Brevet FR3086309A1 — publié le 20200327

SYSTEME DE CONSTRUCTION MODULAIRE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la construction modulaire de bâtiments préfabriqués, et plus 5 particulièrement d'un ensemble de construction comprenant un réseau de poteaux et de poutres permettant l'agencement et le maintien des parois verticales et horizontales, et dont certaines intègrent en outre des moyens de circulation des fluides. Au moins une partie des parois est constituée de 10 panneaux de types SIF (structurants, isolés, finis). La section des poutres est substantiellement égale à la section des panneaux SIF. La présente invention se rapporte au domaine de la construction de bâtiments [IPC/EPC E04B], et notamment de 15 bâtiments de petit gabarit tels que les maisons individuelles, les logements groupés, les bureaux, les écoles et autres équipements collectifs (crèche, maisons de quartier, etc.). L'invention se rapporte plus particulièrement au domaine de la construction de bâtiment hors-site. 20 De telles constructions réduisent les délais, les coûts et les risques liés au chantier et ont également un impact positif sur l'environnement en limitant les nuisances occasionnées par la construction (bruit, pollution, logistique). L'invention se rapporte également au domaine de la 25 construction de bâtiments à haute performance énergétique et environnementale, notamment ceux répondant aux normes de 2 bâtiment basse consommation (telles que définis notamment par les référentiels RT-2012, RT 2020, Passivehaus). De tels bâtiments sont caractérisés en premier lieu par une faible consommation énergétique obtenue en optimisant l'isolation thermique, l'étanchéité à l'humidité et à l'air, la ventilation, et l'inertie thermique. Dans le cadre du présent brevet, les termes ci-dessous seront interprétés comme suit : - Construction hors-site ("off-site") : désigne un procédé de construction consistant à construire en tout ou partie un bâtiment hors de son site d'implantation, par exemple dans un atelier ou une usine, par opposition à la construction traditionnelle sur-site, qui consiste à acheminer les différents matériaux pour ériger la structure du bâtiment sur son site d'implantation. - Construction modulaire : construction réalisée par assemblage d'éléments (modules) préfabriqués en usine, permettant éventuellement la réutilisation et réplication en série des dits éléments. - Construction modulaire "3D" : construction modulaire constituée de volumes partiellement ou totalement préfabriqués et pré-assemblés en usine puis transportés et installés sur site. - Construction modulaire "2D" : construction modulaire constituée d'éléments surfaciques ou panneaux : planchers, murs, toitures, cloisons, préfabriqués en usine et assemblés sur site. - Construction en kit : construction sur site à partir d'éléments pré-découpés en usine. - Panneaux sandwich : panneaux composés de différentes couches. - Panneaux SIP ("Structural Insulated Panel") : panneaux sandwichs comprenant au moins une couche structurelle et une couche isolante. 3 - Panneaux SIF ("Structurants Isolés Finis") : panneaux sandwichs de type SIP incluant en outre les finitions intérieures / extérieures. - Fluides (Circulation des / Gestion des) : désigne les moyens 5 assignés à la gestion des éléments non-solides du bâtiment (eau, électricité, gaz, air). Généralement, les fluides comprennent la plomberie (arrivée, départ d'eau usée et d'eau de pluie), le chauffage et la ventilation, la distribution des sources d'énergie (gaz et électricité). 10 - Inertie thermique : capacité des matériaux à conserver leur température. - Déphasage : capacité des matériaux à retarder les variations de température. Hygrométrie : quantité de vapeur d'eau dans l'air, humidité 15 ambiante. État de la technique Pour obtenir des hautes performances, l'homme du métier connaît notamment des procédés visant à améliorer les procédés traditionnels de maçonnerie (constructions en parpaing, 20 brique, pierre, etc.) afin d'améliorer l'isolation thermique et l'étanchéité des bâtiments. Cela peut consister à isoler les constructions par l'extérieur ou bien à employer des matériaux ou des composants assurant une meilleure isolation thermique (par exemple, des blocs de coffrage isolant, des briques en 25 polystyrène expansé, du béton cellulaire, etc.). Cependant, de tels procédés ne permettent pas à l'homme du métier de réduire significativement le temps et l'empreinte environnementale du chantier de construction (nombres d'étapes réalisées sur site, utilisation du béton, rotation de camions toupie, etc.). L'homme 30 du métier souhaitant satisfaire ces exigences se tournera donc vers des méthodes de constructions alternatives à la maçonnerie et privilégiera des procédés réduisant la durée et les nuisances du chantier. De préférence, l'homme du métier cherchera des 4 procédés permettant de pré-fabriquer hors-site tout ou partie des sous-ensembles de la construction finale. Un premier procédé connu de l'art antérieur consiste à utiliser une structure de type ossature en acier ou en bois. 5 Une paroi en ossature bois est typiquement composée de madriers verticaux fixés à une planche de contreventement (par exemple : panneau structurel orienté (OSB), FERMACEL (Nom commercial)). Un matériau isolant est intercalé entre les madriers. L'ensemble forme un caisson qu'il faut par la suite 10 habiller avec au moins une couche d'étanchéité, une couche de finition extérieure (bardage) et éventuellement une couche de finition intérieure (plaque de plâtre, lambris, etc.). Inconvénients : solidité, peu d'inertie (déphasage). Enfin, la réalisation des caissons requiert de nombreux composants 15 (visserie et éléments en bois) et de nombreuses opérations d'assemblage. En outre, ce type de système constructif offre peu d'inertie, un faible déphasage et une faible résistance acoustique dont résulte une mauvaise absorption des fréquences basses. 20 Un deuxième procédé consiste à utiliser le matériau isolant comme élément structurel. Ainsi le brevet US 9574347 B2/FR2997977 (Pop-up) propose un procédé de construction mettant en oeuvre des parois composées essentiellement de panneaux en matériau isolant de faible 25 densité, par exemple de la mousse expansée de polystyrène. Lesdits panneaux sont assemblés entre eux en interposant des planches, constituées par exemple de bois lamellé-collé, la largeur des dites planches étant substantiellement égale à l'épaisseur des panneaux. Les planches 30 sont fixées entre elles par des moyens de fixation, par exemple 5 des tiges filetées, traversant les panneaux isolants de part en part, ce qui assure la rigidité de l'ensemble et le contreventement des parois. Ce procédé ne propose en revanche aucune solution pour intégrer les fluides et les finitions, qui 5 doivent ainsi être réalisées ultérieurement sur le site d'implantation, une fois le bâtiment clos et couvert. Un troisième procédé connu consiste à utiliser des panneaux structurels isolés pour constituer les parois verticales (les murs) et horizontales (les planchers et 10 plafonds). De tels panneaux sont des panneaux sandwich, c'est-à-dire composés de plusieurs couches, chaque couche assurant une fonction spécifique. L'art antérieur connait de nombreuses variantes de panneaux structurels isolés, dont la composition varie selon l'usage et les matériaux choisis. Un panneau 15 structurel isolé est généralement composé d'au moins une couche structurelle en matériau porteur (par exemple du bois massif lamellé-croisé, du béton ou bien un matériau composite) et d'au moins une couche de matériau isolant (par ex : mousse expansée, laine, fibre minérale, Un panneau structurel isolé peut 20 éventuellement comporter au moins une couche d'étanchéité à la pluie, au moins une couche pare-vapeur, au moins une couche de finition (bardage, enduit, plaque de plâtre, plancher). Le panneau sandwich peut en outre comporter des entretoises pour espacer certaines des couches et subsidiairement des lattes pour 25 fixer la finition sur lesdites entretoises. On connaît aussi le brevet français FR3028273 de la société Logelis, qui décrit un procédé consistant à utiliser une succession de panneaux sandwich composés de deux faces structurelles (par exemple des panneaux de matériau composite 30 de 10-15 mm d'épaisseur) et d'une âme d'environ 150-200 mm de matériau isolant, par exemple du polyuréthane. La surface de l'isolant est substantiellement inférieure à celle des panneaux structurels. Ceci permet d'insérer un poteau de liaison vertical 6 isolé (en bois, béton ou métal et matériau isolant) entre chaque panneau, facilitant la mise en place et le maintien vertical des panneaux. Les panneaux préfabriqués peuvent en outre intégrer une ou plusieurs réservations pour des gaines électriques. Cette 5 solution offre ainsi de multiples avantages : elle ne nécessite pas l'ajout de couches de finition (intérieure / extérieure) ; elle est facile à pré-fabriquer et à installer sur site et elle intègre l'électricité. L'homme du métier ne trouvera cependant ici aucune solution à la gestion de l'écoulement des eaux ni de 10 la ventilation. En outre l'homme du métier cherchant également à optimiser les performances énergétiques et environnementales cherchera des solutions employant des matériaux offrant une meilleure inertie, un meilleur déphasage, une meilleure isolation acoustique ainsi qu'une meilleure régulation de 15 l'hygrométrie. On connaît aussi le brevet américain US6931803 décrivant une solution consistant à utiliser une structure poteau-poutre. La solidité de la construction est assurée par la fixation des poteaux et des poutres. Les parois ne jouent pas 20 ici de rôle structurant et peuvent donc être constituées librement de tout type de panneaux, notamment des panneaux de type sandwich tels que décrits précédemment. Ce document de l'art antérieur décrit ainsi un procédé de mise en oeuvre de panneaux par l'intermédiaire de poutres en plastique extrudées 25 permettant de connecter les éléments verticaux et horizontaux. En revanche, ce document ne divulgue aucun enseignement permettant à l'homme du métier d'intégrer la circulation des fluides. Inconvénients des solutions antérieures 30 Les solutions de l'art antérieur mettant en oeuvre des panneaux structurants isolés présentent l'inconvénient du 7 poids, du coût, de l'encombrement et des difficultés de transports de ces structures. Les solutions mettant en oeuvre des isolants structurants (pop-up) présentent l'inconvénient d'une 5 résistance médiocre aux intempéries (sismique, contreventement), une durabilité limitée (vieillissement de l'isolant) et une faible tenue au feu. Elles nécessitent également des travaux de finition et de second oeuvre importants. Les solutions utilisant une ossature présentent une 10 faible inertie et impliquent des opérations d'assemblage et de finition complexes et fastidieuses. Le principal problème de ces solutions connues dans l'état de la technique est la complexité de mise en oeuvre sur le chantier. Ces systèmes ne résolvent pas, ou alors 15 partiellement, la complexité technique de la gestion des fluides et de la finition, qui nécessite, une fois le bâtiment hors d'eau et hors d'air, plusieurs mois de chantier. Solution apportée par l'invention Pour contourner ce problème, l'homme du métier peut 20 se tourner vers la construction modulaire 3D, qui consiste à pré-fabriquer des volumes finis qui peuvent le cas échéant intégrer la finition et la circulation des fluides. Ce type de constructions préfabriquées est extrêmement limité par les contraintes géométriques imposées par le transport de l'usine 25 vers le site d'implantation. Le but recherché par l'invention est de fabriquer des maisons hautement performantes à moindre coût et moindre délai en assemblant sur site des modules préfabriqués intégrant 8 l'ensemble des éléments nécessaires (gros-oeuvre, second oeuvre, finition.). Pour cela il faut résoudre les problèmes de mise en oeuvre suivant : 5 - Assemblage / fixation des modules - Circulation des fluides - Écoulement des eaux pluviales - Ventilation - Électricité (Courant Fort/ Courant Faible) 10 - Alimentation Eaux (froide / chaude) - Évacuation Eaux usées. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué comprenant des éléments horizontaux et des 15 éléments verticaux ainsi que des éléments d'assemblage caractérisé en ce que lesdits éléments horizontaux, verticaux et d'assemblage sont constitués par un premier panneau formant l'une des faces longitudinales, un second panneau formant une couche structurante sur la face longitudinale opposée, et un 20 matériau isolant disposé entre lesdites faces longitudinales, une partie au moins desdits éléments d'assemblage comprenant en outre des conduits de fluide et/ou un câblage électrique. Avantageusement, une partie au moins desdits éléments présente des connecteurs mâles insérés à intervalle 25 régulier sur le chant desdits éléments, et des connecteurs femelles insérés symétriquement et en vis-à-vis sur les chants correspondants. 9 De préférence le chant des éléments d'assemblage est usiné à chaque point d'insertion d'un connecteur femelle pour créer une tranchée au fond de laquelle est logé le connecteur femelle. 5 Avantageusement, ladite tranchée est plus large sur le bord du chant de l'élément d'assemblage pour faciliter l'insertion du connecteur mâle. Selon une variante, la partie structurante inférieure des éléments d'assemblage est composée d'une équerre 10 renforcée par un profilé métallique de section rectangulaire définissant un conduit pour la ventilation de l'air. Avantageusement, des orificessont percés régulièrement le long des faces intérieures dudit profilé. De préférence, lesdits orifices traversent également 15 l'équerre structurante. Avantageusement, l'épaisseur U desdits éléments verticaux correspond à la section desdits éléments d'assemblage, la longueur desdits éléments verticaux étant un multiple de U. L'invention concerne aussi un procédé de 20 construction d'un bâtiment préfabriqué conforme à la structure susvisée caractérisé en ce que l'on procède successivement : - à la pose d'un ou plusieurs modules horizontaux pour constituer un plancher, - à la connexion d'un réseau de poutres inférieures 25 sur toutes les faces latérales du ou des modules horizontaux, 10 - à l'élévation des parois verticales en connectant une série de modules verticaux et de poteaux sur la face supérieure des poutres inférieures, - à la dépose d'un second réseau de poutres 5 horizontales auxquelles seront finalement connectées des panneaux horizontaux pour composer la toiture ou le niveau supérieur. Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation 10 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés : - La figure 1 est une vue éclatée et en perspective du principe constructif par connexion de panneaux à l'aide de poutres 15 d'angles - La figure 2 est une deuxième vue éclatée en perspective illustrant un bâtiment construit selon le principe constructif - La figure 3 est une coupe latérale montrant l'alignement 20 d'une poutre d'angle, d'un panneau SIF horizontal (toiture), et d'un panneau SIF vertical (mur) - La figure 4 est une coupe latérale illustrant un bâtiment dont les dimensions sont des multiples de la section des modules 25 - La figure 5 est une vue en perspective d'un connecteur métal de type mâle et d'un connecteur métal de type femelle pour la fixation des modules entre eux - La figure 6 est une vue en perspective d'une poutre intégrant une série de connecteurs métalliques invisibles de type 30 femelles 11 - Les figures 7a et 7b sont des coupes latérales d'une poutre configurée pour intégrer les fluides - La figure 8 est une vue en perspective d'une poutre configurée pour intégrer les fluides 5 - La figure 9 est une vue en coupe d'un poteau configuré pour intégrer les fluides - La figure 10 est une vue en perspective d'une pièce d'angle située à l'intersection de deux poutres supérieures. Description détaillée 10 Le principe général de l'invention consiste à construire un bâtiment en assemblant sur le site d'implantation des modules 2D préfabriqués, tel que le montre la figure 1. La structure est ainsi constituée d'éléments horizontaux (tels que des planchers, toitures, verrières, balcons) et verticaux (tels 15 que des murs, cloisons, menuiseries) assemblés entre eux par l'intermédiaires de poteaux, de poutres et de pièces d'angle. Pour élever le bâtiment on pose d'abord un ou plusieurs modules horizontaux pour constituer un plancher (1). On connecte ensuite un réseau de poutres inférieures (2) sur 20 toutes les faces latérales du ou des modules horizontaux. On élève ensuite les parois verticales en connectant une série de modules verticaux (3) et de poteaux sur la face supérieure des poutres inférieures. Puis on dépose un second réseau de poutres horizontales (4) auxquelles seront finalement connectés des 25 panneaux horizontaux (5) pour composer la toiture ou le niveau supérieur. La figure 2 montre que les parois et les planchers sont composés au moins en partie de panneaux structurants et peuvent également intégrer des éléments non structurants (par exemple des fenêtres). Lorsqu'ils sont en contact avec 30 l'extérieur, les panneaux peuvent être de types sandwich et avantageusement de type SIF (structurants, isolés, finis). La 12 figure 3 montre en coupe un panneau SIF vertical (6), un panneau SIF horizontal (toiture) (7) et une poutre d'angle (8). Le matériau utilisé pour la couche structurante (9) des panneaux importe peu pour la compréhension et la mise en oeuvre de 5 l'invention. De préférence, cette couche peut être constituée de bois lamellé, par exemple du CLT (en anglais « Cross Laminated Timber »), du LVL ou du Lamibois (nom commercial). L'homme du métier pourra alternativement employer d'autres matériaux (panneaux en béton ou en matériau composite). 10 La couche isolante (10) est constituée d'un isolant quelconque (ex : laine de bois, laine minérale, polystyrène). La finition intérieure peut être le matériau structurant laissé brut, ou une couche de finition (plâtre, peinture, Placoplâtre (Nom commercial)) non montrée sur la figure. 15 La finition extérieure est quelconque (bardage bois, fibrociment, tôle, enduit). La composition précise de chaque panneau sandwich est adaptée en fonction de sa fonction (plancher, plafond, toiture, mur, cloison intérieure) et du matériau choisi pour la couche structurante. Par exemple, comme 20 on le voit sur les figures 1, 2 et 3 les panneaux formant la toiture comprennent une face extérieure en légère pente pour permettre l'évacuation des eaux pluviales. On retiendra cependant que, bien qu'ayant des compositions différentes, les panneaux sandwichs sont conçus pour que leur épaisseur totale 25 soit substantiellement équivalente à la section de la poutre (noté U sur la figure 3). En outre, cette caractéristique permet éventuellement d'unifier les dimensions des différents modules (figure 4). En effet, utiliser un système dimensionnel standardisé basé sur des multiples de l'unité U (par exemple 30 U=40cm) offre un avantage considérable à l'homme du métier, dans la mesure où peuvent être produits en série des modules par la suite utilisés dans une grande variété de projet différents. 13 Les panneaux et les poutres peuvent être fixés entre eux en utilisant les techniques connues de l'homme du métier (vis, chevilles, colles). Néanmoins, pour faciliter et accélérer l'assemblage sur site du bâtiment, un mode d'assemblage 5 privilégié consiste à employer des connecteurs mâles et femelles. La figure 5 illustre un exemple de connecteur mâle (11) femelle (12). Les connecteurs mâles sont insérés à intervalle régulier sur le chant des différents panneaux tandis que les connecteurs femelles sont insérés symétriquement et en 10 vis-à-vis sur les chants correspondant des poutres (figure 6). Les connecteurs peuvent être alignés ou en quinconce. Pour guider le connecteur mâle et rendre la connexion poutre-panneau invisible, le chant de la poutre est usiné à chaque point d'insertion d'un connecteur femelle pour créer une tranchée (13) 15 au fond de laquelle est logé le connecteur femelle (14). Avantageusement, la tranchée est substantiellement plus large sur le bord du chant de la poutre pour faciliter l'insertion du connecteur mâle. Un des problèmes que cherche à résoudre l'invention 20 étant la gestion des fluides, on utilise la structure intérieure des poteaux et des poutres pour faire circuler le réseau électrique, la ventilation et l'évacuation des eaux pluviales. Ainsi, tout en jouant un rôle structurant et isolant, les poteaux et les poutres servent de coffre technique pour aménager le 25 passage des fluides. Les figures 7a et 7b illustrent un mode de mise en oeuvre des poutres. Les poutres sont ici composées de deux parties. La partie structurante inférieure (15) est composée d'une équerre (16) (par exemple lamellé-collé) renforcée par un profilé métallique (17) de section 30 rectangulaire. Le profilé fait à la fois office de cornière et de tuyau pour la ventilation de l'air. Pour cela, des orifices sont percés régulièrement (idéalement selon un intervalle égal à l'unité U) le long des faces intérieures du profilé. Ces orifices (21) traversent également l'équerre structurante, comme 14 on le voit sur la vue en perspective de la poutre (figure 8). Le long du profilé, un chemin de câble (18) est aménagé pour faire passer le réseau électrique (courant fort, courant faible, câbles coaxiaux, Ethernet, fibres, etc.). La partie supérieure 5 de la poutre (19) intègre l'isolant et est terminée par un chenal (20) (moulé ou extrudé) permettant l'évacuation des eaux pluviales qui s'écoulent depuis les panneaux de toiture. Une membrane étanche (par exemple en EPDM) recouvrant le chenal (20) et chevauchant sur plusieurs centimètres le panneau de toiture 10 adjacent assure l'étanchéité de l'ensemble. La structure des poteaux (figure 9) est comparable à celle des poutres. Elle contient également une partie structurante, un isolant, un profilé pour la ventilation et un chemin de câble pour acheminer le réseau électrique. La 15 connexion entre les poutres et les poteaux s'effectuent au moyen d'une pièce d'angle REVENDICATIONS1 - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué comprenant des éléments horizontaux et des éléments verticaux ainsi que des éléments d'assemblage caractérisé en ce 5 que lesdits éléments horizontaux, verticaux et d'assemblage sont constitués par un premier panneau (6, 7, 8) formant l'une des faces longitudinales, un second panneau (9) formant une couche structurante (9) sur la face longitudinale opposée, et un matériau isolant (10) disposé entre lesdites faces 10 longitudinales, une partie au moins desdits éléments d'assemblage comprenant en outre des conduits de fluide et/ou un câblage électrique (18). 2 - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une 15 partie au moins desdits éléments présente des connecteurs mâles insérés à intervalle régulier sur le chant desdits éléments, et des connecteurs femelles insérés symétriquement et en vis-à-vis sur les chants correspondants. 3 - Ensemble de construction d'un bâtiment 20 préfabriqué selon la revendication 2 caractérisé en ce que le chant des éléments d'assemblage est usiné à chaque point d'insertion d'un connecteur femelle pour créer une tranchée (13) au fond de laquelle est logé le connecteur femelle (14). 4 - Ensemble de construction d'un bâtiment 25 préfabriqué selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite tranchée est plus large sur le bord du chant de l'élément d'assemblage pour faciliter l'insertion du connecteur mâle. - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué selon la revendication 1 caractérisé en ce que la 16 partie structurante inférieure (15) des éléments d'assemblage est composée d'une équerre (16) renforcée par un profilé métallique (17) de section rectangulaire définissant un conduit pour la ventilation de l'air. 5 6 - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué selon la revendication précédente caractérisé en ce que des orifices (21) sont percés régulièrement le long des faces intérieures dudit profilé. 7 - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits orifices (21) traversent également l'équerre structurante. 8 - Ensemble de construction d'un bâtiment préfabriqué selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur U desdits éléments verticaux correspond à la section desdits éléments d'assemblage, la longueur desdits éléments verticaux étant un multiple de U. 9 - Procédé de construction d'un bâtiment préfabriqué conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que 20 l'on procède successivement : - à la pose d'un ou plusieurs modules horizontaux pour constituer un plancher (1), - à la connexion d'un réseau de poutres inférieures (2) sur toutes les faces latérales du ou des modules horizontaux, 25 - à l'élévation des parois verticales en connectant une série de modules verticaux (3) et de poteaux sur la face supérieure des poutres inférieures, - à la dépose d'un second réseau de poutres horizontales (4) auxquelles seront finalement connectés des 17 panneaux horizontaux (5) pour composer la toiture ou le niveau supérieur.