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Les ponts thermiques des enveloppes à ossature en bois 1 Copyrigh FCBA INFO, mai 2014 Les ponts thermiques des enveloppes à ossature bois Depuis 2012, L’institut Technologique FCBA met à disposition des Entreprises et des Bureaux d’études thermiques, des données et des justifications mises à jour, relatives aux conceptions usuelles rencontrées dans le domaine de la construction à ossature bois, vis à vis de la Réglementation Thermique : notamment, une mise à jour des caractéristiques des matériaux (règles THU-fascicule2), des configurations, des valeurs de coefficient de transmission thermique des parois à ossature bois (règles THU-fascicule 4), les ponts thermiques intégrés ainsi que les ponts thermiques de liaison (règle THU-fascicule 5). Ces valeurs vont corriger les dernières valeurs publiées dans la RT2012. La validation de l’Etat à travers la commission RT (Réglementation Thermique), composée d’experts nationaux en énergie du bâtiment et construction durable ainsi que du centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), permet aux éditeurs de logiciels et des outils de simulation thermique (Simulation thermique dynamique STD, calculs règlementaires RT, simulation numérique en mécanique des fluides CFD) de s’approprier ces valeurs pour que les acteurs de la construction et les chercheurs puissent en tirer les avantages de la construction en bois. Introduction La dernière réglementation thermique du bâtiment, RT2012 devrait permettre au secteur, d’atteindre un objectif de réduire au maximum la consommation énergétique, tout en assurant des ambiances intérieures saines et confortables. Elle impose des solutions techniques pour garantir un confort d’été minimal et une réduction des déperditions par l’enveloppe. Le secteur de la construction bois connaît une croissance en termes de nombre de bâtiments construits depuis le début des années 2000. Face à cette croissance, les professionnels de la filière Construction Bois ont manifesté leur besoin d’apporter les modèles de constructions efficaces accompagnées de meilleures performances thermiques afin de mettre en avant la filière. FCBA a enrichi les résultats du projet RT Bois de 2009. Ce projet avait pour objectif d’apporter des connaissances sur le comportement hygrothermiques des bâtiments à ossature bois. Une partie du travail a permis de compléter les performances des enveloppes à ossature en Bois dans la RT2012. Depuis la publication de ces règles, les calculs ont été remis à jour, en s’appuyant sur des systèmes constructifs les plus courants. FCBA a défini des systèmes constructifs standards dans le cadre du programme RAGE «Règle de l’Art Grenelle environnement » : et plus particulièrement le Catalogue Bois Construction. Méthode Les calculs ont été réalisés par la méthode de modélisation numérique aux éléments finis en tridimensionnel à l’aide du logiciel TRISCO, Ce logiciel possède une bibliothèque de matériaux et d’ambiances (air intérieur, air extérieur) pour définir les conditions limites des parois. Figure 1 : Modèle et calcul dans TRISCO
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Les ponts thermiques des enveloppes à ossature en bois 1 Copyrigh FCBA INFO, mai 2014
Les ponts thermiques des enveloppes à ossature bois Depuis 2012, L’institut Technologique FCBA met à disposition des Entreprises et des Bureaux d’études thermiques, des données et des justifications mises à jour, relatives aux conceptions usuelles rencontrées dans le domaine de la construction à ossature bois, vis à vis de la Réglementation Thermique : notamment, une mise à jour des caractéristiques des matériaux (règles THU-fascicule2), des configurations, des valeurs de coefficient de transmission thermique des parois à ossature bois (règles THU-fascicule 4), les ponts thermiques intégrés ainsi que les ponts thermiques de liaison (règle THU-fascicule 5). Ces valeurs vont corriger les dernières valeurs publiées dans la RT2012. La validation de l’Etat à travers la commission RT (Réglementation Thermique), composée d’experts nationaux en énergie du bâtiment et construction durable ainsi que du centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), permet aux éditeurs de logiciels et des outils de simulation thermique (Simulation thermique dynamique STD, calculs règlementaires RT, simulation numérique en mécanique des fluides CFD) de s’approprier ces valeurs pour que les acteurs de la construction et les chercheurs puissent en tirer les avantages de la construction en bois.
Introduction La dernière réglementation thermique du bâtiment, RT2012 devrait permettre au secteur, d’atteindre un objectif de réduire au maximum la consommation énergétique, tout en assurant des ambiances intérieures saines et confortables. Elle impose des solutions techniques pour garantir un confort d’été minimal et une réduction des déperditions par l’enveloppe. Le secteur de la construction bois connaît une croissance en termes de nombre de bâtiments construits depuis le début des années 2000. Face à cette croissance, les professionnels de la filière Construction Bois ont manifesté leur besoin d’apporter les modèles de constructions efficaces accompagnées de meilleures performances thermiques afin de mettre en avant la filière. FCBA a enrichi les résultats du projet RT Bois de 2009. Ce projet avait pour objectif d’apporter des connaissances sur le comportement hygrothermiques des bâtiments à ossature bois. Une partie du travail a permis de compléter les performances des enveloppes à ossature en Bois dans la RT2012. Depuis la publication de ces règles, les calculs ont été remis à jour, en s’appuyant sur des systèmes
constructifs les plus courants. FCBA a défini des systèmes constructifs standards dans le cadre du programme RAGE «Règle de l’Art Grenelle environnement » : et plus particulièrement le Catalogue Bois Construction.
Méthode Les calculs ont été réalisés par la méthode de modélisation numérique aux éléments finis en tridimensionnel à l’aide du logiciel TRISCO, Ce logiciel possède une bibliothèque de matériaux et d’ambiances (air intérieur, air extérieur) pour définir les conditions limites des parois.
Figure 1 : Modèle et calcul dans TRISCO
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Composant Conductivité thermique λ [W/mk]
Eléments dans les parois
Bois (résineux)
0.11 Montants/lisses/ charpentes industrielles
Isolant 0,032 0,038 0,041
Isolation entre montants ou doublage
OSB 0,13 Panneau de contreventement
Plaque de plâtre
0,25 face intérieure
Béton 2 Dalle ou mur Acier 50 Equerres, rail,
suspentes
enduit 1,8 Enduit extérieur
Tableau 1 : exemples de λ de matériaux
Figure 2 : Maillage plus fin aux liaisons de différents
matériaux Dans la norme, le calcul des coefficients de transfert thermique se fait avec une température intérieure conventionnelle de 20°C et une température extérieure de 0°C. Nous mettons à disposition des Entreprises et des Bureaux d’étude, des données et des justifications relatives aux conceptions usuelles rencontrées dans le domaine de la construction à ossature bois, vis à vis de la Réglementation Thermique : notamment, une mise à jour des caractéristiques des matériaux (règles THU-fascicule2), les valeurs de coefficient de transmission thermique des parois opaques correspondant aux murs à ossature bois (règles THU-fascicule 4), les ponts thermiques intégrés ainsi que les ponts thermiques de liaison (règle THU-fascicule 5).[1][3] Les paramètres thermiques nécessaires aux professionnels de la construction bois :
Conductivité thermique d’un matériau : en W/m.K. Ce coefficient mesure la quantité de chaleur qui traverse une paroi. Sa valeur est faible pour les isolants, et est importante pour les matériaux conducteurs. Les facteurs influençant la conductivité thermique d’un matériau sont :
Son poids volumique
Sa teneur en eau
La taille de ses pores d’air
La nature du solide les renfermant En construction bois, nous rencontrons principalement les matériaux suivants:
Coefficient de transmission surfacique d’une paroi Up [W/m².K]. Il s’agit de flux thermique en régime stationnaire par unité de surface, pour une différente de température de 1°Kelvin entre deux milieux de part et d’autre de la paroi. Ce coefficient tient compte des caractéristiques thermiques et des épaisseurs de toutes les couches composant les enveloppes d’un bâtiment. Il permet aux BET de calculer les déperditions de chaleur, En partie courante de paroi, on calcule Up = Uc (coefficient de transmission thermique en partie courante) avec la formule suivante :
SESIcp
RRR
1U U
Les logiciels experts en thermiques du bâtiment demandent en entrées, de choisir dans leur bibliothèque, les matériaux et en général, et ils calculent cette valeur Up qui correspond à la succession de matériaux uniformes dans la paroi considérée. R[m².K/W] est la résistance thermique obtenue en cumulant celles des différents composants (i) :
R = ∑ Ri = ∑
Lorsqu’on considère les enveloppes à ossature en bois, il y a, à la fois une succession de matériaux uniformes (plaque de plâtre, isolant, panneaux) mais aussi des éléments linéaires et ponctuels (montant en bois, assemblages métalliques) qui rendent les parois non uniformes.
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Figure 3 : exemple de composition de mur extérieur à ossature bois
1- Plaque de plâtre 2- Tasseaux horizontaux en bois 3- Pare-vapeur 4- Montant en bois 5- Isolant entre-montants 6- Panneau de contreventement 7- Pare-pluie 8- Contre-ossature en bois 9- Bardage en bois
Les ponts thermiques intégrés ΔU Dans la saisie des enveloppes à ossature bois, il faut considérer les apports en ponts thermiques intégrés correspondant aux croisements d’ossatures et à la présence des ossatures dans les parois. Up = Uc + ΔU
Up = Uc + ∑ i Li ∑ j
A
Ψi [W/m.K] : coefficient de transmission thermique linéaire Li [m] : longeur du pont thermique Χj [W/K] : coefficient de transmission thermique ponctuelle Nous avons désormais la possibilité de saisir les ponts thermiques intégrés ΔU avec le nombre de ponts thermiques linéaire ou ponctuel par unité de surface, ou alors saisir directement Up dans les logiciels sans considérer la nature exacte de la composition puisqu’il s’agit d’un matériau équivalent (non recommandée). Les valeurs des coefficients de transmission surfacique sont calculées selon la norme : EN ISO 6946 (2003). Les ponts thermiques de liaison Ψ [W/m.K] Les ponts thermiques sont des pertes de performance, dues à l’interruption d’isolation au niveau des liaisons entre les parois du bâtiment.
Cette interruption constitue un chemin privilégié pour la fuite de chaleur vers l’extérieur du bâtiment. Nous pouvons distinguer différents types de liaisons : liaison mur-mur, liaison mur-plancher bas, liaison mur-plancher intermédiaire, liaison mur-toiture, liaison mur intérieur-mur extérieur, liaison menuiserie-mur extérieur… Les valeurs de Ψ et ont été quantifiées par la méthode de calcul de la norme EN ISO 10211-1 (2002) et EN ISO 10211-2 (2001). Ces valeurs seront publiées dans la prochaine version de RT par le CSTB. [1][5]
Exemples de valeurs de Up et ΔU La composition usuelle des enveloppes ont été définies dans le cadre du programme Règle de l’Art Grenelle Environnement (RAGE) qui a permis la mise en ligne d’un Catalogue Construction Bois [6]. Nous avons une première série de valeurs correspondant à la maison individuelle, puis pour les bâtiments collectifs, et pour les façades à ossature bois. Si l’on ne considère que les Uc, les parois sont surévaluées puisqu’on ne considère pas les ponts thermiques intégrés. Lors de calcul règlementaire ou simulation thermique, il faut saisir systématiquement les valeurs des ponts thermiques intégrés.
Mur extérieur avec isolant entre montant
Ψmontant [W/m.K]
λbois [W/m.K]
Epaisseur d’isolant[mm]
montant 36mm
montant 45mm
0.18 145 0.021 0.026 180 0.019 0.023 220 0.016 0.020 260 0.015 0.018
0.11 145 0.012 0.014 180 0.010 0.013 220 0.009 0.009 260 0.008 0.010
Tableau 2 : exemple de Ψ des montants dans les
murs
Pour un cas de mur sans doublage isolant, les (ponts thermiques ponctuels aux croisements des tasseaux intérieurs avec les montants) sont négligeables ( <<0,001 W/K). Prenons par exemple un mur extérieur de 145mm avec isolation entre-montant.
SESIc
RRR
1U
Nous modélisons le mur en considérant une surface unitaire correspondant à un entraxe de montant (600 mm) et une hauteur de 600mm, nous obtenons : Uc = 0,158 W/m²K
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Ensuite, on utilise les valeurs de psi du tableau 1 (calcul aux éléments finis sur Trisco), nous trouvons une valeur de Up : Up = 0,158 + 0,014*0,6 = 0,180 W/m.K Remarque : la valeur de Uc est calculée automatiquement dans les outils de calcul en entrant les couches de matériaux composant. Il est impératif de sensibiliser les utilisateurs à considérer les impacts de ponts thermiques intégrés et les ponts thermiques de liaison selon la dernière version publiée.
Figure 4 : Mur extérieur isolant 145mm entre montant
1- Plaque de plâtre 2- Tasseaux horizontaux en bois 3- Pare-vapeur 4- Montant en bois 5- Isolant entre-montants 6- Panneau de contreventement 7- Pare-pluie 8- Contre-ossature en bois 9- Bardage en bois
Figure 5 : Exemple de toiture
En collaboration avec le CSTB, ces valeurs vont corriger les valeurs publiées dans la RT2012 actuelles. Pour la filière, l’utilisation de ces nouvelles valeurs permet d’observer une amélioration des performances de l’enveloppe à ossature bois par rapport aux anciennes valeurs. De plus, avec la validation de la commission RT, les éditeurs de logiciels et des outils de simulation thermique (Simulation thermique dynamique STD, calculs règlementaires RT, simulation numérique en mécanique des fluides CFD) vont s’approprier ces valeurs pour que les bureaux d’étude thermique, les acteurs de la construction bois et les chercheurs puissent en tirer plus d’avantages : réduction de consommation énergétique, meilleurs compétitivité par rapport aux autres systèmes constructifs… Les performances obtenues ont permis aussi d’alimenter le Catalogue Construction bois [6], projet piloté par FCBA avec le soutien de la profession.
Figure 6 : Liaison d’angle sortant de murs extérieurs :
Ψ = 0,08 W/mK
Figure 7 : Liaison en angle rentrant de murs
extérieurs : Ψ = 0,07 W/mK
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Figure 8 : Exemple de mur extérieur
Figure 9 : exemple de liaison entre mur extérieur (isolant = 145 mm) et plancher bas à solives en
bois (isolant = 200mm): Ψ = 0,07 W/mK
Figure 10 : exemple de liaison entre mur extérieur et plancher intermédiaire : Ψ = 0,12 W/mK
Figure 11 : exemple de liaison entre mur extérieur et mur intérieur : Ψ = 0,12 W/mK
Conclusion
Dans toute construction, nous avons besoin de limiter les déperditions des bâtiments à travers les enveloppes en hiver pour réduire considérablement nos consommations de chauffage. C’est la raison pour laquelle nous mettons en œuvre des systèmes d’isolation pour les bâtiments conducteurs de chaleur (béton, maçonnerie). La construction à ossature en bois possède une performance exemplaire pour justifier d’une consommation moindre en chauffage. Certains bureaux d’étude thermique ont pour habitude de considérer des couches homogènes et uniformes pour les enveloppes à ossature en bois : sans les ponts thermiques intégrés dus aux différents bois présents, ou sinon des valeurs par très imprécises. Ainsi les Up obtenus de parois sont très faibles (mur très isolant) ; Ce qui augmente artificiellement l’impact des ponts thermiques de liaison puisqu’il y a plusieurs sections de bois de structure à la liaison (le bois est plus conducteur que l’isolant). Nous avons
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travaillé sur les valeurs à mettre à la disposition des entreprises. La prochaine version de RT publiera les valeurs à jour pour mettre en avant les performances des parois à ossature bois en hiver. Concernant la thermique d’été, les constructions à ossature bois sont souvent pointées du doigt pour leur faible inertie. La méthode RT 2012, pour le moment, identique à la méthode RT2005, classe la construction bois toujours dans la catégorie légère ou très légère. Les solutions existent pour les améliorer par l’ajout d’autres matériaux lourds. Dans le cadre du Plan Bois et avec l’appui des Pouvoir Publics et de la Profession Bois, FCBA travaille sur ce sujet, pour améliorer les méthodes existantes qui défavorisent les constructions multi matériaux et légères. Ainsi nous pourrions proposer des justificatifs permettant de bénéficier de tous les atouts bioclimatiques des constructions à ossature bois.
Bibliographie
[1] CSTB, Règles THU, fascicules 2 à 5, Reglementations Thermique, 2012, France
[2] Dulbecco P., Onillon A. Guide de réhabilitation des maisons individuelles. Rénover avec le Bois, 2013
[3] Norme EN ISO 6946 : Building components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation method, 2003
[4] Norme EN ISO 10211-1: Thermal bridges in building construction -- Heat flows and surface temperatures -- Part 1: General calculation - Calculation method, 1995
[5] Norme EN ISO 10211-2: Thermal bridges in building construction -- Heat flows and surface temperatures -- Part 2: Linear thermal bridges - Calculation method, 1995
[6] Website : www.catalogue-construction-bois.fr (2013)
[7] Website : www.fcba.fr
Contacts :
Zaratiana MANDRARA Tél. 05 56 43 64 75
Laurence MAIFFREDY Tél. 05 56 43 64 94
FCBA – Pôle Industries Bois Construction Allée de Boutaut 33028 BordeauxCedex
