UNE TOUR EN BOIS DE GRANDE HAUTEUR SUR LE SITE DE L’ENISE

Vue de l’entrée dans le prolongement

du parking étudiant actuel

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SOMMAIRE

I. Contexte 3

II. Présentation du projet 3

1. Situation 3

2. Destination et programme 4

3. Parti architectural 5

III. Matériaux 7

1. Repérage des différents éléments structurels 7

2. Eléments verticaux 7

3. Eléments horizontaux 8

IV. Dimensionnement et réglementations 9

1. Systèmes constructifs 9

2. Dimensionnement 9

3. Contreventement 9

4. Réglementations 10

V. Ingénieries techniques 10

1. Modélisation 10

2. Hypothèses 10

3. Résultats obtenus 11

4. Chauffage 11

5. Ventilation 12

6. Eau Chaude Sanitaire 12

7. Eaux pluviales 12

V. Conclusion 12

Liste des figures 13

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I. CONTEXTE

L’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne (ENISE) connaît actuellement une

croissance constante de son nombre d’élèves. Afin de répondre à cette nouvelle affluence, une

extension des locaux est prévue sur le site de l’école. Elle prendra la forme d’une tour en bois

de grande hauteur. Ce projet a pour objectif de valoriser les qualités techniques du bois, de

respecter l’environnement, tout en étant un lieu plein de vie tant pour les étudiants que pour le

personnel de l’école.

Ce bâtiment a plusieurs vocations :

- Utiliser le bois en tant qu’élément de construction et d’énergie (chauffage),

- Minimiser les consommations énergétiques afin de répondre aux exigences BBC,

- Être fonctionnel à l’échelle de l’école mais également de la ville,

- Être durable et réalisable structurellement et financièrement,

- Être réalisable par des acteurs locaux.

II. PRÉSENTATION DU PROJET

1. Situation

Située sur les hauteurs du quartier de la Métare, la tour profite d’une vue imprenable sur

la ville, tout en étant largement visible depuis l’autoroute A72 en contrebas. Elle s’implante

sur une parcelle de deux hectares, attenante à celle des locaux existants, actuellement

desservie par la rue Jean Parot au moyen du parking étudiant de l’ENISE.

Saint-Chamond

Firminy

Saint-Etienne

Figure 1 : Situation de Saint Etienne au niveau national

Figure 2 : Situation du projet à Saint Etienne Figure 3 : Situation du projet sur la parcelle de l’ENISE

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2. Destination et programme

L’ENISE est une école importante à l’échelle de la ville et de la région, mais elle est

relativement excentrée. Le projet vise à améliorer cette situation en rapprochant l’école de la

sphère culturelle stéphanoise. Il offre à la fois des espaces de travail efficaces et confortables,

des lieux de rencontre et de vie pour les étudiants et le corps administratif ainsi que des lieux

d’exposition et d’échanges pour la vie culturelle de la région.

Le programme fixé consiste en :

- 620 m² de salles de cours et salles informatiques,

- 297 m² répartis sur deux amphithéâtres de 180 places chacun,

- 810 m² de locaux administratifs,

- 270 m² de salon étudiants (cafétéria, espaces de détente, learning center…),

- 217 m² de salles d’exposition et de conférences.

Pour une surface de SHOB de 4 500 m² au totale.

La tour s’élève sur douze niveaux, pour une hauteur totale de 54 m.

Visible dès l’arrivée sur le site de l’ENISE depuis le parking étudiant, elle

s’élance en flèche vers le ciel et fait immédiatement appel aux visiteurs. Un

hall d’accueil généreux mène alors directement au salon étudiant, composé

d’un espace snack et d’un Learning Center en triple hauteur, entièrement

ouverts sur le parc en contrebas. Cet espace deviendra le nouveau lieu de la vie

étudiante, où il fera bon étudier, se rassembler et se détendre. Le hall permet

également d’accéder facilement aux différentes circulations verticales,

escaliers et ascenseurs, qui desservent six étages pédagogiques, trois étages

administratifs et un étage d’exposition.

Cette tour aura également une résonance culturelle à l’échelle de la ville et de la région.

En effet le dernier étage, qui se distingue du reste de l’édifice par ses dimensions plus petites

et le large panorama qu’il propose, est ouvert à des évènements culturels. Il peut accueillir

ainsi des expositions temporaires ou conférences pour les moments importants de la vie

stéphanoise, telles que les portes ouvertes de l’école ou la Biennale du Design.

La figure 5 illustre la répartition schématique des différents

espaces qu’accueille la tour. Sur la base du parking souterrain

émergent, tout d’abord, un hall d’accueil doublé d’un salon étudiant,

ouverts sur le parc et directement accessibles par l’extérieur. Puis les

niveaux de salles de classes et d’amphithéâtres s’ensuivent, surmontés

de ceux d’administration et enfin, du dernier plateau offrant une vue

panoramique sur la ville et la région environnante, utilisé tant comme

espace de réunions, de conférences ou d’expositions.

Le projet tient ainsi compte de la diversité et de la multitude

d’utilisateurs présents tantôt la semaine, tantôt le week-end. Il devient

donc indispensable d’en faciliter les accès et le stationnement. Pour

cela, la création d’un parking fait partie intégrante du projet. Celui-ci

est prévu en partie enterrée, comme socle de la tour et propose une

trentaine de places pour voitures ainsi qu’un espace deux roues

favorisant les modes de transports doux. Ces parkings permettent à la

fois aux étudiants, aux corps enseignant et administratif et aux

visiteurs ponctuels, d’accéder à ce nouveau pôle actif de la ville.

Figure 4 :

Façade d’entrée

Figure 5 : Différents espaces de

la tour

Parking

Espace pédagogique

Espace administratif

Espace d’exposition

Accueil

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3. Parti architectural

La parcelle de deux hectares attenante aux locaux existants offre de belles vues sur

Saint-Etienne et de grands espaces à l’arrière de l’ENISE mais elle est aujourd’hui délaissée,

l’activité étudiante étant concentrée à l’est, à l’entrée de l’école. La tour y trouve donc sa

place en s’implantant au point le plus haut de la limite sud de la parcelle, dans l’axe du

parking étudiant et face aux grands panoramas au nord et à l’ouest. Elle permet ainsi de

dynamiser cet espace tout en préservant l’intimité des habitations alentour, distanciées et en

contrebas.

Le sol est terrassé en périphérie de la tour afin qu’elle repose sur un

socle en bois et que ses parois ne soient pas en contact direct avec le sol. Ces

terrassements sont stabilisés par des murs de soutènements bois (rondins de

Mélèze écorcés et remblais de terre). La tour vient ensuite s’élever

comme un appel visuel depuis l’accès principal de l’école. Un percement de

l’arrière du bâtiment de l’ENISE est d’ailleurs imaginé afin de faciliter l’accès

de l’école à cette extension, depuis des zones de rangements rarement utilisées

et donc facilement aménageables en halls secondaires.

La façade Nord de la tour vient dans le prolongement des parkings

étudiants qui font face au pignon Est. Elle est volontairement affinée afin de lui

donner un profil résolument vertical tel une lame jouant son rôle de signal

depuis l’école.

La seconde pointe au nord-ouest permet, quant à elle, de briser et réduire

l’impact des vents dominants sur le bâtiment. En effet le graphique de

distribution des vents de Saint-Etienne (Figure 8), montre que les vents

dominants sont, principalement, Nord - Nord-Ouest.

De plus, la forme trapézoïdale de l’ensemble permet de profiter au maximum

des apports du soleil au sud et à l’ouest. En effet, ces deux façades, très généreuses

de par leurs dimensions, sont constituées d’une paroi double peau, qui ventilera la

tour en été et emmagasinera la chaleur en hiver. Cette paroi est de type shaft-box

(Cf. ‘‘III. Matériaux’’ pour la composition de la paroi). L’objectif de ce concept

est de valoriser la ventilation naturelle en adaptant le compartimentage de la façade

de manière à créer un tirage thermique accru. Le compartimentage se fait au moyen d’une

alternance de modules de façades compartimentés par étages et de conduits de ventilation.

Chaque module de façade est connecté à un des conduits verticaux de ventilation.

Figure 6 : Soutènement bois

Figure 8 : Distribution

des vents

Figure 7 : Schématisation des

vents et des apports solaires

Soleil

Vent

Figure 9 : Principe de fonctionnement de la ventilation d’une paroi double peau de type ‘‘Shaft-box’’

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Figure 13 : Système de circulation

De plus, afin de filtrer les rayons du soleil, cette paroi est protégée par des brise-soleil

sur lesquels sont installés des panneaux solaires thermiques. L’hiver, les rayons du soleil ont

un angle peu marqué par rapport à l’horizontale (figure 11), ils ne sont donc pas bloqués entre

les brise-soleil et pénètrent dans la paroi double peau pour réchauffer l’ensemble du bâtiment.

En revanche, l’été (figure 12), les rayons sont hauts dans le ciel et arrivent sous un angle

abrupt. Ils sont alors bloqués par les brise-soleil ce qui évite une surchauffe trop importante

du bâtiment.

La lumière naturelle joue un rôle clé dans ce projet. Son apport est favorisé, au sud et à

l’ouest, par la paroi double peau et, au nord, par les fenêtres. La façade nord se retrouve

ouverte avec un ratio de 1/2 afin de limiter les déperditions de chaleur, tout en maximisant

l’utilisation d’une lumière constante et diffuse pour éclairer les pièces.

Les deux circulations principales, situées aux extrémités ouest et sud du bâtiment, sont

utilisées pour cadrer le volume. En forme de L, elles permettent de desservir efficacement

l’ensemble des salles de cours. Cependant, sur certains étages, (administration et

amphithéâtres) une troisième circulation verticale vient s’ajouter aux deux premières, au

centre de l’édifice afin d’offrir des espaces de différentes qualités. L’ensemble de ces

circulations permet une desserte optimale des différents espaces de chaque niveau, favorisant

ainsi le déplacement fluide des élèves et du personnel au sein de la tour. Le long de la

circulation principale, on retrouve la paroi double peau qui, au niveau des amphithéâtres, fait

office de mur trombe afin de les protéger de la lumière directe et de minimiser les

déperditions de chaleur.

Figure 11 : Fonctionnement hivernal

de la paroi double-peau

Figure 12 : Fonctionnement estival

de la paroi double-peau

Figure 10 : Vue de la façade

double-peau

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Figure 15 : Repérage des différents éléments structurels

Figure 16 : Composition des voiles en bois

massif contre-cloué

Figure 14 : Circulation en tant qu’espace

d’exposition

De plus, lors d’évènements, les circulations peuvent être

utilisées comme espace d’exposition. En effet, les larges couloirs de

l’édifice, qui s’inscrivent dans un cheminement vertical et

horizontal continu, rythmé par des cadrages sur le grand paysage,

permettent autant de desservir les différentes salles que de servir de

galeries d’exposition pour des panneaux, des maquettes ou d’autres

œuvres. A cet effet, ces couloirs sont pourvus de nombreuses

alcôves et tablettes suspendues.

III. MATÉRIAUX

1. Repérages des différents éléments structurels

2. Eléments verticaux

Poteaux

Les poteaux sont en bois lamellé collé (épicéa) de classe de résistance correspondant à du

GL28h. Ces éléments ont un diamètre de 45 cm. Un fabricant de la région Rhône Alpes sera

retenu pour la réalisation de ces éléments.

Mur en bois massif contre-cloué

Les voiles sont en panneaux bois massif contre-cloué. Ce système

constructif est composé de lits de planches de 24 mm calibrées et

rainurées séchées à 12%. Ces lits de planches sont croisés et cloués

entre eux avec des pointes aluminium annelées. Il s’agit d’un

composant structurel fabriqué industriellement dans la région de la

Loire (42) à Dunières. La technique de clouage par pli croisé assure

la stabilité et la rigidité du panneau. Pour ce projet, on a eu recours

à des panneaux de 270 mm d’épaisseur en façade et de 170 mm

d’épaisseur en intérieur.

① Bardage bois : Mélèze (20mm)

② Lame d’air et tasseaux en pin (20mm)

③ Isolant : panneau de ouate de cellulose (=0,04 W/m°C) – (100mm)

④ Panneau de bois massif contre-cloué (270mm)

⑤ Vide technique pour le passage de gaines et tasseaux en pin (20mm)

⑥ Revêtement acoustique : panneau rainuré d’absorption (Marque Allin–Gamme: Antisone)

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Figure 17 : Composition de la

paroi double peau

Figure 18 : Composition du plancher intermédiaire

Figure 19 : Composition de la toiture végétalisée

Figure 20 : Coupe de principe des fondations

Paroi double peau

Cette paroi double peau est composé d’une façade vitrée de type mur rideau ⑤

qui est doublée par une deuxième façade vitrée de type mur rideau ②. Il y a

entre ces deux façades un vide d’air d’environ 50 cm ④. Afin de maintenir les

vitrages, il faut mettre en place un système structural constitué de montants et de

chevrons écarteurs ③. On peut également apercevoir les brise-soleil ①.

3. Eléments horizontaux

Poutres

Les poutres sont en bois lamellé collé (épicéa), de section allant de 16 x 66Ht

à 21 x 83Ht

cm

en fonction des charges qu’elles reprennent. On utilise du lamellé collé ayant une classe de

résistance correspondant à du GL28h.

Planchers intermédiaires

Les planchers sont constitués :

- d’un revêtement de sol type plancher,

- de deux plaques d’OSB,

- d’un panneau de liège pris entre les deux

plaques d’OSB. Le panneau de liège permet

de réduire les bruits d’impacts,

- de solives qui sont également en bois lamellé collé,

de résistance correspondant, ici, à du GL24h. La section de ces éléments est de 9 x23Ht

cm,

- d’un panneau de bois acoustique de type Antisone fabriqué par la société française ALLIN.

Ce panneau acoustique en aggloméré de 31 mm d'épaisseur augmente la partie absorbée et

réduit la partie réfléchie du bruit dans une salle.

Toiture végétalisée

① Végétaux de type Sédum

② Substrat (100mm)

③ Couche filtrante - drainante – anti racines

④ Panneau de liège (20mm)

⑤ Pare-vapeur

⑥ Isolant : ouate de cellulose soufflée (230mm)

⑦ Revêtement acoustique : Panneau rainuré d’absorption (Marque Allin–Gamme: Antisone)

⑧ Solives de section 9 x23Ht

cm.

Fondations

Fondation en béton de 3m x 3m surmonté d’un plot béton qui

maintient les poteaux par le biais d’une platine. Ces fondations

reposent sur un sol de type argileux (2 Bars).

Le sol au niveau des parkings est constitué d’une couche de forme en

bitume reposant sur deux couches de graviers compactés. Un

géotextile anti-contaminant sera également mis en place.

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Figure 21 : Modélisation de la

structure sur arche ossature

Figure 22 : Façade contreventée

IV. DIMENSIONNEMENT ET RÉGLEMENTATIONS

1. Systèmes constructifs

La structure du bâtiment est une structure mixte poteaux-poutres en bois lamellé collé et

voiles porteurs. Ces voiles porteurs, en panneaux de bois massif contre-cloué, constituent le

noyau central de la tour. Les fondations sont les seules éléments de notre structure en béton.

2. Dimensionnement

Pour mener à bien notre dimensionnement, tous les calculs ont été menés à l’Eurocode 5.

Ils s’appuient également sur les DTU et les avis techniques. Tous les choix qui ont dû être

faits l’ont été de manière à se placer du côté de la sécurité.

Dans un premier temps, il a fallu définir les hypothèses relatives aux poids propres des

éléments ainsi que les charges d’exploitation. Ces dernières sont relativement importantes

pour des locaux d’enseignement universitaires (450 daN/m²). Les charges supplémentaires

liées au vent et à la neige ont également été prises en compte.

Note : Saint-Etienne est situé en zone de vent 1 et en zone de neige A2.

Ensuite, à partir des hypothèses de départ et grâce au logiciel Arche

Ossature, une modélisation de la structure a pu être menée afin d’obtenir les

charges reposant sur les différents éléments.

Grâce à cette modélisation, il a été possible de dimensionner les

éléments les plus chargés de notre structure tels que les poteaux du rez-de-

jardin ou les poutres de plus grande portée. Les poteaux les plus chargés

reprennent, en pied, une charge verticale de 200 tonnes. Afin de

dimensionner ces poteaux, une fiche Excel de dimensionnement à

l’Eurocode 5 a été mise au point. Celle-ci vérifie les poteaux à la

compression axiale avec risque de flambement. Une procédure identique a été

menée pour le dimensionnement des poutres, procédure qui prend notamment

en compte le déversement.

En revanche, le dimensionnement des voiles est un élément non traité par l’Eurocode. Ce sont

des avis techniques (Réf. 3/09-595) qui ont permis de valider l’utilisation de ce type de voile

au sein d’ERP en tant que mur porteur ou mur de contreventement.

3. Contreventement

Le noyau rigide en contre-cloué mis en place permet de contreventer la

structure. Cependant, face à la hauteur importante de la tour (54,70 mètres) et la

prise en considération de l’intensité des vents, des croix de Saint-André seront

ajoutées sur le pourtour du bâtiment en guise de renfort.

De plus, pour permettre une lecture apparente de la structure depuis

l'extérieur, ces éléments de contreventement supplémentaires seront laissés

visibles

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4. Réglementations

Réglementation Incendie

Type d’établissement : Le bâtiment est classé établissement recevant du public

(ERP) de type R (Etablissement d’enseignement), W

(Administration) et T (Salles d’exposition).

Classement de l’établissement : 2eme

catégorie (701 à 1500 personnes)

Dispositions constructives principales (article CO1 à CO60) :

- isolement par rapport aux tiers : pas de résistance au feu des façades exigées (>8 m),

- stabilité au feu et degré CF des parois et planchers : 1H,

- façades : revêtement extérieur M2 (Bardage en bois naturel : Mélèze),

- couverture : classe M0,

- réaction au feu des revêtements de parois M2, des sols M4 et des plafonds M1

(panneau antisone),

- distribution intérieure : Cloisonnement traditionnel,

- dégagements nécessaires : Deux dégagements de 2UP minimum (ok),

- désenfumage des escaliers qui sont en-cloisonnés.,

- locaux à risques importants : local chaufferie.

Réglementation Handicapés

Ce projet a été conçu dans le respect des normes handicapés en vue d’être exemplaire

en matière d’accessibilité.

V. INGÉNIERIES TECHNIQUES

1. Modélisation

Cette construction a pour dessein d’être un bâtiment basse-consommation. Il est alors

important de bien maîtriser ses besoins énergétiques. Pour ce faire, la tour a été modélisée sur

le logiciel de simulation thermique Pléiade.

2. Hypothèses Pour déterminer la consommation de chauffage, il est important de définir :

- le pourcentage de ventilation :

On choisit une VMC que l’on applique à 100 % l’hiver et à 100 % de 20h00 à 7h00 l’été (0%

le reste du temps).

- Le pourcentage d’occupation :

On définit, pour chaque pièce, le nombre de personnes présentes en fonctions des heures de la

journée et des jours de la semaine.

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Figure 23 : Températures de l’année 2012 à Saint-Etienne

- La consigne de température :

Une température de 19°C dans les pièces à vivre (salles de cours, bureaux…) et de 15°C dans

les pièces de passages (couloirs, escaliers...) et en dehors des heures de présence est exigée.

Cette consigne de température est à appliquer sur la période de chauffe c'est-à-dire environ du

20 octobre au 22 avril. Nous avons pris en compte une durée de saison de chauffage allant du

moment où en moyenne, pour l’année 2012, la température extérieure passe en dessous des

15°C jusqu’au moment où elle dépasse les 15°C. A Saint-Etienne, cela correspond à environ

150 jours de chauffage dans l’année.

3. Résultats obtenus

Zones Besoins

Ch.

Besoins

Ch.

Besoins

Clim.

Puiss.

Chauff.

T°

Moyenne

T°

Max

Taux

d'inconfort

kWh kWh/m² kWh W °C °C %

Salle de cours 36 262 27 0 315 040 19,53 28,06 3,04

Circulation horizontale 728 4 0 39 438 21,03 30,04 4,58

Aministration 15 456 17 0 146 508 19,13 27,60 2,5

Wc 12 922 23 0 98 371 18,6 26,47 1,48

Circulation verticale 26 637 80 0 168 442 17,99 26,13 3,52

Accueil et espace étudiant 9 477 30 0 86 401 19,35 28,34 2,35

Belvédère 20 312 77 0 87 514 18,27 26,28 4,26

Chaufferie 0 0 0 0 25 35 0

Total 121 795 31 / 941 714 / /

La puissance de chauffage nécessaire est d’environ 1 000 KW soit 1 MW.

4. Chauffage

Le chauffage du bâtiment sera assuré par une chaufferie biomasse utilisant le bois

énergie. Ce système a pour avantage d’utiliser une énergie renouvelable et disponible (La

région Rhône-Alpes a un taux de boisement de 35-45 %). Compte tenu de l’importance de la

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puissance nécessaire (1 MW), nous utiliserons une chaudière à biomasse de la marque Reka

qui accepte tout type de combustible : tous bois, sciures, copeaux, plaquettes, granulés,

déchets bois.

5. Ventilation

La ventilation du bâtiment sera assurée à la fois par la paroi double peau et par la mise

en place d’une VMC double flux.

6. Eau Chaude Sanitaire

Devant les faibles besoins en eau chaude sanitaire, des panneaux solaires thermiques

situés sur les avancées de toitures (brise-soleil) du sud et de l’ouest fourniront l’énergie

nécessaire.

7. Eaux pluviales

L’ensemble des eaux pluviales sera collectée et stockée en vue d’être réutilisées pour

l’entretien des espaces plantés de l’ENISE ainsi que pour les sanitaires.

V. CONCLUSION

Ce projet répond donc en tous points aux attentes de l’ENISE en termes de gain de places,

tout en offrant un environnement confortable et sain pour les personnes présentes dans la tour.

Pour ce faire, sa construction s’inscrit dans une démarche résolument écologique, prenant en

compte les impacts des matériaux mis en œuvre. L'utilisation de technologies et matériaux

locaux, ainsi que la faible énergie grise véhiculée, ont toujours motivé nos choix.

De plus, ce projet se veut exemplaire dans sa manière d’utiliser le bois, limitant

l’utilisation du béton aux fondations seulement. Le bois est ainsi à la fois intégré en structure

grâce à un noyau dur en panneaux bois massif contre-cloué, mais aussi en revêtements

intérieur et de façade. Il permet également de chauffer le bâtiment au moyen de sa chaudière

biomasse.

Nous avons la conviction d’avoir conçu de cette manière un projet réalisable

structurellement, efficace énergétiquement, et durable dans le temps. L’absence de

cloisonnement en dur, au sein de la tour, lui permet également de rester très évolutif et de

s’adapter à de possibles modifications des espaces.

Pour finir, l’inscription de ce projet dans le territoire à l’échelle de la ville va permettre de

redynamiser le site même de la Métare.

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LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Situation de Saint-Etienne au niveau national 3

Figure 2 : Situation du projet à Saint-Etienne 3

Figure 3 : Situation du projet sur la parcelle de l’ENISE 3

Figure 4 : Façade d’entrée 4

Figure 5 : Différents espaces de la tour 4

Figure 6 : Soutènement bois 5

Figure 7 : Schématisation des vents et des apports solaires 5

Figure 8 : Distribution des vents 5

Figure 9 : Principe de fonctionnement de la ventilation d’une paroi double peau 5

Figure 10 : Vue de la façade double peau 6

Figure 11 : Fonctionnement hivernal de la paroi double peau 6

Figure 12 : Fonctionnement estival de la paroi double peau 6

Figure 13 : Système de circulation 6

Figure 14 : Circulation en tant qu’espace d’exposition 7

Figure 15 : Repérage des différents éléments structurels 7

Figure 16 : Composition des voiles en bois massif contre-cloué 7

Figure 17 : Composition de la paroi double peau 8

Figure 18 : Composition du plancher intermédiaire 8

Figure 19 : Composition de la toiture végétalisée 8

Figure 20 : Coupe de principe des fondations 8

Figure 21 : Modélisation de la structure sur Arche ossature 9

Figure 22 : Façade contreventée 9