La construction hybride bois-béton est en vogue. Quelle est la raison de cet engouement ?

L’industrie du bâtiment connaît des changements et un développement constant en raison de l’évolution des besoins relatifs à l'architecture, à la société et à la disponibilité des matières premières.  Compte tenu du manque d'acier d'armature, d’autres formes de structures porteuses ont déjà été étudiées dans la première moitié du 20e siècle. C’est ainsi que des planchers composites en bois et béton, notamment, ont été imaginés. Dès le début de la seconde moitié du siècle dernier, on a pu de nouveau disposer de plus grandes quantités d'acier d'armature. L'intérêt porté à la construction hybride bois-béton a alors diminué. Aujourd'hui, le mode de construction hybride bois-béton reprend de l'importance. Cela est dû, entre autres, à la décarbonation visée dans l'industrie du bâtiment. Le secteur du bâtiment est à lui seul responsable d'environ 37 % des émissions mondiales de CO₂ - 27 % sont attribuables à la fabrication et 63 % à l'utilisation des bâtiments (cf. 2021 Global status report for buildings and construction, ONU programme pour l’environnement). La production du ciment et de l'acier est considérée comme très polluante en termes d'émissions. Il est donc logique de réduire autant que possible l'utilisation du béton et de l'acier. La construction hybride est, avec une combinaison optimale de bois et de béton armé, une solution éprouvée et attrayante, moderne, en adéquation avec le marché et le climat, surtout dans les constructions bois ou hybrides de plusieurs étages. Contrairement aux dalles traditionnelles en béton armé, les planchers composites bois-béton permettent de diminuer considérablement la quantité d'acier et de béton. De plus, le dioxyde de carbone (CO₂) stocké à long terme dans le bois, rend les planchers presque climatiquement neutres. Par conséquent, la construction hybride bois-béton peut être considérée comme un complément approprié à la construction bois classique. Afin que l’on puisse tier profits des avantages susmentionnées. Cependant, ce sont les paramètres spécifiques au projet qui déterminent le mode de construction à utiliser. 

Il est uniquement question, ci-après, de planchers composites bois-béton dans le cadre de la construction hybride bois-béton. Ils représentent un système hybride qui combine de manière optimale les avantages de deux matériaux de construction qui sont généralement reliés par des moyens de liaison mécaniques ou un verrouillage de forme. Ainsi, le béton se situe dans la zone de compression en flexion (en haut) et le bois (linéaire ou plein) dans la zone de traction en flexion (en bas) d'un élément de plancher. En raison de sa grande résistance et de sa rigidité, le béton est particulièrement adapté aux contraintes de compression. Le bois, en revanche, est fait pour être utilisé dans la zone de tension. Ainsi, le béton, qui est présent dans les habituelles sections en béton armé, n’est plus nécessaire dans la zone de tension. A l'état fissuré (dans la zone en traction), il n’a pas de fonction porteuse et représente seulement une charge. De plus, dans la plupart des cas, seule une armature de fissuration liée au retrait du béton doit être prévue dans les planchers composites. Ainsi le ratio section/rigidité/poids est très intéressant. Un système hybride bois-béton est essentiellement constitué de différents composants dont les caractéristiques peuvent varier. Il faut donc utiliser ou développer une combinaison sur mesure relative aux spécificités du projet. La variété des combinaisons possibles est présentée schématiquement dans l’illustration 3. L’illustration 1 ci-dessous montre, à titre d’exemple, deux éléments de plancher composite bois-béton.

Les planchers composites bois-béton peuvent être utilisés de multiples façons. Un avantage significatif par rapport aux planchers en bois est la rigidité accrue de la construction hybride bois-béton. La capacité de charge plus élevée permet de plus grandes portées grâce à une combinaison efficace des matériaux et une quantité relativement faible de matériaux utilisés. Autre avantage, dans ce contexte, par rapport aux dalles entièrement réalisées en béton armé : les planchers composites bois-béton ont un poids propre moindre. Le poids propre peut, avec des dalles en béton armé, être considéré en règle générale comme un facteur limitant, économiquement et écologiquement parlant, pour les grandes portées. La réalisation de planchers en bois d’une portée supérieure à six mètres dans les immeubles d’habitation multiétages entraine des coûts supplémentaires conséquents. Ces surcoûts découlent des épaisseurs disproportionnées des planchers et de la gestion des problèmes liés aux vibrations. En outre, les planchers composites bois-béton ont un effet positif en termes de raidissement sur la formation d’un voile rigide pour la stabilisation. En ce qui concerne le déplacement des charges horizontales, le coût de fabrication d'une connexion à un élément de transfert de charge (une cage d'escalier massive / hybride bois-béton, par exemple) peut être considéré comme inférieur, comparativement à des planchers en bois traditionnels.

Outre les avantages statiques, écologiques et économiques, les plancherss composites bois-béton se distinguent aussi par des propriétés intéressantes ayant trait à la physique du bâtiment lorsque leur utilisation est adaptée à la demande. En raison de la plus grande rigidité et de la masse, l'atténuation des vibrations est beaucoup plus prononcée qu'avec des planchers en bois. Il en résulte une meilleure isolation phonique. On peut, par conséquent, renoncer à des mesures de substitution (alourdissement par granulés calcaires, par exemple) habituellement prises dans les constructions bois de plusieurs étages - pour régler le problème des vibrations. De plus, les planchers composites bois-béton bénéficient d’un comportement positif en cas d’incendie car ils représentent une barrière efficace contre la propagation du feu.

Outre les avantages techniques, il faut également tenir compte des possibilités de conception par rapport aux dalles en béton armé et aux planchers en bois. Il y a aussi une distinction essentielle à faire entre les planchers composites réalisés avec du béton coulé sur place et les planchers composites préfabriqués pour avoir une idée précise des avantages et des inconvénients du mode de construction hybride bois-béton.

Résumé des avantages et inconvénients des planchers composites bois-béton.

Avantages

• Utilisation idéale des propriétés respectives des matériaux
• Utilisation économique des matériaux pour les grandes portées
• Grande rigidité
• Bonnes propriétés d’insonorisation
• Bonne protection incendie
• Préfabrication industrielle possible
• Diverses possibilités concernant la conception

Inconvénients

• Pas économiques pour de courtes portées
• Compatibilité écologique meilleure qu'avec des dalles en béton armé mais moins grande qu'avec des planchers en bois 

La plupart des bâtiments réalisés jusqu’à présent avec des structures porteuses bois-béton ont été construits in situ, c'est-à-dire avec du béton coulé sur place. Cette manière de faire traditionnelle nécessite des interfaces relatives à divers métiers et comporte des incertitudes en raison d’une complexité accrue inhérente au processus de construction. Un montage continu exige donc une coordination ciblée concernant les différentes étapes du travail et les livraisons de matériaux. La complexité des plans et les variantes qui en résultent ne jouent en fait qu'un rôle secondaire.Outre une simple intégration des installations du bâtiment dans le surbéton, des plaques monolithiques peuvent être facilement réalisées grâce à une armature continue et, généralement, au bétonnage ininterrompu. Ce sont justement ces aspects-là qui sont considérés comme des défis pour la planification, la production et le montage de planchers composites bois-béton préfabriqués.

Le travail de planification est plus important avec des planchers composites bois-béton préfabriqués qu’avec la construction en béton in situ. Ce surcroît de travail est notamment dû à la planification de détails de raccordement spéciaux relatifs aux éléments de planchers composites préfabriqués. Les raccordements assurent une transmission efficace du cisaillement du aux forces horizontales ainsi que l’introduction, dans la cage d’escalier souvent massive, des efforts de traction qui en résultent. De même que la pose de gaines électriques, par exemple, qui doit être prise en compte dans la planification des travaux. De grandes variations et un nombre réduit de répétitions engendrent plus de travail de planification et de production.

Il faut, en principe, distinguer deux types de préfabrication des planchers composites bois-béton en fonction du lieu de fabrication des éléments. La production en usine signifie que le bois et le béton sont reliés l'un à l'autre de manière à résister au cisaillement, ce qui donne des éléments de planchers finis qui peuvent être transportés après le temps de durcissement requis et assemblés sur le chantier (voir illustration 2). On peut également réunir le bois et le béton sur place avec des éléments semi-finis. Une sous-structure en bois et une dalle préfabriquée en béton armé sont livrées séparément sur le chantier puis assemblées et reliées l'une à l'autre avec une liaison transmettant le cisaillement. Les coûts de production des planchers composites bois-béton préfabriqués sont généralement un peu plus élevés en raison de la mise au point de détails de raccordement spéciaux et d'un processus de production stationnaire à plus petite échelle. Cependant, ce surcoût est relatif, il est nécessaire de considérer l'ensemble des facteurs, à savoir : la durée de construction ainsi que les coûts liés à l’utilisation de béton coulé sur place.

Alors que tous les planchers composites bois-béton dans la construction en béton coulé sur place doivent généralement être renforcés du premier au dernier étage du bâtiment jusqu'à la fin du temps de cure du béton au dernier étage bétonné, on peut complètement renoncer à cela lors du montage de planchers composites préfabriqués. Outre la réduction de charge de travail et des livraisons de matériaux par le constructeur, ce sont surtout des aspects liés au processus de construction et aussi des aspects qualitatifs qui présentent des avantages lors de l'utilisation de planchers composites préfabriqués. Du fait de la suppression du temps de cure du béton ainsi que du temps d'attente relatif à l’étayage des planchers et de la concentration des activités de chantier sur les travaux de montage, le second œuvre intervenant en aval peut commencer son travail beaucoup plus tôt, ce qui entraîne une réduction significative de la durée de construction. De plus, les coûts d’un prêt relais diminuent et des revenus locatifs peuvent être générés plus rapidement. L'humidité est moins présente, ce qui limite le risque de dégâts. La qualité de la construction peut également être améliorée grâce à une production indépendante des conditions météorologiques et à un contrôle qualité continu provenant d'un seul intervenant. En outre le phasage sur le chantier est facilté entre les différents corps de métiers.

Dans l'ensemble, il n’est pas possible de définir une solution légitime quant à la méthode de production la plus appropriée. Il est nécessaire de considérer les aspects mentionnés, en fonction des conditions en vigueur et des caractéristiques propres au projet, afin de déterminer le choix d'un mode de production ou d'une combinaison.

Résumé des avantages et inconvénients des planchers composites bois-béton lors de la fabrication des éléments composites in situ avec du béton coulé place:

Avantages

• Intégration aisée des installations du bâtiment dans le surbéton
• Formation simple de voile rigide
• Eléments de raccordement simples
• Rentabilité indépendante de la trame et de la géométrie d’implantation

Inconvénients

• Interfaces dans la construction des planchers
• Présence d'humidité pouvant causer des dégâts
• Durée de mise oeuvre relative à l’étayage des planchers, ralentit la progression des travaux

Résumé des avantages et inconvénients des planchers composites bois-béton lors de la fabrication des éléments composites en usine / semi finis:

Avantages

• Montage rapide d’éléments secs
• Séparation logistique des corps de métiers intervenant sur un élément de construction
• Processus de construction ininterrompu possible et donc réduction du temps de construction
• Plus grande qualité d'exécution grâce à une production indépendante des conditions météorologiques et à un contrôle qualité permanent provenant d’un seul intervenant
• Planchers composites bois-béton utilisables comme abri

Inconvénients

• Intégration des installations du bâtiment dans le surbéton possible mais généralement coûteuse
• Travail de planification plus important
• Supplément de travail dû à la complexité et aux différences entre les éléments
• Dimensions limitées des éléments en raison de la réglementation ayant trait au transport
• Rentabilité dépendante de la trame et de la géométrie d’implantation

Communément, il est considérer qu’un mètre cube (m3) de bois stocke une tonne de CO₂. Lorsque ce bois est utilisé pour des produits durables, le carbone stocké dans l'arbre est retiré du cycle naturel à long terme et contribue à ménager le climat. Les constructions en bois peuvent donc être vues comme des stocks de carbone permanents. Les répercussions les plus durables sur le bilan CO₂ ont également des effets de substitution correspondants : le bois remplace ou réduit l'utilisation d'autres matériaux énergivores comme le béton et l'acier dont la fabrication dégage d'une part de grandes quantités de CO2 et issus de matières premières non renouvelables.

L’illustration 4 ci-dessus montre l’impact sur l’environnement des différents types de planchers. Le potentiel de réchauffement global (GWP – Global Warming Potential) apparaît comme équivalent CO₂ dans l'unité de mesure kg/m 2 et doit être interprété comme mesure de contribution à l'effet de serre. En outre, des unités de charge écologique (UCE) sont aussi indiquées. Celles-ci représentent une unité d'évaluation comparable et sont définies par la méthode de la saturation écologique. Il s'agit d'un outil d'évaluation axé sur la matière et le flux d'énergie qui résume l'impact environnemental sous forme d’indicateur. Des chiffres clés globaux sous-tendent le calcul des valeurs indiquées dans l’illustration. Ils tiennent compte aussi bien de la production que de l'élimination (cela s'applique à la fois au GWP et aux UCE).

Plus la quantité d'acier et de béton utilisée est faible, plus les éléments de construction montrés semblent compatibles avec l’environnement. En particulier, en raison de la forte consommation d'énergie primaire pour la production d'acier et de béton, respectivement de ciment, l’évaluation écologique est plutôt négative. Par rapport aux dalles en béton armé, la quantité de béton peut être réduite d'environ 50 % et celle d'acier d'environ 60 % avec la fabrication de planchers composites bois-béton. Du CO₂ est également émis lors de la production de produits en bois. Bien que le stockage du CO₂ soit pris en compte positivement dans les calculs du GWP et réduise le potentiel de réchauffement global de l'ensemble de la construction des plancherss, les unités de charge écologique apportent des éclaircissements pour une réflexion plus nuancée.

En comparant les deux types de planchers composites bois-béton présentés, les plancherss réalisés avec des panneaux CLT (Cross Laminated Timber, également appelé bois lamellé croisé) présentent de plus grands avantages que les planchers à solivage, si l’on prend uniquement en considération le potentiel de réchauffement gobal. Cela est dû à l’utilisation plus importante et donc inefficace du bois comme ressource. C’est pourquoi plus de CO₂ est absorbé, comparativement. Toutefois, la production d'un mètre carré de bois traité est beaucoup plus énergivore dans le cadre du système de plancher sélectionné. Ce fait se reflète dans l'examen des unités de charge écologique. Ainsi, une étude différenciée a toujours du sens, en vue d’une évaluation écologique. Il ne faut, en outre, pas oublier qu'une gestion inefficace des ressources peut mener à leur raréfaction, à un renchérissement et à une rupture de la dynamique ascendante de la construction bois. En conséquence, les effets de substitution à fort impact précités ne se produiraient donc pas. Comme les indicateurs utilisés sont la plupart du temps basés sur des valeurs moyennes, une prise en considération plus spécifique et un examen des flux de matières premières et des conditions de production peuvent s’accompagner d’améliorations notables. Une chaîne d'approvisionnement à faibles émissions de CO₂, par exemple, ou une fabrication d’éléments de construction reposant sur des énergies renouvelables pourraient en être les leviers. En résumé, on peut pratiquement considérer les planchers composites bois-béton comme climatiquement neutres en raison de leur effet de stockage, ce qui signifie qu'ils n'ont qu'une influence mineure sur le climat.

Outre le fait que le choix d'un système de construction devrait toujours dépendre des caractéristiques du projet, le mode de construction hybride bois-béton convient essentiellement aux domaines d'utilisation suivants :

Construction de nouveaux planchers dans les :

• Immeubles d’habitation de multiétages
• Bâtiments commerciaux
• Bâtiments conçus pour la formation, les congrès et l'enseignement
• Bâtiments administratifs

Rénovation et consolidation de planchers nervurés en bois existants

De nombreuses options relatives à la conception sont envisageables pour les planchers composites bois-béton. Outre la possibilité de recouvrir la structure porteuse avec un plafond suspendu - qu'il s'agisse de plaques de plâtre armé de fibres/plâtre ou de panneaux en bois massif -, on peut aussi rendre visible la structure en totalité ou en partie (voir illustration 5). Avec la combinaison de planchers linéaires composites bois-béton et de plafonds suspendus, il est également possible d'utiliser l’espace intermédiaire pour les installations. En ce qui concerne l'efficacité énergétique, le béton peut servir à retenir la chaleur ou le froid. Dans ce cas, des conduites de chauffage et de refroidissement appropriées sont intégrées dans le plénum, entre les solives. Des conduites de ventilation, des lignes et des têtes de gicleurs sprinklers ainsi que des éléments d'éclairage peuvent également être intégrés à ce niveau.

Le mode de construction hybride bois-béton prend de plus en plus d'ampleur, raison pour laquelle on constate actuellement une utilisation progressive dans la pratique. Ce type de construction peut être considéré comme un complément utile à la construction bois classique afin d'atteindre les objectifs de l'industrie du bâtiment ayant trait à la décarbonation. Parallèlement aux expériences pratiques acquises, ce sont surtout les aspects concernant la statique et la physique du bâtiment décrits au début ainsi que les recherches en cours qui permettent de considérer le mode de construction hybride bois-béton comme très prometteur. Nous constatons aussi que les solutions relatives au système hybride bois-béton et les caractéristiques de la construction bois sont tout à fait compatibles. Les expériences acquises ont montré que nous pouvons préfabriquer de manière industrielle des planchers composites bois-béton en tenant compte du concept de système, atteindre un haut niveau de sécurité de la planification, construire de façon écologique avec de faibles émissions et assembler rapidement des éléments secs. A cet égard, les caractéristiques positives de la construction bois ne sont pas altérées mais servent plutôt de dogme et de principe directeur pour l'intégration de systèmes hybrides bois-béton dans nos systèmes et processus de construction bois existants et éprouvés.

En résumé, du point de vue de Renggli SA, le mode de construction hybride bois-béton représente un complément approprié à la construction bois classique, étant donné qu’il augmente les performances et élargit les domaines d'utilisation dans la construction bois et la construction hybride. De plus, une meilleure compatibilité écologique par rapport à la construction massive peut expliquer le courant qui se crée, lié à la construction hybride bois-béton.

Aimeriez-vous en savoir plus sur les aspects à prendre en considération pour réaliser économiquement votre projet selon le mode de construction hybride bois-béton ?

Contactez-nous. Nous serions heureux de vous rencontrer afin d’étudier la faisabilité de votre projet et, si nécessaire, développer avec vous le système de construction hybride bois-béton approprié.

Votre personne de contact:

Elouan Steffen
Conseiller Construction bois
BSc en technique du bois

Téléphone +41 26 460 30 48

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