Brevet FR3068052A1 — 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 notre demande antérieure de brevet FR 14-02182 dénommée « SYS » (a Structural Yourt 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. 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 puis 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, applicable en industrie. Si nous affectons d'avoir oeuvré pour une forme originale, c'est qu'à l'instar des travaux précités, nous avons cherché à créer un design dont la disposition des éléments est répétée d'un point à un autre de l'enveloppe de l'ouvrage, la géométrie du dessin de l'ouvrage marquée par une homothétie aux forme et lignes distinctives. 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.5, 6, 7) La présente invention a pour objet un nouveau dispositif constructif structurel. Il implique un nouveau mode constructif qui devrait permettre aussi bien aux 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 41 qui constitue l'élément de base de la structure de l'ouvrage, c'est un caisson. 2 Le dispositif se caractérise par sa simplicité, avec un unique élément, identique, répétitif, et assemblable autant que de besoin, selon la définition de l'ouvrage à laquelle les concepteurs le destinent. Cet élément de base formant un caisson, de préférence matériau.renouvelable ; s'assemble et se combine unitairement. 5 L'innovation de ce dispositif constructif part d'un élément de base unitaire, sous forme de caisson standardisé, de dimensions rigoureusement identiques, pour constituer un ensemble de structure et d'enveloppe d'un ouvrage de bâtiment. Le caisson, élément de base du dispositif de structure, se constitue d'un nombre réduit et répété de petites pièces. A partir d'une forme géométrique en triangle 10 rectangle, les éléments de parois du caisson sont fermés par leurs fonds servant de peau, puis assemblés par paires formant rectangle, éventuellement un carré. Les caissons de dimensions rigoureusement identiques s'assemblent entre eux sur les éléments de parois de dimension commune. Ainsi, les fonds de caisson forment des triangles rectangles qui se joignent aux autres caissons par leur 15 hypoténuse. L'élément de base à 'Identique du dispositif se compose de trois éléments de parois perpendiculaires au plan du fond formant le caisson. (FIG.1) Les caissons peuvent s'assembler mécaniquement avec des pièces courantes sur chantier comme en usine. Un assemblage en usine peut compléter les caissons 20 en les pré-équipant, notamment avec des isolants et des passages de fluides. Aussi, les panneaux de fond de caissons sont fermés à l'usine. Ils peuvent y être préparés pour recevoir une finition, une isolation par l'extérieur, un enduit etc. Les caissons peuvent intégrer des connecteurs spécifiques qui renforcent un liaisonnement mécanique courant. Comme les caissons sortent tout équipés 25 d'usine avec toutes leurs faces fermées, plusieurs solutions d'assemblage sont admises, comme des oeillets pré-percés de serrage, des emboitements préusinés ou des crampons etc., en face externe des éléments de parois d'angles droits. Le système de chevauché de panneau de fond par débord des faces supérieures et inférieures recevant une pièce intermédiaire de liaison est une autre solution, 30 (FIG.2) qui confère bien à l'élément de base unitaire, son principe de répétitivité. L'invention de ce dispositif se caractérise par l'unicité (FIG.3) de la structure et 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. Horizontalement, l'ensemble de l'ouvrage s'articule sur une trame unique et 35 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 entre la surface et la hauteur continue des façades et de la toiture. 40 Le dimensionnement de l'élément de base unitaire résulte de l'unicité de trames horizontales et verticales. L'ensemble est ainsi traité à 'Identique afin de former 42 une 'enveloppe structurale', constituée de ces éléments de base unitaire. 3 A la différence d'autres systèmes qui résultent de la rencontre d'une structure continue comme des pannes sablières, et d'éléments discontinus comme des poutres et traverses, qui supportent divers éléments constitutifs de l'enveloppe. Le dimensionnement de l'élément de base formant caisson varie selon la trame 5 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 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. 10 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 caractérise en une nouvelle unité de base, répétitive et assemblable à l'infini. Ce dispositif structurel généralise l'usage d'un élément de base unitaire, le caisson, dont les arêtes verticales sont orientées perpendiculairement au plan 15 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.4) 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 20 façade, rive constituée par les côtés droits des caissons en triangles rectangles. Le vide laissé en rives entre les deux faces de deux caissons voisins reçoit une pièce d'assemblage courante ; continue, discontinue, en bois, en composite etc. Cette disposition appliquant une trame homogène est d'une géométrie parfaite. Les propriétés géométriques du dispositif permettent d'éclater cette structure 25 auto-contreventée de surface élémentaire carrée, pour développer sa surface et son volume sur un rapport de proportionnalité qui n'en modifiera pas la logique. Le développement de l'ouvrage est identique dans les deux directions du plan et permet ainsi de conserver une toiture en pavillon. (FIG.5) S'il était inégal, le plan deviendrait rectangulaire, nécessitant la.création d'un faîtage. 30 Partant d'un ouvrage par principe modulaire qui s'assemble horizontalement, les 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 des caissons, standardisés à l'identique, dans les deux 35 directions orthogonales, sans modifier la structure générale, conçue initialement. 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 (FIG.6) 40 l'ouvrage ou l'unité d'habitation. Ce qui développe sensiblement la surface sans affecter l'aspect architectural de l'ensemble, à hauteur de volume proportionnel. Eventuellement, la hauteur peut être augmentée de manière à créer un niveau 43 intermédiaire en mezzanine, tout en préservant son aspect à l'ensemble. (FIG.10) 4 La condition imposée par ce dispositif aux panneaux libres est qu'ils respectent 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) Ce dispositif structurel est évolutif. La structure de l'ouvrage peut évoluer d'un 5 plan carré à un plan octogonal. Elle peut comporter des panneaux triangulés constitués par les caissons de base et des panneaux libres, standardisés aussi. 'Ces panneaux libres admettent des ouvertures ; fenêtres, portes. (FIG.8, FIG.9). Le dispositif de structure en caisson se distingue par son habitabilité et sa capacité à assembler plusieurs modules en les raccordant horizontalement, 10 selon le programme et sa destination. La combinaison de structures ainsi obtenue, ou son développé dans une seule direction, permet de répondre à de nombreux programmes, traditionnels ou de géométrie plus élaborée. L'unicité de l'élément de base formant caisson pour l'enveloppe et la structure, admet de nombreuses typologies de bâtiments, adapté à tout angle de pente de 15 toiture. Le dispositif permet d'unifier des pans de toitures ou de créer des baies dans ces toitures (FIG.11, FIG.12). Si la standardisation permet de rationaliser l'acte de construire, elle n'interdit pas d'associer ce nouveau dispositif structurel en caissons à d'autres logiques de structures, en particulier d'utiliser des structures supportant les planchers pour 20 renforcer ou soulager si besoin est, en fonction de la configuration. (FIG.10) Si le dispositif structurel en caissons offre des caractéristiques géométriques distinctives, il apporte également d'autres avantages techniques importants. Le dispositif structurel constitué de caissons solidaires est auto-stable. En effet, la structure en caisson est d'elle-même contreventée. Les caissons 25 triangulés sont individuellement contreventés par les panneaux de fonds de caisson. Et les caissons solidarisés entre eux de tous côtés sont eux-mêmes contreventés par les reports d'efforts continus qu'ils se transmettent. L'ensemble du dispositif structurel en caisson constitue un ouvrage ou une unité d'habitation, autoportant et auto-stable, de résistance mécanique élevée. 30 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 pour un aménagement paysager, lequel participe par l'inertie thermique à l'efficacité et à la transition énergétiques, dans une démarche environnementale. 35 L'élément de base tridimensionnel comporte des fonds qui participent à sa stabilité et à son isolation. Un fond en peau intérieure peut fermer le caisson pour renforcer l'isolation par un matériau isolant ou la création d'un vide d'air. Ce fond joue le rôle de pare-vapeur. Et peut renforcer la résistance au feu. De même, l'installation des fluides peut-être pré-montée avant de fixer le fond. 40 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. Et ce dispositif ne comprend que cinq pièces principales à fabriquer. 43 Ainsi, ce dispositif structurel en caisson s'inscrit dans une démarche industrielle. 5 La numérisation des éléments de parois de caissons à usiner est facilitée par l'orthogonalité d'angles. Le dispositif comprend cinq éléments de parois et fonds de petites sections, rapides à usiner en séries. Ce dispositif est particulièrement bien adapté à l'utilisation des ressources locales, comme les résineux et feuillus. 5 La modélisation de l'élément de base peut se décliner sous d'autres formes. Ainsi, certains matériaux bois recyclés comme les palettes pourraient convenir. 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, et convient aussi bien aux petits programmes, y compris en auto-construction, 10 qu'aux projets importants, en ouvrages uniques ou groupés, réduisant les coûts. L'assemblage des éléments de parois et de fond formant le caisson est simple et facile. Chaque élément de base est assemblé aux autres par liaisonnement des parois. L'assemblage mécanique est réalisé au moyen de vis, de boulons, etc. Ces pièces d'assemblage d'usage courant ont une fonction mécanique connue. 15 Les autres composants sont généralement en bois ou d'autres matériaux, bio- sourcés, par nature relativement légers et faciles à transporter et à manipuler. Ce mode d'assemblage se différencie des façades en caisson existantes, avec 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 20 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. Par la facilité de conception technique et architecturale, de fabrication en séries, d'assemblage et de levage-montage, ce nouveau dispositif structurel contribue à 25 la nouvelle architecture écologique, REVENDICATIONS1) Dispositif constructif éco-conçu pour les enveloppe structurelles, de préférence en matériaux renouvelables comme le bois ou composites bio-sourcés, destiné à toute typologie d'ouvrages de bâtiment, dont la géométrie du dessin de l'ouvrage est issue d'un design architectural, marquée par une homothétie en créant sa forme et ses lignes distinctives, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de base constitutif, répété à l'identique pour créer une 'enveloppe structurale', l'élément de base est un élément unitaire standardisé en caisson, de forme géométrique triangle rectangle, et de dimensions rigoureusement identiques, appliqué à l'ensemble de l'enveloppe structurelle de l'ouvrage. 2) Dispositif constructif selon la revendication 1, caractérisé par sa structure et son enveloppe, conçues en un ensemble unitaire et homogène, dénommé ; 'enveloppe structurale', constitué sur un tramage à l'identique des parois des façades et de la toiture, cette unité de tramage de l'ouvrage, résultant d'un élément de base unitaire standardisé en caisson, de dimensions rigoureusement identiques, en façades et en toiture. 3) Dispositif constructif selon les revendications 1 et 2, par sa représentation géométrique de l'ouvrage, en unités d'habitation ou modules en quatre-quarts, caractérisé par sa capacité d'ouverture suivant un rapport proportionnel de la de la surface et du volume développés de l'ouvrage, éventuellement au moyen d'ajout de panneaux libres aux ouvertures, qui seront identiques à l'élément de base unitaire, respectant ainsi la relation tridimensionnelle existant entre les éléments de base des façades et de la toiture, et dont l'unicité de 'l'enveloppe structurale' permet de raccorder les pans de toiture en un ensemble unitaire et homogène d'une géométrie parfaite, résultant d'un élément de base unitaire standardisé en caisson, de dimensions rigoureusement identiques. 4) Dispositif constructif selon les précédentes revendications, pour sa résistance mécanique, caractérisé par un ensemble homogène, continu, auto-stable et autoportant, constitué d'éléments tridimensionnels de base unitaire en caisson, tous à l'identique, chaque élément est contreventé et solidarisé aux éléments de parois contigus des éléments de base, pour former l'enveloppe structurelle, assurant la fonction mécanique structurelle de l'ouvrage, résultant d'un seul élément de base unitaire standardisé en caisson, de dimensions identiques. 5) Utilisation du dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1 à 4, pour une liberté d'interprétation selon les usages auxquels l'ouvrage sera destiné, sans limite particulière, caractérisé par une trame homogène et continue au niveau des changements d'orientation des parois ; parois de façades/toiture et arêtiers, respectant le plan de chaque paroi au moyen d'un vide recevant une pièce d'assemblage courante, cette liberté d'interprétation du dispositif, résultant d'un élément de base unitaire standardisé en caisson, 41 de dimensions rigoureusement identiques. 7 6) Utilisation du dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1 à 4, pour une fabrication en séries industrielles de l'élément de base unitaire en caisson, au moyen de cinq pièces principales de dimensions identiques et de petites sections, caractérisé par une orthogonalité des angles des éléments de 5 parois de l'élément de base pour simplifier la numérisation et découpe industrielles, cette fabrication en séries industrielles résultant d'un élément de base unitaire standardisé en caisson, de dimensions rigoureusement identiques. 7) Utilisation du dispositif constructif selon l'une quelconque revendication 1 à 4, 10 pour sa modularité caractérisé par son mode d'assemblage et 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 résultant d'un 14 élément de base unitaire en caisson de dimensions rigoureusement identiques.