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WO 2016/174359 -1-
PCT/FR2016/050999
Élément de construction et dispositif de renforcement associé
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un élément de construction destiné
notamment à la construction d'un bâtiment, comme une maison, un immeuble
etc ainsi qu'un dispositif de renforcement associé.
Arrière-plan technologique
La construction avec des éléments en bois est de nos jours de plus
en plus plébiscitée par les usagers soucieux de limiter leur impact sur
l'environnement.
De façon générale, un tel élément de construction comprend une
ossature en bois avec plusieurs poutres ou montants assemblés formant la
structure portante de l'élément et une ou plusieurs plaques de parement, par
exemple en plâtre ou bois aggloméré, fixées sur l'ossature. Une couche
isolante, par exemple de la laine minérale, est disposée entre les poutres de
l'ossature pour conférer une isolation thermo-acoustique à l'élément de
construction.
D'un point de vue portance, confort énergétique et insonorisation, ces
éléments de construction donnent pleinement satisfaction, aussi bien pour leur
utilisation dans la construction de murs ou de cloisons que de planchers ou de
plafonds.
Cependant, la résistance au feu de tels éléments de construction
reste une préoccupation permanente.
En effet, lors d'une exposition au feu, les performances de tenue
mécanique, notamment la portance de l'ossature en bois se réduisent du fait
notamment de la carbonisation des fibres de bois ce qui peut conduire à un
effondrement de la structure, ceci, même si la plaque de plâtre et la laine
minérale de l'élément de construction permet de protéger quelque peu
l'ossature
et de retarder cette échéance.
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WO 2016/174359 -2-
PCT/FR2016/050999
La Demanderesse a mené des expériences pour évaluer la
résistance au feu de tels éléments de construction. Ainsi, un élément de
construction formé de poutres en bois de section 45mmX145mm de la classe
030 et d'une plaque de plâtre résistante au feu du type F d'une épaisseur de
20mm présentait une durée de résistance d'environ 78m in.
Augmenter cette durée est primordiale pour par exemple allonger la
durée d'évacuation des occupants du bâtiment en cas de feu. Ceci devient
encore plus important dans le cadre d'un bâtiment à plusieurs étages réalisé
avec de tels éléments de construction.
En outre, les éléments de construction sont soumis à des normes de
résistance au feu. En particulier la norme EN1363/1364 définit un classement
R.E.I. suivi d'un chiffre. En résumé, ce classement R.E.I. suivi d'un chiffre
exprime en minutes le temps pendant lequel un élément de construction
satisfait
simultanément aux critères suivants :
= Résistance
mécanique : temps pendant lequel l'élément
conserve sa fonction portante (pour les éléments à fonction portante).
= Etanchéité aux flammes : temps pendant lequel il n'y a pas
de flammes ou de fumées qui passent du côté de la paroi non exposée
(pour les éléments à fonction de séparation).
= Isolation thermique
: temps pendant lequel la température
n'augmente pas au-dessus d'un certain seuil thermique du côté non
exposé.
L'augmentation de la résistance au feu permet de plus un meilleur
classement au niveau des normes et ouvre donc à l'élément de construction un
champ d'application plus large dans la construction de bâtiments.
Objectifs de l'invention
La présente invention vise à proposer un élément de construction
ayant une résistance au feu améliorée.
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WO 2016/174359 -3-
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Selon un autre objectif indépendant, l'invention vise à proposer un
dispositif de renforcement d'un tel élément de construction.
Exposé de l'invention
Ainsi, l'invention a pour objet un élément de construction pour un bâtiment
comprenant une ossature avec au moins une poutre en bois et au moins une
plaque de parement fixée sur la poutre de l'ossature, caractérisé en ce qu'il
comprend un composant d'isolation en laine minérale apposé sur la poutre de
manière à recouvrir ladite poutre d'une part sur une face frontale et d'autre
part
sur au moins une partie des faces latérales, le composant d'isolation apposé
sur
la face frontale étant interposé entre la plaque de parement et la poutre.
L'élément de construction peut comporter en outre une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
Selon un aspect, le composant d'isolation en laine minérale recouvre les faces
latérales en totalité.
Selon un autre aspect, le composant d'isolation en laine minérale est en outre
apposé sur la face arrière de la poutre opposée à la face frontale de manière
à
englober ladite poutre complètement.
Sur chaque face sur laquelle le composant d'isolation est apposé,
l'orientation
des fibres peut comprendre une composante parallèle à cette face, notamment
la direction dominante de l'orientation des fibres minérales du composant
d'isolation en laine minérale est parallèle à cette face.
L'épaisseur du composant d'isolation est par exemple supérieure ou égale à
15mm et notamment comprise en 15mm et 50mm, plus particulièrement de
25mm.
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WO 2016/174359 -4-
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La densité du composant d'isolation en laine minérale est par exemple
supérieure ou égale à 30kg/m3, notamment comprise entre 80kg/m3 et 100kg/m3
et plus particulièrement comprise entre à 85kg/m3 et 91kg/m3.
On peut prévoir que la laine minérale du composant d'isolation est réalisée
avec
des fibres de laine minérale résistante à haute température.
Le composant d'isolation peut être apposé sur la poutre de bois par collage
et/
ou une fixation mécanique.
L'élément de construction peut en outre comprendre un dispositif de
renforcement ayant au moins une partie de section transversale une forme
générale en U , le fond du U étant disposé en regard de la face
frontale
et les branches du U en regard des faces latérales, chaque branche
latérale
étant fixée au niveau d'une zone d'extrémité dans la face latérale de la
poutre,
le composant d'isolation étant interposé soit entre le dispositif de
renforcement
d'un part et la poutre d'autre part, soit entre le fond du U et la plaque de
parement.
Selon un aspect, la longueur de chaque branche du dispositif de renforcement
est supérieure à la moitié de l'épaisseur de la poutre.
Le dispositif de renforcement peut comprendre des ouvertures de dégazage.
L'invention concerne également un dispositif de renforcement pour un élément
de construction tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend
d'une
part une face frontale destinée à être fixée en regard de la face frontale
d'une
poutre et d'autre part au moins deux branches latérales destinées à être
fixées
sur les côtés latérales d'une poutre en bois.
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Selon un aspect, la longueur de chaque branche du dispositif de renforcement
est supérieure à 40mm, notamment comprise entre 50mm et 70mm, en
particulier 60mm.
Selon un autre aspect, le dispositif de renforcement comprend des ouvertures
de dégazage.
L'invention concerne de plus un ensemble de dispositifs de renforcement
caractérisé en ce qu'il comprend au moins une paire de dispositifs de
renforcement tels que définis ci-dessus dont les branches latérales
respectives
possèdent des formes complémentaires de découpe.
L'invention concerne enfin un kit de protection pour la réalisation d'un
élément
de construction tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend au
moins un panneau en laine minérale et des moyens de renforcement du
panneau sur les faces frontale et latérales d'une poutre en bois, notamment un
dispositif tel que défini ci-dessus.
Selon un aspect, le kit comprend un panneau formé de trois segments
notamment chanfreinés, continus ou jointifs reliés par leur faces externes, le
panneau étant repliable par des charnières pliables de façon à entourer la
poutre en bois.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et
avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante
faite
à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels
:
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un élément
de construction selon un mode de réalisation,
- la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un détail d'un
élément de construction selon un premier mode de réalisation,
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- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif
de renforcement selon un premier mode de réalisation,
- la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un dispositif
de renforcement selon un second mode de réalisation
- la figure 5 est une vue schématique de dessus d'une bande de
tôle avec des lignes de découpe et de pliage pour la fabrication
d'un dispositif de renforcement,
- la figure 6 montre une vue en coupe transversale d'un détail d'un
élément de construction selon un second mode de réalisation,
- la figure 7 montre une vue en perspective d'une poutre en bois
équipé de deux dispositifs de renforcement de forme
complémentaire,
- la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un exemple de
réalisation d'un composant d'isolation pour un élément de
construction selon l'invention, et
- la figure 9 est une vue en coupe transversale de l'exemple de
réalisation d'un composant d'isolation selon la figure 8 à l'état
déplié.
Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros
de référence.
On va maintenant décrire un exemple d'un mode de réalisation en
référence aux figures.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se
réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas
nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation,
ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de
réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation
peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations.
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Sur la figure 1 est représenté de façon schématique un élément de
construction 1 pour un bâtiment. A titre d'exemple et de façon non-exhaustive,
il
peut s'agir d'un élément formant mûr, cloison, plancher ou plafond.
Il peut s'agir d'un élément préfabriqué, c'est-à-dire assemblé par exemple
en usine pour être livré sur un chantier de construction, ou être assemblé sur
chantier.
L'élément de construction 1 peut aussi intégrer ou incorporer d'autres
éléments comme par exemple des fenêtres ou des portes sans sortir du cadre
de la présente invention.
L'élément de construction 1 comprend en particulier une ossature avec au
moins une, dans le présent cas trois poutres en bois 3 qui sont par exemple
espacés régulièrement les unes des autres. Il s'agit de trois poutres 3
porteuses. Ces poutres 3 sont porteuses pour l'élément de construction 1 lui-
même, mais peuvent de plus être porteuses dans un sens plus large pour le
bâtiment pour lequel il est utilisé. La ou les poutres peuvent être de section
transversale carrée ou rectangulaire.
Bien entendu, cette ossature peut aussi comprendre de plus des traverses
en bois pour rigidifier la construction.
Au moins une plaque de parement 4 est fixée sur les poutres 3 de
l'ossature bois. Dans cette réalisation, une plaque unique 4 recouvre les
trois
poutres. En variante, plusieurs plaques ne recouvrant que deux poutres
successives, peuvent être juxtaposées latéralement.
De plus, une couche isolante thermiquement 5, par exemple en laine
minérale comme la laine de verre ou de roche, est disposée entre les poutres
3.
La couche isolante 5 est par exemple une laine minérale commercialisée par la
Demanderesse sous la marque ULTIMATETm . Il s'agit d'une laine minérale
fabriquée selon une composition et un procédé spécifique lui conférant une
bonne tenue au feu approchant les 700 C. Ce produit, disponible dans des
gammes de densité relativement basse à performances thermique donnée, est
un avantage pour réaliser un élément de construction léger. Par exemple on
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utilise ici une densité de 20kg/m3. Une laine de roche ou de verre est
également envisageable.
Sur la figure 2 est montré selon une vue en section transversale selon la
ligne de coupe II-II un détail de l'élément de construction 1 de la figure 1
sans la
couche isolante 5.
Comme on le voit sur cette figure 2, l'élément de construction 1 comprend
un composant d'isolation 7 en laine minérale supplémentaire et différent de la
couche isolante 5. Ce composant d'isolation 7 est apposé sur la poutre de bois
3 et est interposé entre la plaque de parement 4 et une face frontale 9 de la
poutre 3 qui est en vis-à-vis de la plaque de parement 4. Le composant
d'isolation 7 est fixé contre la poutre 3 et se prolonge sur des faces
latérales 11
de la poutre 3, de façon à recouvrir celles-ci partiellement ou totalement,
typiquement sur au moins 50%, dans le présent cas en totalité. Il est en
contact
plan contre la ou les faces de la poutre.
Le composant d'isolation 7 en laine minérale est formé au moins en partie
de fibres en proportion comprise entre 80% et 99% en poids.
De plus, l'orientation spatiale des fibres comprend une composante
parallèle à la face 9 ou 11 contre laquelle le composant d'isolation 7 est
fixé.
Préférentiellement, la direction dominante d'orientation des fibres minérales
du
composant d'isolation 7 est parallèle à la face 9 ou 11 contre laquelle le
composant d'isolation 7 est fixé. Ceci empêche efficacement que les flammes
puissent lécher directement le bois de la poutre 3 lors d'une exposition
directe
au feu de l'élément de construction 1.
Le composant isolant peut ainsi avoir une structure de feutre de laine
minérale dans laquelle les fibres sont réparties substantiellement sous forme
de
strates sensiblement parallèles aux surfaces principales du composant. Il peut
aussi avoir une structure de feutre densifié par nappage pendulaire ou par
crêpage, ces deux techniques connues en soi dans le domaine de la laine
minérale ont pour effet de réorienter partiellement les fibres de laine
minérale
avec une composante verticale dans la direction de l'épaisseur du composant.
Une telle réorganisation partielle préserve une orientation horizontale
suffisante
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pour s'opposer au passage de l'air, du rayonnement thermique, ou des
flammes.
A l'inverse, une structure de type lamellaire dans laquelle les fibres sont
orientées suivant des strates essentiellement parallèles à la direction de
l'épaisseur du composant n'est pas recommandée. Car elle crée un effet de
cheminée, offrant très peu de résistance au passage de l'air dans la direction
de
l'épaisseur du composant, et au contraire canalisent la pénétration des fumées
ou flammes au contact de l'élément en bois à protéger.
Le composant d'isolation 7 peut être composé de segments de laine
minérale continus ou jointifs.
Ce composant d'isolation 7 est dans ce mode de réalisation en contact
direct avec la poutre 3 et fixé contre celle-ci par collage avec une colle
silicate
ou un mortier minéral et/ ou une fixation mécanique comme par exemple un
dispositif de renforcement 13 représenté à la figure 2.
Le composant d'isolation 7 possède une épaisseur qui peut varier selon
la protection au feu à apporter à l'élément en bois. Elle est supérieure ou
égale
à 15mm et notamment comprise entre 15mm et 50mm (bornes incluses), plus
particulièrement de 25mm.
La densité du matériau du composant d'isolation 7 est par exemple
supérieure ou égale à 30kg/m3, notamment comprise entre 80kg/m3 et 100kg/m3
(bornes incluses) et plus particulièrement compris entre 85kg/m3 et 91kg/m3
(bornes incluses).
La laine minérale du composant d'isolation 7 est donc plus dense que
celle de la laine minérale de la couche isolante 5 et est notamment configurée
sous forme d'un panneau rigide ou d'une bande.
La laine minérale du composant d'isolation 7 est réalisée avec des fibres
minérales résistantes à haute température.
La demanderesse commercialise une laine minérale adaptée pour cette
application sous la marque ULTIMATE . Par exemple, un produit de la
référence U MPN 85 est approprié pour un usage selon l'invention.
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La figure 3 montre selon une vue en perspective un schéma d'un
dispositif de renforcement 13 selon un premier mode de réalisation.
Le dispositif de renforcement 13 est par exemple en métal, notamment de
la tôle pliée de préférence galvanisée, et possède en section transversale une
forme générale en U et le composant d'isolation 7 est pris en sandwich
entre le dispositif de renforcement 13 d'une part et la poutre 3 d'autre part
(voir
figure 2) ou appliqué entre le dispositif de renforcement 13 et le parement
(voir
figure 6).
Plus spécifiquement le dispositif de renforcement 13 est formé d'une
plaque frontale 15 et par exemple deux paires de branches 17A et 17B espacés
de manière à pouvoir tenir entre lesdites paires de branches 17A et 17B la
poutre 3 et éventuellement le composant d'isolation 7.
Ainsi, le fond du U formé par la plaque frontale 15 est disposé au
niveau de la face frontale 9 et les paires de branches 17A , 17B du U au
niveau des faces latérales 11, chaque paire de branches latérales 17A, 17B
étant fixée au niveau d'une zone d'extrémité 19A, 19B dans la face latérale 11
de la poutre 3, par exemple par des vis 23 (voir figure 2).
La longueur de chaque paires de branches 17A, 17B du dispositif de
renforcement 13 dépend de la géométrie particulière de l'élément en bois à
protéger et est généralement prévue pour s'étendre sur au moins la moitié de
l'épaisseur de l'élément en bois. Ainsi la zone d'extrémité 19A, 19B permet de
recevoir une vis 23 qui s'ancre dans l'élément en bois dans une position
située
au-delà de la moitié de l'épaisseur de la poutre, à une distance maximisée par
rapport à la face susceptible d'être exposée au feu. La longueur des branches
est supérieure ou égale à 40mm, notamment comprise entre 50mm et 70mm
(bornes incluses), en particulier de 60mm.
Afin de favoriser le dégazage du bois en cas de feu, le dispositif de
renforcement 13 peut comprendre des ouvertures de dégazage 21 sur la plaque
frontale 15 ainsi que sur les branches 17A et 17B. Ces trous permettent
également de faciliter la mise en place des vis 23, grâce au perçage réalisé.
Ils
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contribuent aussi à diminuer le pont thermique généré par la présence du
dispositif de renforcement métallique.
La demanderesse a conduit des essais de tenue de feu d'un tel élément
de construction 1. Pendant ces essais, les éléments de construction 1 ont été
soumis à un feu avec des brûleurs à gaz du côté des plaques de parement 4 en
plâtre. De plus, les poutres 3 ont été soumises à une charge correspondant à
30% de la charge de rupture à température ambiante sans feu. Ces essais ont
montré que la tenue au feu, notamment pour son aspect de stabilité, a
largement progressé et la durée de rupture de charge en cas de feu a pu être
augmentée entre 25% et 30% par rapport à des poutres en bois des éléments
de construction de l'état de la technique.
Selon les analyses de la Demanderesse, le composant d'isolation 7 sur la
face frontale 9 retarde de façon significative la carbonisation de la poutre 3
au
niveau de cette face frontale 9.
Alors que dans les éléments de construction de l'état de la technique,
même lorsque les espaces entre les poutres sont remplies d'une couche
isolante, le feu pénètre assez rapidement dans l'interstice et attaque les
faces
latérales de la poutre.
En revanche, selon la présente invention, grâce à la protection des faces
latérales 11 de la poutre 3, on retarde aussi significativement un
affaiblissement
de la structure de la poutre 3 étant donné que la section de la poutre 3
disponible pour la portance diminue plus lentement.
Le fait que le dispositif de renforcement 13 est ancré latéralement dans la
poutre 3 dans une zone qui n'est pas ou plus tard soumise à la carbonisation,
par exemple au niveau des extrémités des paires de branches 19A et 19B, a
plusieurs avantages :
- La durée de la tenue du composant d'isolation 7 sur la poutre 3 est
augmentée.
- Le dispositif de renforcement 13 joue de plus un rôle de renfort de la
poutre 3.
En effet, même si la face frontale 9 commence à se carboniser, le dispositif
de
renforcement 13 est toujours tenu de façon stable par l'intermédiaire de sa
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fixation par ses zones d'extrémité 19A et 19B des paires de branches 17A et
17B, et ce d'autant plus que la fixation latérale est déportée selon
l'épaisseur de
la poutre à l'opposé de la surface susceptible d'être exposée au feu ; ceci a
pour
conséquence que la plaque de parement 4 qui est en matériau non inflammable
peut être maintenue plus longtemps en place.
- La capacité de portance de l'ossature bois en conditions dégradées est
ainsi
augmentée, et on peut imaginer ainsi de développer des bâtiments avec moins
de quantité de bois par étage (poutres de section plus faible), ou plus
d'étages,
le nombre maximum d'étages autorisés en construction bois étant aujourd'hui
limité.
- Enfin, il a été observé que les plaques de parement 4 se déforment moins
et
plus tardivement lors de l'exposition au feu.
On comprend donc que le composant d'isolation 7 contribue
significativement à l'augmentation de la résistance au feu des poutres 3 en
bois
d'un élément de construction 1 selon l'invention.
La figure 4 montre un autre mode de réalisation d'un dispositif de
renforcement 13. Celui-ci se distingue de celui de la figure 3 par la forme
des
paires de branches 17A et 17B qui sont reliées par une portion centrale 17C en
retrait.
Cette forme est adaptée pour la fabrication de paires de dispositifs de
renforcement 13 dont les branches latérales possèdent des formes
complémentaires de découpe.
Ceci est montré plus en détail sur la figure 5. Pour la fabrication du
dispositif de renforcement 13 selon la figure 4, on découpe dans une bande de
tôle deux formes ondulées 30 et 31 symétriques et en alternance ce qui permet
d'obtenir en alternance sur une bande de tôle une première pièce 33 de forme
générale en H et une seconde pièce 35 de forme générale en losange aux
formes arrondies et tronquée sur la partie supérieure et inférieure.
Pour chacune des pièces 33 et 35, on définit deux lignes de pliage 37 et
39 pour obtenir d'une part la plaque frontale 15 et d'autre part les paires de
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branches latérales 17A et 17B pour la pièce 33 et une paire de branches pour
la
pièce 35.
Selon une variante non représentée, on prévoit également que le
composant d'isolation 7 en laine minérale recouvre en outre la face arrière de
la
poutre 3 qui est opposée à la face frontale 9.
La figure 6 montre un second mode de réalisation de l'élément de
construction 1 selon l'invention.
Ce mode de réalisation de la figure 6 se distingue de celui de la figure 2
par le fait que le dispositif de renforcement 13 est directement fixé sur la
poutre
en bois 13 et renforce celle-ci. Le dispositif de renforcement 13 est donc
interposé entre le composant d'isolation 7 d'une part et la poutre en bois 3.
Lors des essais au feu, il a été observé que la carbonisation de la face
frontale 9 a pu être retardée ce qui contribue également à une meilleure tenue
au feu de l'élément de construction 1.
Pour tous les modes de réalisation, le composant d'isolation 7 se fixe sur
la poutre par des vis et/ou par une colle et/ou par des agrafes.
La figure 7 montre une poutre en bois 3 équipée de deux dispositifs de
renforcement 33 et 35 complémentaires.
Les éléments de construction 1 selon l'invention peuvent être
commercialisés préfabriqués mais on peut également envisager des kits de
protection pour la réalisation d'un élément de construction 1 sur le chantier.
Un
tel kit comprend au moins un panneau ou une bande en laine minérale
correspondant au composant d'isolation 7 et un dispositif de renforcement 13
du panneau sur les faces frontales et latérales d'une poutre en bois.
Pour permettre un stockage aisé à plat, on prévoit un kit de protection
présentant au moins trois panneaux chanfreinés 71, 72 et 73 reliés par leurs
faces externes par des charnières pliables 75 ou charnières film comme montré
sur les figures 8 et 9.
Bien entendu, on peut aussi prévoir trois panneaux chanfreinés ou non et
reliés de façon à former un U permettant d'entourer une poutre de bois.
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De façon avantageuse, le kit de protection comprend également au moins
un dispositif de renforcement 13.
On comprend donc qu'en protégeant par une isolation thermique
performante et résistante au feu, on peut allonger de façon significative la
tenue
au feu d'un élément de construction avec des poutres en bois.
