Gros œuvre, les nouveaux modes constructifs

Photo : Conçue par l'Atelier 17C et ASP architecture, la résidence Haut-Bois à Grenoble possède une structure mixte acier, panneaux bois CLT et noyaux béton. Sa situation en zone sismique a demandé de prévoir un joint de dilatation de 42 cm entre la cage béton et la structure bois afin de tenir compte des mouvements en tête de la structure bois en cas de séisme. © Atelier 17C

Qu'est ce que le gros œuvre?

Dans un ouvrage, le gros œuvre englobe l'ensemble des éléments de construction qui assure la reprise des efforts subis par l'édifice, soit permanents (les charges) soit temporaires comme les efforts dus au vent, au séisme, aux tempêtes... Le gros œuvre fait l'objet d'une garantie décennale de la part du constructeur.

Le gros œuvre est un constituant majeur de l'enveloppe qui apporte des fonctions passives essentielles comme l'isolation thermique et acoustique, l'étanchéité et le contrôle du degré d'humidité de l'ambiance intérieure par son degré de perméabilité. Au fil des années, pour gagner en performances, les façades sont devenues des complexes consommateurs de ressources et composés d'un bardage, pare-pluie, isolant, pare-vapeur, doublage intérieur, de même pour la toiture et les planchers.

La durabilité de l'ouvrage est déterminée par la pérennité du gros œuvre qui est généralement conservé lors de chantiers de restructuration lourde à l'exception d'opérations de type façadisme, et sa conception peut faciliter ou non la réversibilité ou la transformation d'usage du bâtiment.

Lot le plus important en terme de quantité de matériaux, le gros œuvre pèse lourd en terme de ressources mobilisées, de volume de matériaux biosourcés et recyclés et représente environ un tiers de l'empreinte carbone du bâtiment. C'est aussi un levier essentiel pour réduire les coûts sur un chantier, les délais et les nuisances comme le bruit et la poussière. Les atouts d'une filière sèche et du recours à la préfabrication, ont été très tôt mis en avant par les acteurs du bois et de l'acier avant d'être redécouvert par la filière béton.

Ces différents enjeux ont considérablement mis la pression sur l'ensemble des filières matériaux du gros œuvre, contraintes d'évoluer. Que ce soit l'acier, le béton, le bois, la terre cuite ou crue ou même la pierre, l'innovation s'est accélérée ces dernières années.

Autre conséquence, la mixité structurelle avec le bon matériau au bon endroit, s'est banalisée. Cette approche nécessite de tenir compte que la tolérance d'exécution du béton est plus grande de l'ordre du cm que la tolérance de fabrication de l'acier ou du bois qui est de l'ordre du mm. De plus le béton est plus rigide tandis que le métal se dilate avec les changements de températures et que le bois possède une certaine souplesse dont il faut tenir compte.

Le métal

Les avantages du métal

La structure métallique, acier ou aluminium, qui combine légèreté et résistance à la traction a montré ses capacités dès le XIXème siècle, pour la grande hauteur ou la grande portée pour des passerelles, grandes halles des gares ferroviaires ou des marchés couverts. Particulièrement prisé en ouvrages d'art, l'acier continue souvent à être la meilleure réponse pour l'ossature primaire de grands entrepôts ou d'immeubles de moyenne ou grande hauteur, pour d'impressionnants porte-à-faux ou pour les montants de verrières de grandes hauteurs. De nouvelles classes d'acier continuent à être développées avec des résistances accrues à la rupture ou à la corrosion.

Modélisation en 3D

Les bureaux d'études structure et charpentiers acier, ont été les premiers acteurs du bâtiment à modéliser leurs ouvrages en 3D. Des éditeurs comme Tekla et Graitec ont d'ailleurs très tôt défendu la démarche openBIM. Les conceptions ont bénéficié de l'avancée en matière de modélisation, simulation et dimensionnement, permettant d'oser des ouvrages plus audacieux, tout en légèreté, bénéficiant de techniques développées en génie civil en respectant la tolérance plus grande demandée dans le bâtiment. Plus d'information sur le BIM : Modélisation des données du bâtiment, en attendant la réglementation.

Mise en oeuvre de l'acier

L'usage de l'acier demande une préparation amont précise, une logistique avec parfois de très grands éléments à transporter et un assemblage sur site. Pour des questions de qualité de la soudure et de risques chantier, la soudure des éléments entre eux est de plus en plus réservée à l'atelier et l'assemblage finale sur chantier effectué par boulonnage.

Construit à Lyon Confluence, le siège social de GL Events a été réalisé par le Studio Odile Decq. Ses trois niveaux supérieurs en porte-à-faux de 28m côté Saône, sont suspendus à trois piles métalliques intérieures abritant les cages d'ascenseurs suivant une technique utilisée en génie civil. © François Ploye

Les métaux combinés à d'autres matériaux

L'acier est en outre l'ami des autres matériaux. Le béton armé est ainsi le premier matériaux composite mis en œuvre à grande échelle, le béton apportant sa résistance à la compression et l'acier à la traction. Sauf exceptions, la structure bois, qu'elle soit en poteaux poutres ou en panneaux, est liaisonnée par des nœuds acier pour le poteau poutre et par des fixations métallique de type plaques et vis pour les panneaux. Les planchers collaborants de grande portée et de faible épaisseur sont de type acier-bois ou acier-béton.

À part l'acier, d'autres métaux sont utilisés dont l'aluminium pour des ossatures primaires ou secondaires, des mur-rideaux ou des menuiseries ou le zinc en couverture.

Le béton

Le béton armé, une valeure sûre

La maîtrise des usages à grande échelle du béton armé a assuré la réputation et la croissance des majors français du BTP y compris à l'international.

Béton et bas carbone

Le secteur a été bousculé par l'arrivée du bois et des nouveaux enjeux environnementaux comme le bas carbone ou la raréfaction des ressources comme l'eau et les granulats dans certaines régions. Cela a conduit l'ensemble de la filière à se renouveler et à innover. Un premier axe industriel est la commercialisation de ciment à empreinte carbone réduite de type CEM II ou III, obtenu en particulier par l'incorporation de laitier issu des hauts fourneaux.

Les granulats de béton recyclé

Dans le cadre de l'économie circulaire, un autre axe est le développement normatif d'un process de fabrication, par tri et concassage, de GBR (Granulats de Béton Recyclé). Si l'usage de GBR dans la fabrication d'un béton ne réduit pas directement son empreinte carbone, l'économie de ressources est réel. Dès que que le béton incorpore plus de 1% de GB , la récente norme NF EN 206-A2/CN fait référence.

Le groupe scolaire réalisé par l’agence A+Samuel Delmas dans l'écoquartier LaVallée à Châtenay-Malabry (92) comporte des murs avec 100% d'agrégats de béton recyclés et damnés. © François Ploye

Comme pour le béton de chanvre, qui est un mélange de chaux et de chènevotte, les agrégats de béton recyclés et damnés sont utilisés en remplissage associées à une structure porteuse.

Béton et préfabrication

En parallèle, les entreprises ont recours à une part croissante de préfabrication industrielle, qui entraîne un gain sur le budget, les délais avec une qualité plus homogène. En particulier l'usage de systèmes à coffrage perdu de type prédalles ou prémurs, dont la désignation non commercial est mur à coffrage intégré (MCI), se généralise. Le béton coulé dans les Prémurs est de type autoplaçant (BAP) sans vibrations. Comme pour la préfabrication acier ou bois, la préfabrication béton demande une préparation amont minutieuse du projet qui peut être effectuée en BIM.

Béton et impression 3D

À noter que les premières applications industrielles de l'impression 3D utilisent de l'encre de type mortier pour fabriquer des pièces décoratives ou des éléments à coffrage intégrée, pour de petites séries qui peuvent être non répétitives.

Bétons à haute résistance

Enfin la réduction du poids carbone du béton sur un chantier peut passer par l'usage de bétons à haute résistance (BHP) ou des BFUP (Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances) permettant de réduire le volume de matériau utilisé à résistance égale. Le béton fibré à usage décoratif incorpore des fibres plastiques et celui à usage structurel des fibres métalliques.

Un autre levier est de privilégier le poteau poutre sur les voiles porteurs, ce qui présente aussi l'avantage de faciliter un éventuel changement d'usage avec une reconfiguration des espaces pendant la vie du bâtiment.

Anticiper la réversibilité éventuelle de son bâtiment, par exemple de parkings en bureaux ou de bureaux en logements, est un enjeu économique qui doit être étudié soigneusement par les gestionnaires de patrimoine. Mais il existe un investissement initial du fait que la hauteur sous plafond doit pouvoir répondre à deux usages différents ou qu'il faille anticiper sur deux réglementations incendie différentes.

La terre cuite ou crue

Terre cuite

Pour sa part, la brique en terre cuite est très appréciée dans certaines régions, comme le Midi toulousain. Si l'argile utilisée est un matériau naturel, abondant, facile à recycler, sa fabrication avec un passage au four à 1500°C demande beaucoup d'énergie. Son mode constructif est demeuré quasi similaire avec un travail de design des alvéoles de la part des fabricants pour alléger les blocs, réduisant la pénibilité de la pose et l'empreinte carbone.

Son usage en zone sismique nécessite l'usage de briques de chaînage sismique à haute résistance et l'ajout d'armatures métalliques. Il existe aussi des produits deux en un, des briques isolantes dont les vides sont remplis d'isolant, réduisant le temps de pose et l'épaisseur finale du mur.

Terre crue

De son côté, l'emploi de la terre crue, un matériau traditionnel, connaît un regain d'intérêt. Le  mode constructif est la terre compressée par strates comme pour le Groupe scolaire Miriam Makeba de l'agence TOA à Nanterre (92) ou la Brique de Terre Compressée (BTC) ou stabilisée (BTCS) mélangée à un liant hydraulique à la chaux pour un usage en extérieur.

La terre crue est utilisée en cloisons intérieures mais aussi en murs extérieurs parfois en mélangeant un liant hydraulique à la chaux et en protégeant de l'humidité sa tête et ses pieds. Il s'agit là aussi d'un remplissage de la structure porteuse. Enfin, les recherches sont assez actives pour industrialiser l'impression d'autres matériaux que le béton en particulier la terre crue.

En Californie, les architectes chercheurs Ronald Rael et Virginia San Fratello mène des expérimentations sur l'impression en terre crue. Ici "Casa Covida" composée de trois petites habitations imprimées en terre et argile. © Rael San Fratello

Le bois

Le bois structurel

Cantonné pendant longtemps à un pourcentage faible de maisons individuelles, le bois structurel, généralement des résineux, est le grand bénéficiaire de la révolution en cours. Les opérations spectaculaires se multiplient à l'exemple de la Tour Hypérion à Bordeaux, un mixte bois béton en R+16 et 55 mètres de hauteur, conçue par Jean-Paul Viguier et livrée mi 2021. Autre prouesse, la toiture en bois d'une portée de plus de 80 mètres du Centre Aquatique Olympique à Saint-Denis, des agences 2/3/4 et VenhoevenCS, dont la livraison est attendue fin d'année.  

Industrialisation de bois techniques

Le changement d'échelle de la construction bois s'appuie sur l'industrialisation de bois techniques, fabriqués à partir de lamelles de bois entrecroisées et collées, donnant un matériau aux performances plus homogènes et mieux maîtrisées que celles d'un bois massif. Typiquement, il s'agit pour les poutres et poteaux de lamellé collé (BLC) et pour les panneaux de CLT (cross-laminated timber).

Une structure entièrement en bois, avec panneaux CLT en façades et en planchers pour l'immeuble Sensations à Strasbourg de l'agence Koz Architectures. Situé en zone sismique, il monte jusqu'en R+11. © François Ploye

Des points de vigilance : résistance au feu et isolation acoustique

L'usage de ces bois techniques s'est accompagné d'un important travail d'ingénierie et d'essais, en particulier au feu. Un sujet important est celui des liaisons entre éléments avec des points singuliers comme la fixation des balcons sur une structure bois ou l'étanchéité entre la menuiserie et une ossature bois, où encore trop souvent, les solutions sont réinventées à chaque chantier.

Les points de vigilance sont identifiés. Un récurrent est l'isolation acoustique d'un plancher en panneaux CLT dans le cas d'une résidence collective où la réglementation est la plus contraignante. La prise en compte du bruit d'impact qui se transmet bien dans le bois, conduit à une surépaisseur du plancher. Aussi les solutions de planchers mixtes sont fréquemment mises en oeuvre combinant des solives bois et une dalle béton qui apporte à la fois de l'isolation acoustique et de l'inertie thermique.  

Un autre point bien traité est celui de la protection incendie qui a conduit, dès que le bâtiment grimpe en hauteur et dans l'habitat, à encapsuler le bois par du plâtre, ce qui désole les architectes. De plus pour assurer le contreventement horizontal du bâtiment, les noyaux verticaux (cages d'escaliers, ascenseurs, gaines techniques...) sont fréquemment en béton.

Là aussi, la tendance est d'étudier plus en finesse chaque situation, chaque cas particulier. Comme un facteur important pour la protection incendie est la masse combustible globale, des compromis doivent être trouvés avec le niveau de biosourcé, par exemple en choisissant pour l'isolant de la laine de roche à la place de laine de bois ou d'ouate de cellulose.

Matériau roi de la filière sèche, le bois est largement utilisé préfabriqué en panneaux 2D de remplissage isolé pour des façades à ossature bois ou en modules 3D entièrement équipés par exemple pour des résidences étudiantes ou des maisons de retraite. Là aussi, la préparation amont doit être soignée.

Protection contre les intempéries et l'humidité

Enfin, une attention particulière doit être apportée à protéger le bois des intempéries ou de l'humidité, lors de son transport, stockage et une fois posée sur chantier avec des films adhérents, des bâches ou des tentes de protection.

Bois massif

Il faut noter que l'usage traditionnel de bois local, débité en petits éléments en bois massif et assemblé par un petit charpentier, n'a pas dit son dernier mot. Cette approche permet d'assembler par simple clouage un treillis structurel, qui peut être de forme complexe, s'il a été conçu et calculé par un bureau d'études structure. 

Le bureau d'études Bollinger+Grohmann, a développé et utilisé Karamba et Octopus, des outils de génération de treillis structure, pour la conception de la charpente bois de l'extension du Centre Frans Masereel, en Belgique. © Bollinger+Grohman

Source : batirama.com/ François Ploye