Brevet FR3026422A1 — publié le 20160401

La présente invention s'applique au domaine technique du Bâtiment. La construction des ouvrages utilise le plus souvent des modes constructifs lourds pour réaliser l'enveloppe, dus à la nature des matériaux de structure, couramment en béton et/ou métal, et à leur mise-en-oeuvre sur le chantier. Si la mise-en-oeuvre de ces matériaux évolue grâce à la préfabrication béton, elle demeure un mode constructif lourd qui ne permet pas d'évolution de l'enveloppe du bâtiment en structure, façades, miroiterie, isolations ITE/ITI. Le coût global, les délais, l'énergie grise dépensée, l'efficience énergétique, la santé des usagers et l'impact sur l'environnement, orientent la construction durable vers des modes qui privilégient des dispositifs constructifs innovants qui utilisent des matériaux d'origine renouvelable et des procédés d'usinage respectant la santé et l'environnement, avec des préfabrications plus légères ou semi-lourdes, rapidement mises-en-oeuvre, et surtout bien plus efficaces. Le dispositif constructif objet de la présente invention a suivi une démarche d'écoconception, où la technologie est appliquée au développement durable. Les matériaux du dispositif, d'origine renouvelable majoritaire, sont neutres pour la santé et l'environnement ; résines bio-sourcées, végétaux naturels comme le bois et autres, ou matériaux recyclés, intégrés massifs, transformés, reconstitués, composites, avec ou sans additif et liant chimique. L'innovation du dispositif constructif est fondée sur l'évolution géométrique de l'utilisation des structures. En effet, l'enveloppe devient structure par la mixité d'une ossature primaire à un ensemble d'éléments, de forme cylindrique, apparenté à une coque (FIG. 1). Ce nouveau dispositif constructif, dont l'enveloppe prend la forme de coque, résulte de l'intersection d'un ou de plusieurs cylindres verticaux et d'une voûte en arc de cloître (FIG. 2). Les portions de voûtes en berceau formant l'arc de cloître peuvent avoir des courbes directrices différentes ; cylindriques, elliptiques etc. L'objet de l'invention est de retenir tous les dispositifs qui permettent de réaliser une parfaite coïncidence entre une ossature primaire et des coques dont la forme résulte de l'intersection d'un ou de plusieurs cylindres verticaux et d'une voûte en arc de cloître. Viennent en premier lieu les intersections entre un cylindre vertical à base circulaire et une voûte en arc de cloître dont la base est un polygone régulier ; triangles, carrés, pentagones, hexagones, octogones etc. (FIG.3) dont les courbes directrices sont des portions de cercles ou d'ellipses identiques (FIG. 4). Dans le cas où les côtés du polygone sont tangents au cercle directeur du cylindre vertical, le rayon des portions de cylindres formant l'arc de cloître peut être identique à celui du cercle directeur du cylindre vertical. Si le polygone est extérieur au cercle directeur du cylindre vertical, il reste centré sur celui-ci (FIG.5). Les points hauts de l'intersection du cylindre vertical et de la voûte en arc de cloître sont les intersections des génératrices les plus hautes du cylindre vertical et des génératrices de même niveau des cylindres horizontaux constituant la voûte en arc de cloître. La voûte en arc de cloître est connue depuis longtemps et utilisées en raison de sa facilité de mise en oeuvre avec sa simple courbure et de sa résistance à la pression. Le cylindre vertical, d'une géométrie comparable, bénéficie des mêmes avantages. L'assemblage du cylindre vertical et de la voûte en arc de cloître constitue donc une coque mécaniquement rigide et résistante. L'ensemble de ces génératrices est assimilable en construction à un système poteau-poutre. Cet assemblage permet l'inscription d'un prisme, constituant l'ossature primaire destinée à renforcer l'enveloppe qui est composée d'éléments de coques cylindriques, et suivant d'une même ligne les génératrices verticales pour les poteaux, et horizontales pour les poutres. L'ossature primaire de type poteau-poutre à elle seule ne présente pas d'innovation, puisqu'il s'agit de simples poteaux droits verticaux reliés à des poutres droites horizontales. C'est la mixité de deux systèmes différents, liés en formant une structure mixte dont le dispositif original permet d'intégrer à une ossature primaire, une forme plus ou moins complexe, comme le cylindre qui fait l'objet de l'invention du dispositif d'enveloppe structurale. La mixité permet de soulager les éléments de cylindres de la voûte en arc de cloître donc d'en réduire l'épaisseur et d'alléger la structure. Elle permet en outre de concentrer les efforts au niveau des poteaux. L'invention est fondée sur la coïncidence géométrique entre l'ossature primaire et l'enveloppe, en un deux en un, créant une enveloppe structurale. S'il existe des dispositifs qui tendent à rapprocher les deux systèmes, comme Sous-structures, Exo-structures etc., ils ne les assimilent pas en un seul corps. Dans la mesure où les voûtes en arc de cloître peuvent avoir pour base des polygones irréguliers, tels que des rectangles, et être composées de voûtes de courbes directrices différentes, tels que des cercles et ellipses, de nombreuses formes d'enveloppes structurales peuvent être imaginées à partir de ce dispositif constructif issu de ce principe géométrique. Néanmoins pour réaliser le dispositif d'enveloppe structurale, faut-il que les points les plus hauts de l'intersection entre les deux volumes soient situés sur un même plan horizontal afin que les poutres soient horizontales et que les poteaux soient de hauteur égale (FIG 6). Une application du dispositif d'enveloppe structurale est celle où les poutres de la structure primaire ne coïncident que partiellement avec la coque. 39 C'est le cas si la voûte en arc de cloître qui coiffe un prisme à base carrée ou rectangulaire est remplacée par une voûte cylindrique. Cette variante ne permet de solidariser les poutres de la structure que dans un seul sens, les poutres perpendiculaires ayant alors fonction de tirants (FIG. 7). La coïncidence géométrique génère un dispositif constructif innovant, créant une enveloppe structurale multiple. La mixité du dispositif constructif de l'enveloppe structurale, admet ainsi un parfait assemblage et raccordement entre plusieurs enveloppes structurales. Les poteaux et les poutres définissent des prismes. Si les poteaux ont des hauteurs identiques, et si les prismes ont pour base des polygones réguliers dont les côtés sont égaux, les prismes s'assemblent par leurs faces verticales rectangulaires. (FIG. 8). L'assemblage des coques s'effectue selon des rectangles verticaux qui peuvent soit favoriser un cloisonnement, soit permettre une communication facile d'une coque à l'autre (FIG. 8.1). Ce type d'assemblage favorisant l'aménagement des volumes : une fonction par exemple une chambre ou un bureau, peut être abritée par une coque, mais en raison de la fluidité de l'assemblage, un ensemble de coques peut abriter un programme de logement, ou un bâtiment tertiaire etc..., sans coïncidence directe entre le cloisonnement et les coques (FIG 8.2). L'ouverture de façade se réalise en face verticale rectangulaire de prisme (FIG.8.3). La structure poteau-poutre de l'ossature primaire coïncidant à la structure voûtée de l'enveloppe peut être indépendante de celle-ci. L'assemblage final de l'ossature et de l'enveloppe du dispositif constructif s'effectue sur chantier (FIG.9). Autrement, dès la fabrication, les poutres peuvent s'intégrer aux coques cylindriques horizontales et les poteaux aux coques cylindriques verticales. Poutres et poteaux constituent ici des renforts pour les coques et facilitent leur assemblage sur chantier (FIG 10). Les pièces d'assemblage d'usage courant ont une fonction mécanique connue. Les éléments de l'enveloppe en forme de coques sont composés de portions de cylindres, donc de surfaces développables. Ces surfaces peuvent être exécutées par ; juxtaposition d'éléments linéaires plus ou moins élaborés dans leur profil (FIG 11) ou simple courbure de matériaux plats, ou courbure de matériaux ondulés, ou matériaux coulés ou projetés sur des moules à simple courbure, plus économiques à réaliser. Les éléments linéaires, les matériaux plats courbés, les plaques ondulées et les coques en matériaux spécifiques peuvent servir de support à une isolation thermique et à une étanchéité, ou assurer par leur conception l'ensemble de ces fonctions. Le dispositif constructif d'enveloppe structurale admet en élévation des solutions d'aménagement, en plusieurs niveaux, et en coupes, de la pièce principale unique (studio), à l'habitat individuel voire de l'immeuble. Le volume de l'enveloppe structurale est facilement habitable en raison de sa base cylindrique. Il est possible de régler la hauteur du cylindre en fonction de l'usage du bâtiment. Ce réglage peut varier de quelques centimètres pour améliorer l'habitabilité d'un local jusqu'à plusieurs mètres, pour répondre à un programme de construction à plusieurs niveaux (FIG. 12). Le choix du polygone de base et de sa position par rapport au cercle directeur du cylindre vertical engendre des volumes différents, permettant ainsi de répondre à des programmes variés de construction. La structure mixte avec son ossature primaire de type poteau-poutre facilite l'accrochage de planchers intermédiaires sur les poteaux (FIG.13). L'assemblage peut s'effectuer soit par le cercle de base de l'enveloppe structurale soit par le polygone haut du prisme de l'ossature primaire. Un assemblage vertical de plusieurs enveloppes structurales de formes convexe ou concave est possible par superposition des structures primaires prismatiques. De même, le dispositif peut chapeauter une structure existante capable de la supporter. Le dispositif d'enveloppe structurale multiple se distingue ainsi par son habitabilité et sa capacité à assembler, raccorder horizontalement plusieurs enveloppes structurales, d'un simple niveau rez-de-chaussée à un immeuble. Le nouveau dispositif constructif d'enveloppe structurale suit une démarche de développement durable, préoccupé par la nature des matériaux, le process de fabrication vertueux, le transport levage-montage, la durabilité, l'efficience énergétique, le confort des usagers, respectant leur santé et l'environnement. Le dispositif constructif convient à l'industrialisation en séries des éléments le constituant, suivant un process vertueux, qui vise les économies d'échelle. De fait, la répétition des éléments usinés favorise une application industrielle. La standardisation bénéficie à la chaine entière, transport et mise-en-oeuvre. Dans le cas où le polygone de base est tangent au cercle directeur du cylindre vertical, la courbure des portions de cylindres verticaux et horizontaux sont identiques, d'où une facilité d'exécution plus grande encore et une capacité de standardisation optimale des outils de fabrication industrielle. La forme cylindrique des coques de l'enveloppe du dispositif constructif lui confère une forte résistance mécanique à la compression, qui est renforcée par la combinaison des caractéristiques mécaniques de l'ossature primaire. La mixité des deux systèmes structurels du dispositif constructif permet de résister à des niveaux de contraintes exceptionnels de forts neige et vent, ou 37 de ceux occasionnés par une pression exceptionnelle de terrain. De même, le dispositif constructif d'enveloppe structurale multiple résiste aux effets de surcharge de terre de la couverture végétale d'un aménagement paysager. (FIG 14) Si le dispositif constructif parait inspiré à ce niveau de ceux existants portant sur des bâtiments enterrés ou paysagers, la parfaite coïncidence géométrique de surfaces développées de registre différent, apporte ici une solution à tous niveaux ; de la conception de l'ouvrage à sa fabrication, de sa mise-en-oeuvre, de sa construction avec des matériaux renouvelables à l'exploitation durable. Le dispositif constructif se différencie structuralement de systèmes à simples coques car il est renforcé par une ossature primaire. Géométriquement, il se différencie de systèmes assemblant des cylindres horizontaux par ; l'assemblage d'enveloppes structurales selon des rectangles verticaux faciles à utiliser en cloisonnements, circulations et façades, et par son habitabilité. L'option d'un couvert végétal démontre l'orientation écologique du dispositif et son ouverture à une libre interprétation et à l'originalité des concepteurs. La couverture végétale du dispositif constructif enveloppe structurale, a pour qualités de lui conférer une parfaite intégration à un environnement naturel, et d'améliorer le confort des usagers en augmentant l'isolation et la capacité thermiques de l'ouvrage, même si les matériaux bio-sourcés et leur système, appliqués à l'enveloppe atteignent déjà d'excellentes performances. Le dispositif constructif d'enveloppe structurale multiple, en raison de ses qualités intrinsèques ; assemblage aisé, habitabilité, efficience énergétique, coûts réduits, respect de la santé et de l'environnement, par extension peut 24 évoluer vers de nouveaux usages Bâtiment, avec ou sans couverture végétale. REVENDICATIONS1) Dispositif constructif pré-usiné d'une enveloppe structurale, éco-conçu avec des matériaux majoritairement d'origine renouvelable, destiné à tout type d'usages de Bâtiment, constituée par assemblage d'une ossature primaire structurelle formant prisme droit, composée en arêtes verticales de poteaux droits et en arêtes horizontales de poutres horizontales droites, caractérisé par la mise en parfaite coïncidence géométrique d'une ossature primaire avec une enveloppe, ensemble d'éléments de forme cylindrique, apparentée à une coque (FIG. 1). Ladite enveloppe du dispositif constructif qui prend la forme de coque, résulte de l'intersection d'un ou de plusieurs cylindres verticaux et de voûte en arc de cloître (FIG. 2). Le dispositif constructif crée un volume habitable, aménageable d'une à plusieurs pièces par niveau et d'un à plusieurs niveaux (FIG. 12). 2) Dispositif constructif conformément à la revendication 1, par un assemblage d'enveloppes structurales multiples, en partie comme des modules, caractérisée horizontalement, par la mise en coïncidence géométrique parfaite des faces verticales rectangulaires des prismes constituant l'ossature primaire, et caractérisée verticalement, par la mise en coïncidence géométrique parfaite des faces horizontales polygonales, base des prismes constituant l'ossature primaire (FIG.8). 3) Dispositif constructif conformément aux précédentes revendications, éco-conçu, caractérisé par une utilisation majoritaire de matériaux neutres pour la santé et l'environnement, à savoir; résines bio-sourcées, végétaux naturels comme le bois ou autres, matériaux recyclés, intégrés massifs, transformés, reconstitués ou composites, avec ou sans additif et liant chimique, le dispositif constructif ayant vocation écologique. 4) Dispositif constructif conformément aux précédentes revendications, caractérisé par la combinaison mécanique de systèmes constructifs différents, mis en parfaite coïncidence géométrique, en formant une enveloppe structurale capable de supporter des niveaux de contraintes exceptionnels de neige et vent ou de recevoir un éventuel aménagement paysager avec une couverture végétale favorisant l'inertie thermique, (FIG.13 & FIG.14), le dispositif constructif d'enveloppe structurale développant une forte résistance mécanique.