSE STRUCTURELLE ET ENVIRONNEMENTALE • ÉTUDES DE CAS ISSN 1965-863X ISBN 978-2-281-11696-0
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Pete Silver Will McLean
les techniques de conception
COMPRENDRE SIMPLEMENT les techniques de conception
COMPRENDRE SIMPLEMENT
Pete Silver Will McLean
COMPRENDRE SIMPLEMENT
les techniques de conception
Les ouvrages de la collection « Comprendre simplement » ont pour objectif d’expliquer les mécanismes physiques et les principes constructifs qui permettent de faire les meilleurs choix technologiques et d’aboutir à une bonne conception architecturale. Leur approche pédagogique conjugue trois axes complémentaires : l’expérience commune, la démarche scientifique et l’exemple.
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Table des matières Avant-propos Hanif Kara
9
Introduction
10
Structure et forme
12
Physique du bâtiment
15
Éléments structurels
35
Logiques structurelles
57
Science des matériaux Forces Contrainte Déformation Propriétés Solidité Rigidité et flexibilité Réactions Flexion Cisaillement
16 16
Éléments porteurs Murs porteurs Maçonnerie de petits éléments Construction composite Poteaux et colonnes Fondations Semelles filantes Plots Radiers Pieux Murs de soutènement
36 36
Structures en compression Formes bidimensionnelles Poteaux-poutres Structures en A Portiques Arcs Voûtes Dômes Surfaces tridimensionnelles Dômes par triangulation Dômes à lamelles Dômes géodésiques Voiles et monocoques
58 58
66
Structures tendues Membranes Résilles de câbles Tenségrité
68 68 68 68
18 20
Solidité 22 Charges 22 Charges dynamiques et statiques Forces horizontales Contreventement Torsion Stabilité structurelle 24 Ancrage Hauteur Centre de gravité Porte-à-faux Technologie des matériaux Pierre Bois Acier Béton armé Verre Tissus Plastique renforcé de fibres Matériaux composites
26 26 27 28 29 30 31 32 33
40 42
Éléments unidirectionnels 44 de franchissement Poutres 44 Sections Profils en long Dalles 48 Dalles en béton armé Tôles profilées Panneaux composites Panneaux alvéolaires ou sandwiches Éléments multidirectionnels 50 de franchissement Dalles en béton armé Caissons Structures spatiales Panneaux alvéolaires ou sandwiches Connexions et assemblages 52 Assemblage par profils complémentaires Pierre sèche Clous Vis Boulons Rivets Ridoirs Colles Soudage Brasage
62
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Climat et enveloppe
70
Confort
73
Performances des bâtiments
79
Confort thermique
74
Géométrie solaire
76
Enveloppe du bâtiment Inertie thermique Isolation thermique Principes Typologie Ventilation Ventilation naturelle Ventilation passive contrôlée Fenêtres et vitrages Façades Petits éléments Systèmes de bardage Membranes Revêtements d’étanchéité Étanchéité en détails
80 80 82
Études de cas Maison en terre crue Tipi Igloo Obélisque Panthéon de Rome Pont de Coalbrookdale Phare de Bell Rock Crystal Palace Pont suspendu de Clifton Maison tropicale (pavillon démontable) Kresge Auditorium Palazzetto dello Sport Astrodome de Houston Pavillon allemand Pavillon des États-Unis Maison autoconstruite à ossature bois Opéra de Sydney Siège de la HSBC Pavillon du futur Pavillon du Portugal Centre de presse du Lord’s 30 St Mary Axe Tour « D » Davies Alpine House Station spatiale internationale Media-TIC Extension du Stedelijk Museum
154 156 158 160 162 164 166 168 170 172 174 176 178 180 182 184 186
Index Crédits photos et illustrations
200 208
Outils et techniques informatiques
121
Building Information Modeling (BIM) 122 Domotique et systèmes intelligents 124 Analyse structurelle Recherche de formes Méthode des éléments finis
126
Analyse environnementale Confort thermique Lumière naturelle Ventilation Acoustique
128
Glossaire Bibliographie
194 197
Acoustique et éclairage Acoustique Propriétés du son Contrôle et isolation Lumière naturelle
102 102
Équipements techniques Chauffage Ventilation mécanique Climatisation Principes Systèmes Systèmes intégrés Assainissement
108 108 110 112
133
Cadre réglementaire de la construction
189
134 136 138 140 142 144 146 148 150 152
Obligations réglementaires et exigences normatives
190
Lignes directrices européennes sur la construction durable
192
Remerciements
208
106
86 90 92
116 118
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Structure et forme / Éléments structurels 58
Structures en compression / Formes bidimensionnelles : poteaux-poutres, structures en A, portiques, arcs 1
Poteaux-poutres La structure la plus simple consiste en deux poteaux supportant une poutre. Structures en A Ce type de structures se déploie par triangulation, chaque côté s’appuyant contre l’autre. Si les jambes de cette structure ne sont pas fixées à leur base, un contreventement horizontal agissant en tension est alors nécessaire afin d’empêcher les jambes de s’écarter. Portiques Le principe du portique combine celui des poteaux-poutres et celui de la structure en A. Il opère telle une poutre échelle, avec un cadre rigide composé d’éléments dont la section est assez épaisse pour participer au contreventement de la structure. Arcs Un arc peut être courbe ou brisé. L’arc courbe est un élément continu en compression qui répartit les charges sur toute sa forme curviligne. Ces charges augmentant vers la base de l’arc, un ancrage ou une fixation est nécessaire pour éviter que l’arc ne s’évase. Courbes paraboliques, elliptiques ou en chaînette Ces trois types de courbes sont considérés comme étant structurellement efficaces pour constituer un arc. Parmi ceux-ci, l’arc elliptique permet de couvrir les plus longues distances du fait de son aplatissement. La courbe en chaînette tire quant à elle son nom du fait qu’on la dessine en inversant la courbe
obtenue en laissant une chaîne pendre. Quant à la courbe parabolique, c’est la courbe naturellement formée par un jet d’eau. Toutes deux peuvent être considérées comme des représentations graphiques d’équations du second degré. Si, dans un pont suspendu, les câbles porteurs tendus entre les mâts forment naturellement une courbe en chaînette, ils suivent en revanche une courbe parabolique dès lors que des suspentes verticales régulièrement réparties portent le poids du tablier. Une courbe en chaînette inversée constitue un arc naturellement stable. Elle est structurellement efficace, car la poussée au sol suit exactement la ligne de l’arc. La parabole, dans sa forme la plus simple, correspond à l’équation : y = x^2 L’arc en chaînette est défini par le cosinus hyperbolique : y = cosh(x) = (e^x + e^-x)/2 Arcs articulés Une articulation est une liaison structurelle qui permet une rotation au point de connexion, à la façon une charnière. On utilise des articulations aux bases ou au sommet d’un arc afin de faciliter sa construction et de permettre un mouvement différentiel. Lorsqu’un axe est fixé de façon rigide, des contraintes apparaissent dès qu’il subit une charge externe non-uniforme, à la suite de mouvements de terrain par exemple.
1 Formes primaires (2D) en compression. De gauche à droite : poteaux-poutre, structure en A, portique, arc courbe, arc brisé. 2 Courbes en chaînette. 3 Un arc à une articulation permet déjà quelques mouvements limités du sol. Un arc à deux articulations permet à chaque base d’agir en tant que pivot. Une troisième articulation permet aux deux moitiés de s’appuyer l’une contre l’autre, offrant ainsi une bien plus grande liberté de mouvement. 4, 5, 6 Poteaux-poutres. 7 Charpente constituée de portiques, par Lamisell Ltd, Royaume-Uni. 8 Structure en A. 9, 10 Bien que ces structures, conçues par Nox Architecture, soient constituées d’arches, le principe de franchissement appliqué est celui du portique. 11 En découpant une section oblique sur un cône, on obtient une courbe parabolique. L’intersection d’un cône et d’un plan forme une ellipse.
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2
3
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Une articulation
Deux articulations
Trois articulations
Courbes en chaĂŽnette 5
9
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7
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Outils et techniques informatiques 122
Building Information Modeling (BIM) ou maquette numérique du bâtiment
Maquette numérique Appelée aussi maquette numérique intelligente ou modélisation des données du bâtiment, cette technologie couvre un ensemble d’applications informatiques de pointe. Elle repose sur la CAO et la capacité de différents programmes à s’intégrer dans un modèle informatique unique. Une maquette numérique est la représentation d’un bâtiment comme « base de données intégrée d’informations coordonnées ». Il s’agit d’un logiciel de CAO standard auquel on adjoint des systèmes orientés objet. Toute ligne dessinée peut donc être codée en tant qu’objet. En appliquant cette logique, les objets d’un projet architectural peuvent être associés à des données non graphiques enregistrées dans des formats informatiques standard. On peut ainsi affecter des attributs cachés à chaque élément de construction d’un projet, tels que les propriétés de ses matériaux, ses coûts, ses fournisseurs, etc. Ces données non graphiques, rassemblées dans une série de feuilles de calcul, pourront être ensuite extraites afin d’établir des planifications ou des spécifications. Différents types de programmes peuvent contribuer à la réalisation d’une maquette globale. Études de site : étude géotechnique en 3D, imagerie thermique, cartographie des bruits, cartographie du vent. Conception : la modélisation paramétrique est importante pour l’efficacité d’une maquette numérique. Il s’agit d’un logiciel qui utilise une base de données relationnelle dans un modèle dynamique de l’ensemble du projet. Ce logiciel prend en compte les comportements des différents éléments d’un bâtiment – ses composants paramétriques –, à la fois en
termes graphiques et informationnels. Il s’assure que les relations entre les éléments restent cohérentes lors de toute manipulation du modèle. Ainsi, toute modification sur un plan d’étage, une coupe ou un planning se répercutera dans l’ensemble du projet et tous les ajustements ou modifications nécessaires s’effectueront automatiquement. Analyse structurelle : il s’agit de logiciels de sélection des matériaux ou d’application de la méthode des éléments finis. Analyse environnementale : les logiciels d’analyse s’appliquent à la géométrie solaire, à la lumière naturelle ainsi qu’aux propriétés thermiques et acoustiques. S’ajoutent encore la ventilation et la gestion des foules, pour lesquelles on pourra s’appuyer sur l’outil de Computational Fluid Dynamics (CFD), ou mécanique des fluides numérique (MFN). Optimisation et détection des interférences : le modèle paramétrique est également en mesure d’identifier tous les éléments de construction d’un dessin en 3D et de les utiliser comme une base de données pour la planification, les feuilles de calcul et les spécifications. Il peut donc faciliter le suivi et le calcul précis des quantités de matériaux pour l’estimation des coûts. Construction : les programmes machine directement convertis à partir des fichiers graphiques du concepteur permettent la préfabrication hors site d’éléments de construction. Entre autres, l’organisation du travail des entrepreneurs, les chemins critiques, l’approvisionnement et les coûts peuvent aussi être intégrés dans le modèle d’optimisation. Clients : les clients peuvent consulter la maquette numérique sans disposer de l’application d’origine. Une gestion des
installations après la réception des travaux est également possible afin de localiser, réparer ou remplacer tout élément dans le bâtiment. À cette fin, un codage à barres des éléments peut être utilisé.
1 Modèle informatique centralisé. 2 Conception paramétrique avec le logiciel Revit. 2.1 Une maquette numérique répercute tout changement opéré : plans, coupes, vues détaillées, plannings et quantités seront tous mis à jour automatiquement. 2.2 Les composants 3D utilisés dans la maquette sont réunis par familles : armoires, équipements, parties de bâtiment, murs, poteaux, etc. Tous ces composants sont intégralement paramétrés. Les plans, coupes et vues détaillées sont alors plus flexibles et mis à jour plus rapidement. 2.3 Une maquette numérique permet à tous les acteurs d’un projet – consultants, clients, spécialistes, fournisseurs et entrepreneurs – de travailler sur un modèle en 3D partagé unique, ce qui facilite la collaboration et réduit tant les risques de conflit que les impacts des correctifs sur les coûts et les délais. 2.4 Les clients ont une idée claire du résultat futur, dans la mesure où les projets peuvent être visualisés à un stade précoce. Avant même que la construction ne débute, une maquette numérique permet à l’équipe de projet de travailler dans l’environnement virtuel du chantier afin d’optimiser l’organisation des travaux. 2.5 Une maquette numérique permet une exécution des projets beaucoup plus rapide et plus efficace, le modèle en 3D fournissant les quantités, le plan de travail et les schémas de fabrication et de construction. 2.6 Une maquette numérique peut intégrer des informations produit qui faciliteront l’exploitation et la maintenance du bâtiment une fois celui-ci achevé.
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1 Architecte Ingénieur structure
Visualisation Analyse énergétique
BIM
Spécification
Ingénieur équipements Entrepreneur
Maître d’ouvrage
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
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Études de cas 180
Davies Alpine House
> 60 Voûte en berceau
> 74 Confort thermique
Localisation : jardins botaniques royaux de Kew, Londres Date d’achèvement : 2005 Hauteur / largeur / portée : 10 / 15 / 19 m Matériaux : acier peint et verre de construction Architectes : Wilkinson Eyre Ingénierie structure : Dewhurst MacFarlane Ingénierie environnementale : Atelier 10
> 86 Ventilation
Chaque arche double, constituée d’une arcade supérieure et d’une arcade inférieure, est mise en tension par des tirants ancrés au niveau du sol à un mur de soutènement en béton. Les arches sont fabriquées à partir de plaques en acier découpées en arc, puis soudées ensemble pour obtenir des sections rectangulaires de 240 × 120 mm. Les tirants en acier inoxydable portent également des panneaux de verre à facettes. Les plantes alpines ont besoin d’un air sec, frais et souvent renouvelé, ainsi que de beaucoup de lumière. La hauteur de la serre favorise les flux d’air ascendants, par des ventilations placées en haut et en bas, tandis qu’un socle en béton sert de réservoir thermique. Un petit ventilateur aspire l’air frais la nuit à travers un labyrinthe de béton situé sous le plancher, alors qu’une série de ventilations dirige l’air frais vers le haut au cours de la journée (voir aussi Inertie thermique, p. 80). Le bâtiment est orienté nord-sud, de manière à présenter sa plus petite façade au soleil. Un verre à faible teneur en fer assure une transparence d’environ 90 %, tout en offrant une protection solaire mécanique assurée par un déploiement en éventail sur la façade.
1 Dessin axonométrique « éclaté » décrivant la logique structurelle et les principaux éléments structurels et de bardage. 2 Contrôle thermique. Section illustrant les flux d’air et les températures. 3 Vue de la Davies Alpine House et de sa protection solaire déployée.
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2
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Pete Silver et Will McLean sont tous deux enseignants à la School of Architecture and the Built Environment (Sabe) – l’école d’architecture de l’Université de Westminster. Ils sont les auteurs de l’ouvrage de référence sur les techniques et processus de fabrication des matériaux Fabrication : The Designers Guide (2006).
Au moyen de nombreuses illustrations et photographies en couleurs, cet ouvrage pédagogique présente les aspects fondamentaux des techniques de conception : physique du bâtiment, éléments structurels, logiques structurelles, chauffage, éclairage, performances des bâtiments, etc. La première partie expose les principes fondamentaux des structures : science des matériaux, technologie des matériaux et solidité des structures. Elle s’attache ensuite à décrire en détail les éléments, notamment leurs fonctions et leurs matériaux, puis la manière dont leur combinaison aboutit à la création des différents types de bâtiments, de la simple structure poteaux-poutre aux monocoques en aluminium en passant par les structures tendues. Une deuxième partie montre l’interaction de l’enveloppe avec son environnement et détaille
les techniques de conception qui permettent de satisfaire aux principes du confort thermique, acoustique et lumineux.
Comprendre simplement les techniques de conception explore également les techniques informatiques actuelles, notamment les possibilités offertes par les maquettes numériques. Enfin, les différentes thématiques abordées dans l’ouvrage sont mises en perspective au travers d’études de cas qui analysent des bâtiments tant historiques que contemporains. Véritable introduction à l’ingénierie des structures, ce livre s’adresse aux architectes et aux étudiants en architecture : il leur propose une vision d’ensemble des enjeux de conception et valorise les techniques en tant que source d’inspiration fondamentale.
STRUCTURE ET FORME : PHYSIQUE DU BÂTIMENT – SCIENCE DES MATÉRIAUX – SOLIDITÉ – TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX – ÉLÉMENTS STRUCTURELS – ÉLÉMENTS PORTEURS – ÉLÉMENTS DE FRANCHISSEMENT – CONNEXIONS ET ASSEMBLAGES – LOGIQUES STRUCTURELLES • CLIMAT ET ENVELOPPE : CONFORT THERMIQUE – PERFORMANCES DES BÂTIMENTS – ENVELOPPE DU BÂTIMENT – ACOUSTIQUE ET ÉCLAIRAGE – ÉQUIPEMENTS TECHNIQUES • OUTILS ET TECHNIQUES INFORMATIQUES – BIM – ANALYSE STRUCTURELLE ET ENVIRONNEMENTALE • ÉTUDES DE CAS ISSN 1965-863X ISBN 978-2-281-11696-0
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Pete Silver Will McLean
les techniques de conception
COMPRENDRE SIMPLEMENT les techniques de conception
COMPRENDRE SIMPLEMENT
Pete Silver Will McLean
COMPRENDRE SIMPLEMENT
les techniques de conception
Les ouvrages de la collection « Comprendre simplement » ont pour objectif d’expliquer les mécanismes physiques et les principes constructifs qui permettent de faire les meilleurs choix technologiques et d’aboutir à une bonne conception architecturale. Leur approche pédagogique conjugue trois axes complémentaires : l’expérience commune, la démarche scientifique et l’exemple.
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