Brevet FR3068053A1 — publié le 20181228

La présente invention s'applique au domaine technique du bâtiment. La construction d'ouvrages de bâtiment, comportant majoritairement des matériaux d'origine renouvelable comme le bois et d'autres biomatériaux, reste aujourd'hui très limitée en Europe du sud, et notamment en France. Les freins à leur utilisation sont en partie économiques et aussi techniques. La maîtrise technologique de ces filières est toutefois en cours d'évolution, et la présente invention dans sa démarche d'écoconception peut y participer. La présente invention procède d'une démarche de conception architecturale. Elle est inspirée de travaux antérieurs, notamment de nos demandes antérieures de brevets ; FR 14-02182 dénommé « SYS » (a Structural Youit System) qui a consisté à créer une enveloppe structurale dont les composants de dimensions identiques conduisent l'ouvrage à une forme d'une géométrie parfaite, et FR 17-00683 dénommé « ESC » (une Enveloppe Structurale en Caisson) qui a consisté à créer l'enveloppe d'un ouvrage, constituée de caissons identiques qui remplissent à eux-seuls la fonction de structure sans nécessiter d'être supportés par une structure primaire comme une charpente. La présente demande de brevet vient en priorité du brevet 17-00683, certaines caractéristiques venant améliorer le brevet précité. Pour faire un bref état de l'art, l'invention s'inspire également de travaux plus anciens de designers, architectes et ingénieurs. Comme ceux de l'ingénieur W. BAUERSFELD ou d'une certaine manière, dans les années 1960, du designer BUCKMINSTER FULLER. Ces auteurs ont cherché à inventer une forme d'enveloppe structurelle à partir de polyèdres ; tétraèdres, icosaèdres etc. La création d'une oeuvre originale rejoignait ainsi l'invention technique quand B. FULLER réalisa une sphère duale ou géodésique mondialement connue sous l'appellation : « dôme géodésique ». Le concept initial élaboré pour la présente invention découle d'une oeuvre d'art appliqué. Les éléments qui composent notre nouveau dispositif constructif sont intentionnellement d'ordre esthétique, pour régir une forme originale d'une modénature spécifique à l'objet. Un objet constructif dont la forme ornementale vise corollairement un résultat technique, directement applicable en industrie. Si nous avons choisi une forme originale, c'est qu'à l'instar des travaux précités, nous avons cherché à créer un design, par la disposition des éléments de forme triangle-rectangle, répétés à l'identique d'un point à un autre de l'enveloppe de l'ouvrage, pour marquer la géométrie du dessin de l'ouvrage, créant avec leurs hypoténuses une homothétie aux formes et lignes distinctives, si apparentes. Homothétie que B. FULLER n'avait pas cherché à atteindre, puisque ses oeuvres en polyèdres se composent de deux à quatre éléments de dimensions différentes. Tandis que la présente création se veut être constituée d'une unité d'éléments parfaitement et rigoureusement de dimensions identiques pour créer la forme originale de l'enveloppe structurale. Cette caractéristique originale est distinctive dans l'expression apparente ou non de la modénature de l'ouvrage réalisé selon ce dispositif structurel. (FIG.4, 8, 9) La présente invention a pour objet un nouveau dispositif constructif structurel. 44 Il implique un nouveau mode constructif qui devrait permettre aussi bien aux 2 professionnels qu'aux particuliers de participer à l'assemblage et au montage de la structure d'un ouvrage de bâtiment, dans une démarche « soutenable ». Ce n'est plus la brique, le parpaing ou l'élément pré-usiné en béton précontraint qui constitue l'élément de base de la structure de l'ouvrage, c'est un caisson. 5 Le dispositif se caractérise par sa simplicité, avec un unique élément, répété à l'identique à l'ensemble des façades et toiture de l'ouvrage, et assemblable autant que de besoin, selon la définition de l'ouvrage à laquelle les concepteurs le destinent. Cet élément de base est de préférence en matériau renouvelable, un biocomposite ou à base de bois. Il s'assemble et se combine unitairement. 10 L'innovation de ce dispositif constructif part d'un ensemble d'éléments unitaires, sous forme de caissons standardisés, de dimensions rigoureusement identiques, pour constituer la structure et l'enveloppe d'un ouvrage de bâtiment en un seul ensemble. Le caisson, élément de base du dispositif structurel, se constitue d'un nombre réduit et répété de pièces. L'élément de base du dispositif en 15 caissons, répété à l'identique à l'ensemble de l'ouvrage, se compose de trois éléments de parois raidisseurs, perpendiculaires au plan d'un panneau de diaphragme, ces quatre pièces principales constituant le caisson (FIG.1, 2). Chaque élément de base en caisson, constitué du diaphragme et de ses trois éléments de parois utilisés comme raidisseurs, est de forme triangle-rectangle. 20 Le diaphragme du dispositif en caisson est constitué d'un panneau, de forme triangle-rectangle, identique à celle des trois éléments de parois. La géométrie du caisson est de forme triangle-rectangle. Aussi, des caissons assemblés par paires formeront un rectangle. Tous les caissons de dimensions rigoureusement identiques s'assemblent par les 25 diaphragmes en triangle rectangle par les côtés de dimensions communes. Les raidisseurs sont disposés orthogonalement à la surface du diaphragme, le dispositif les appliquant à l'ensemble de l'enveloppe de l'ouvrage. Le champ du panneau de diaphragme est profilé en créneaux à pas réguliers, sur chacun des deux côtés formant un angle droit, et à un pas spécifique pour 30 l'hypoténuse. Les caissons sont assemblés en continu bord à bord sur petits et grands côtés, sur un même pas, champ contre champ. Le dispositif en caisson intègre un système d'assemblage en tenon et mortaise solidarisant les caissons. Le système d'assemblage des panneaux de diaphragmes s'apparente à un puzzle, et à ce titre, est dénommé ici 'SPW' (Système Puzzle-Wood) (FIG.3). 35 La liaison interne des caissons entre le panneau de diaphragme et les trois parois raidisseurs s'effectue par moisage double ou simple avec système 'SPW'. Des pièces courantes (vis etc..) assemblent mécaniquement les caissons. Eventuellement, les caissons du dispositif peuvent-être pré-équipés en usine, complétés par exemple d'un isolant, ou pré-percés pour le passage de fluides. 40 L'invention de ce dispositif se caractérise par l'unicité (FIG.4) de la structure de l'enveloppe de l'ouvrage, de par son tramage à l'identique des façades et de la toiture,_au moyen de cet unique élément de base à l'identique qui les constitue. 43 Horizontalement, l'ensemble de l'ouvrage s'articule sur une trame unique et 3 continue, déterminée par la définition de l'ouvrage. Verticalement en façades, et en oblique en toiture, l'ensemble de l'ouvrage s'articule sur une trame qui est directement liée aux trois dimensions ; celle de la trame définie au sol, celle de l'angle de la toiture et celle dont résulte un multiple commun selon le rapport 5 entre la surface et la hauteur continue des façades et de la toiture. Le dinnensionnement de l'élément de base unitaire résulte de l'unicité de trames horizontales et verticales. L'ensemble est ainsi traité à l'identique afin de former une 'enveloppe structurale', constituée des caissons, éléments de base unitaire, à la différence d'autres systèmes qui résultent de la rencontre d'une structure 10 continue comme des pannes sablières et d'autres éléments discontinus comme poutres et traverses qui supportent divers éléments constitutifs de l'enveloppe. Le dimensionnennent de l'élément de base formant caisson varie selon la trame qui reste libre d'interprétation, selon les usages auquel l'ouvrage est destiné, et sans limite particulière. Les concepts résultant de ce dispositif, dont le principe 15 se décline aisément, conviennent aussi bien aux HLL, aux chalets qu'à la plupart des typologies d'habitats, quelle qu'en soit la destination. Un ouvrage complexe compte également un jeu unique d'éléments de base unitaire avec ce dispositif. Ce dispositif structurel pourrait paraître simple à ce niveau pour se différencier de ceux existants. Il s'avère d'un registre différent justement parce qu'il se 20 caractérise en une nouvelle unité de base, répétitive et assemblable à 'Infini. Ce dispositif structurel généralise l'usage d'un élément de base unitaire, le caisson, dont les arêtes verticales sont orientées perpendiculairement au plan de la paroi concernée. Cette disposition évite l'usage de caissons différents au niveau des changements d'orientation des parois; mur/toiture ou arêtiers (FIG.5) 25 L'hypoténuse de chacun des rectangles du fond de caisson constitue la ligne de l'arête inférieure de la toiture en pavillon. L'arête inférieure et intérieure de la rive de toiture s'aligne sur l'arête supérieure et intérieure de la rive haute de la façade, rive constituée par les côtés droits des caissons en triangles rectangles. L'élément unitaire en caisson s'applique à l'ensemble de façades et toiture. 30 Il en résulte un espace vide au changement d'orientation des parois. Imposant un jeu de pièces complémentaires continues d'assemblage spécifique venant recevoir les éléments contigus du système 'SPW' des caissons liés champ contre champ, rendu compatible avec la découpe en créneaux pas à pas des caissons. Cette pièce complémentaire, en bois ou composite, est nécessaire au dispositif 35 pour appliquer aux façades et toiture, l'élément unitaire en caisson (FIG.6). Cette pièce conserve la géométrie parfaite en appliquant une trame homogène. Les propriétés géométriques du dispositif permettent d'éclater un ouvrage de surface élémentaire carré dont la structure est auto-contreventée, constituée de caissons disposés horizontalement et ou verticalement, afin de créer un ouvrage 40 en pavillon en 4 pentes symétriques, comme dispositif de base, ce dispositif pouvant être étendu pour développer sa surface et son volume sur un rapport 42 de proportionnalité qui n'en modifiera pas la logique. 4 La répétitivité du système permet de créer un module de base de surface carrée. Le développement de l'ouvrage est identique dans les deux directions du plan et permet ainsi de conserver une toiture en pavillon (FIG.7). Partant d'un ouvrage par principe modulaire qui s'assemble horizontalement, les 5 éléments de base formant caisson s'articulent entre eux en ouvrant le dispositif à une infinité de configurations. La géométrie de ce dispositif structurel permet d'augmenter la surface de l'ouvrage. Il suffit d'y ajouter des panneaux libres en éléments intermédiaires de caissons, standardisés à l'identique, dans les deux directions orthogonales, sans modifier la structure générale conçue initialement. 10 Ce dispositif est ainsi parfaitement ouvert sur le plan technique et architectural. L'ouvrage, ou l'unité d'habitation, représenté en quatre quarts est divisionnaire. Sans modifier techniquement l'ensemble, ces quatre quarts constitués par des caissons peuvent se séparer régulièrement et à distance égale, pour ouvrir l'ouvrage ou l'unité d'habitation. Ce qui développe sensiblement la surface sans 15 affecter l'aspect architectural de l'ensemble, à hauteur de volume proportionnel. Le dispositif en caisson impose aux panneaux complémentaires de respecter la relation dimensionnelle existant entre les éléments de base des façades et de la toiture, tous à l'identique, et suivant leur orthogonalité d'angles (FIG.7, 8). De plus le dispositif peut être configuré selon d'autres approches architecturales 20 en modifiant l'angle de parois de l'ouvrage, jusqu'à obtenir une forme en voûte. La forme de l'enveloppe peut varier selon l'intention du concepteur (FIG.9, 10). Et par extension, on peut imaginer des ouvrages recevant une végétalisation. L'unicité de ce dispositif en caisson pour l'enveloppe et la structure, s'adapte ainsi à tout angle de pente, admettant de nombreuses typologies de bâtiments. 25 Ce dispositif structurel est évolutif. La structure de l'ouvrage peut évoluer d'un plan carré à un plan octogonal. Elle peut comporter des panneaux triangulés constitués par le caisson, et des chevêtres standardisés à l'identique des caissons pour recevoir des menuiseries ; fenêtres, portes (FIG.11, 12). Ce dispositif permet d'intégrer un niveau intermédiaire, et d'augmenter la 30 hauteur de façades. Un second niveau, structurellement indépendant, peut être créé avec mezzanine, tout en préservant le dispositif constructif (FIG.13). Le dispositif de structure en caisson se distingue par son habitabilité et sa capacité à assembler plusieurs modules, les raccordant horizontalement, selon le programme et sa destination. La combinaison de structures ainsi 35 obtenue, ou son développé dans une seule direction, permet de répondre à nombreux programmes, traditionnels ou de géométrie plus élaborée. Le dispositif est ouvert puisqu'il admet de nombreuses configurations, il peut unifier des pans de toitures, et créer des baies dans ces toitures (FIG.14, 15). Si le dispositif structurel en caissons offre des caractéristiques géométriques 40 distinctives, il apporte également d'autres avantages techniques importants. Le dispositif structurel constitué de caissons solidaires est auto-stable. 42 En effet, la structure en caisson est d'elle-même contreventée. Les caissons 5 triangulés sont rigides par leurs diaphragmes. Et les caissons sont solidarisés entre eux de tous côtés par le système 'SPW' avec leurs parois raidisseurs par moisage simple ou double des panneaux diaphragmes champ contre champ. L'ensemble du dispositif structurel en caisson constitue un ouvrage ou une 5 unité d'habitation, autoportant et auto-stable, de résistance mécanique élevée. Ce dispositif peut facilement supporter des contraintes maximales de neige et de vent et aussi sismiques. En outre, il peut éventuellement supporter une couverture végétalisée avec un aménagement paysager, lequel participe par l'inertie thermique à réduire la consommation, respectant l'environnement. 10 L'élément de base tridimensionnel peut éventuellement ajouter un panneau de fond en peau intérieure qui peut fermer le caisson. Ceci permettant d'équiper le caisson d'un système d'isolation par un matériau ou création d'un vide d'air. Ce fond jouerait le rôle de pare-vapeur. Et renforcerait la résistance au feu. De même, l'installation de fluides pourrait être pré-montée avant de le fixer. 15 Ce dispositif procède d'un principe de répétitivité, afin que l'élément de base unitaire soit rapide à fabriquer en séries industrielles, facile à assembler, simple à monter. Le caisson ne comprend que quatre pièces principales à fabriquer. Ainsi, ce dispositif structurel en caisson s'inscrit dans une démarche industrielle. La numérisation des éléments de parois de caissons à usiner est facilitée par 20 l'orthogonalité d'angles. Le caisson ne comprend que 4 éléments de petites sections, rapides à usiner en séries. Ce dispositif est particulièrement bien adapté à l'utilisation des ressources locales, comme les résineux et les feuillus. Le gain de production du dispositif vise à vulgariser et diffuser l'habitat durable. L'utilisation de pièces légères de petites dimensions facilite le levage-montage, 25 et convient aussi bien aux petits programmes, y compris en auto-construction, qu'aux projets importants, en ouvrages uniques ou groupés, réduisant les coûts. L'assemblage des éléments de parois et de diaphragmes formant le caisson est simple et facile. Chaque caisson est assemblé aux autres par liaisonnement des parois au travers des parois raidisseurs par le système puzzle "SPW'. 30 L'assemblage mécanique est réalisé au moyen de pièces courantes (vis etc.). Ces pièces d'assemblage d'usage courant ont une fonction mécanique connue. Les autres composants sont généralement en bois ou d'autres matériaux biosourcés, par nature relativement légers et faciles à transporter et à manipuler. Ce mode d'assemblage se différencie des façades en caisson existantes, avec 35 leur dispositif préfabriqué, de grande taille et de poids élevé qui nécessitent des engins de levage. En outre, ces différents dispositifs existants n'ont ni l'unicité de l'élément de base de ce dispositif, ni la continuité de l'enveloppe structurale. Le dispositif d"enveloppe structurale' en caisson s'inscrit en droite ligne dans la nouvelle génération d'habitats durables, sains, confortables, accessibles à tous. 40 Par la facilité de conception technique et architecturale, de fabrication en séries, d'assemblage et de levage-montage, ce nouveau dispositif structurel contribue à 42 la nouvelle architecture écologique, REVENDICATIONS1) Dispositif constructif éco-conçu pour les enveloppes structurelles, de préférence en matériaux renouvelables comme le bois ou composites biosourcés, destiné à toute typologie d'ouvrages de bâtiment, dont la géométrie du dessin de l'enveloppe structurelle qui constitue l'ouvrage est issue d'un design architectural, distinctif dans sa forme et lignes originales, rendu par la répétition d'éléments structuraux polygonaux triangle-rectangle ,ce dispositif étant caractérisé ; en ce qu'il est constitué d'un élément de base unitaire, appliqué à l'ensemble des façades et la toiture d'un ouvrage, avec une seule dimension rigoureusement identique, cet élément de base unitaire répété à l'identique constituant une 'enveloppe structurale', cet élément de base unitaire formé en un caisson standardisé triangle-rectangle , rectangle assemblé par paire, constitué d'un panneau de diaphragme qui qui permet d'assembler les caissons en continu bord à bord, le système l'apparentant à une pièce de puzzle, le diaphragme recevant sur ses arêtes, trois éléments de parois raidisseurs simples ou doubles, disposés selon un moisage à une ou deux faces, fixés perpendiculairement au panneau, les arêtes verticales étant orientées perpendiculairement au plan de parois à angles droits, ces 4 éléments, diaphragme et raidisseurs, formant le caisson. 2) Dispositif constructif selon la revendication 1 caractérisé ; par sa résistance mécanique en un ensemble homogène, continu, auto-stable et autoportant, qui juxtapose des éléments de base tridimensionnels en caissons triangulés, contreventés par des diaphragmes, dont les éléments sont assemblés entre eux pour constituer un caisson puis entre caissons par le système spécifique d'assemblage en puzzle et un moisage simple ou double du panneau de diaphragme par trois éléments de parois raidisseurs des arêtes du triangle du caisson, liaisonnés champ contre champ aux éléments de parois des caissons contigus, reprenant les efforts transmis aux caissons, solidarisés entre eux, ce dispositif structurel assurant seul la fonction mécanique. 3) Dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1 à 2, visant une liberté d'interprétation de l'ouvrage selon l'usage auquel il sera destiné, sans limite particulière, le dispositif pouvant être configuré selon une approche architecturale qui admet de nombreuses typologies de bâtiments, éventuellement en ajoutant un niveau intermédiaire, en augmentant d'une ligne verticale de caissons la hauteur des façades, caractérisé ; par sa trame homogène, régulière et continue, admettant de modifier l'angle de parois de l'ouvrage, jusqu'à obtenir une enveloppe structurelle de forme en voûte, l'unicité du dispositif structurel en caisson s'adaptant jusqu'aux changements d'orientation des parois, respectant le plan de chaque paroi au moyen d'un espace vide, la répétition de l'élément de base unitaire en caisson, imposant ici une pièce complémentaire continue d'assemblage spécifique, recevant les caissons liés champ contre champ, la pièce profilée comblant le vide créé en 43 changement d'orientation de parois sans modifier l'unité de base du caisson. 7 4) Dispositif constructif selon les revendications 1, 2, 3, par sa représentation géométrique de l'ouvrage en modules d'habitation divisibles par quarts, caractérisé ; par sa capacité d'extension dans les 2 directions horizontales par d'autres éléments identiques, en continuité des parois constituées, ou 5 par la création d'ouverture de dimensions identiques à l'élément unitaire, en panneaux libres pour menuiseries, respectant la relation tridimensionnelle entre les éléments en caisson des façades et de la toiture, le dispositif en 'enveloppe structurale' de l'ouvrage permettant de raccorder les pans de façades et de toiture par sa trame homogène et de dimension identique. 10 5) Utilisation du dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1-4, pour une fabrication en séries industrielles de l'élément de base unitaire en caisson, au moyen de quatre pièces principales de dimensions identiques et de petites sections, soit trois éléments de parois, perpendiculaires à un panneau de diaphragme contreventant, créant un caisson caractérisé ; par 15 l'orthogonalité d'angles des 3 éléments de parois du caisson par rapport à la surface triangulaire-rectangle de base, ce qui simplifie la numérisation et découpe industrielle, la fabrication en série étant facilitée par la répétition standardisée à l'identique de l'élément unitaire en caisson du dispositif. 6) Utilisation du dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1-4, 20 pour sa modularité, caractérisé ; par son mode d'assemblage et son levage- montage, simples, rapides, accessibles à tous, au moyen d'un élément de base unitaire de petites dimensions, identique à l'ensemble des parois des façades et de la toiture de l'enveloppe structurale, la modularité du dispositif 24 s'appliquant au moyen d'éléments de base tramés de dimensions identiques.