Comparaison et analyse des logements résidentiels à structure légère en acier

Comparaison et analyse des logements résidentiels à structure légère en acier

Résumé — Les bâtiments résidentiels à structure légère en acier présentent des caractéristiques écologiques, économes en énergie et respectueuses de l'environnement. Ces dernières décennies, l'utilisation des structures en acier laminées à froid a suscité un intérêt croissant dans tous les aspects de la construction, et de nombreux pays développés ont connu des développements significatifs dans ce domaine. Cependant, dans certains pays en développement, la construction résidentielle à structure légère en acier n'en est qu'à ses débuts. Cet article présente quelques caractéristiques des bâtiments résidentiels à structure légère en acier et l'état actuel de la recherche. Sur cette base, nous analysons et étudions en détail les bâtiments résidentiels à structure légère en acier en Amérique du Nord, au Japon et en Europe, et en présentons certaines caractéristiques. Ensuite, nous présentons, en fonction des conditions particulières de la Chine, l'état de développement et les caractéristiques des bâtiments résidentiels à structure légère en acier, notamment certains concepts d'habitat traditionnel et les bâtiments résidentiels à structure lourde en acier. Sur la base de ces études, des suggestions et des contre-mesures sont formulées. Ces travaux sont jugés importants et utiles pour promouvoir l'industrialisation du logement en Chine.

Mots clés - structure en acier léger ; composant ; bâtiment résidentiel ; structure formée à froid ; multicouche faible

I. INTRODUCTION

Avec le développement du secteur de la construction, l'évolution des systèmes et des matériaux de construction est devenue la tendance actuelle en matière de construction résidentielle. Ces dernières années, face à l'amélioration continue du niveau de vie, les exigences en matière de logement et de stabilité, notamment pour les immeubles de faible hauteur, sont plus élevées. Il est donc urgent de rechercher, de développer et de promouvoir des solutions architecturales esthétiques, performantes, pratiques, rapides et économiques, ainsi que des systèmes de construction résidentiels rationnels, afin de remplacer l'architecture existante.

Les logements à structure légère en acier reposent sur des éléments en acier économique comme ossature porteuse, des plaques de pression ou des tôles comme enveloppe murale légère, et des boulons et autres connecteurs et matériaux d'étanchéité haute résistance comme composants porteurs, notamment pour les bâtiments résidentiels préfabriqués assemblés sur site [1]. Le principal matériau de construction des logements à structure légère en acier est la quille en acier léger galvanisé, composant structurel majeur. Son principal avantage réside dans la garantie de propriétés résidentielles de qualité, ainsi que dans la légèreté de la maison construite, son poids propre, son haut degré de préfabrication, sa rapidité de construction et sa faible intensité de main-d'œuvre [2,3]. Comparés aux logements traditionnels, les logements à structure légère en acier présentent les avantages suivants : une structure stable ; un faible coût ; une portée plus importante que celle des bâtiments en béton ; l'acier galvanisé offre une excellente résistance à la corrosion, une grande durabilité et une longue durée de vie. Cependant, les logements en acier léger en Chine sont encore en phase de développement. De sérieux problèmes subsistent dans la conception résidentielle, nécessitant des études plus approfondies. À cette fin, cet article analyse et compare les habitations en acier léger et présente les caractéristiques des habitations en acier léger, tant étrangères que nationales. Nous proposons également quelques suggestions judicieuses.

L'article est organisé comme suit. La section 2 décrit les caractéristiques des logements en acier léger à l'étranger. La section 3 décrit l'évolution actuelle de l'acier léger et des caractéristiques des logements résidentiels en acier en Chine. La conclusion est donnée dans la dernière section.

II. LOGEMENTS EN ACIER LÉGER À L'ÉTRANGER

A. Logements en acier léger nord-américains Les logements en acier léger nord-américains sont constitués d'une structure en bois présentant des caractéristiques de structure en bois léger. Sur le marché résidentiel nord-américain, ils représentent 20 % de la part [4]. L'ossature du logement est principalement un système de quille en acier en forme de C formé à froid et généralement des maisons de villa d'un à deux étages construites dans les régions à forte incidence sismique en Californie et dans d'autres régions. Certains logements en acier léger en Amérique du Nord sont présentés dans la figure 1.

En réalité, ce système d'acier léger est très mature en Amérique du Nord. Il permet désormais de construire des immeubles résidentiels à plusieurs étages grâce à cette technique, de cinq à six couches. Il convient de noter que la recherche la plus active aux États-Unis porte sur les structures en acier formé à froid. Cela s'explique par le développement de l'industrie connexe, notamment dans le secteur des maisons individuelles, et par la hausse du prix du bois. Ainsi, les maisons à ossature métallique deviennent de plus en plus économiques[5]. Pekoz [6] indique qu'aux États-Unis, environ 500 maisons ont été construites en acier léger en 1992. Ce nombre est passé à 15 000 en 1993 et à 75 000 en 1994. On estime que ce nombre aura quintuplé d'ici 2002. Les principaux éléments de charpente de ce type de construction sont les poteaux muraux et les solives de plancher en acier formé à froid. Des fermes de toit ou chevrons en acier léger sont également utilisés. À l'heure actuelle, les États-Unis ont produit un tel système de quille pour une centaine d'entreprises. Parmi elles, la célèbre entreprise Dietrich, filiale de Worthington Industrial Company, a développé le système DBS pour la construction de logements multi-étages en acier léger [4]. Grâce à la technologie DBS, des structures résidentielles multi-étages en acier léger peuvent être construites. Les murs sont recouverts de plaques de plâtre à profil en C sur les deux faces et le plancher est constitué d'une quille en acier léger de type C, posée sur un panneau de fibrociment de 20 mm d'épaisseur. Le tout est rempli d'une entretoise isolante en laine de verre, qui assure un effet acoustique. Aux États-Unis, les profilés en C formés à froid sont couramment utilisés comme éléments de fermes de toit [7]. En réalité, les premières formes de pannes étaient des profilés à rebord simple et des profilés en Z. Le profilé simple a évolué vers les Multibeam Marks I, II et III, ce dernier étant doté d'un rebord composé. Une tendance similaire est observée dans l'évolution des profilés en Z vers les profilés en Z et en Ultraz, comme illustré à la figure 2 [6]. Les éléments formés à froid peuvent être produits dans une grande variété de profils. Les composants les plus couramment utilisés sont les profilés en C et les profilés en Z, illustrés à la figure 3 [10]. En Amérique du Nord, l'acier léger est utilisé dans les maisons individuelles et les maisons de ville en raison de sa faible isolation phonique. Pour résister aux vents latéraux et aux secousses sismiques, le système résidentiel américain à structures multi-légères en acier utilise deux méthodes : l'utilisation de murs de refend en acier léger ou de structures porteuses à ossature métallique transversale. Les murs de refend en acier léger sont généralement installés dans les maisons, en tôle d'acier galvanisée de 0,5 mm, plaquée de plaques de plâtre, puis fixés sur des poteaux muraux en acier léger. De la même manière que la contrainte de cisaillement se forme dans la structure de peau, entre chaque couche, un composant spécial du mur de refend relie les étages supérieurs et inférieurs afin de transférer efficacement le cisaillement et la tension horizontaux dus à la force horizontale agissant sur les poteaux muraux produits. En zone sismique, afin d'assurer la sécurité structurelle, le support du cap avec une croix est utilisé comme structure à ossature métallique résistante aux forces latérales, formant ainsi un système architectural hybride, où l'acier léger supporte les charges verticales et l'acier ordinaire les charges horizontales. Pour garantir l'isolation des murs, outre les poteaux muraux remplis de fibre de verre, une couche d'isolant est collée sur le mur extérieur. L’utilisation de cette méthode permet de couper efficacement le pont thermique entre les montants muraux et les panneaux muraux.

B. Construction résidentielle en tôle d'acier au Japon

Le Japon étant une zone sismique exposée et l'acier léger présentant de bonnes caractéristiques de résistance aux effets sismiques, ce matériau est populaire localement. Conformément à ses caractéristiques propres, le Japon construit des logements en acier léger, notamment en tôle d'acier, comme illustré à la figure 4 ci-dessous [8,9]. Cette structure utilise un nouveau procédé de construction, à savoir une combinaison d'acier galvanisé formé à froid non soudé, également appelée acier 2 × 4, qui est une construction résidentielle artisanale avec une structure en tôle nervurée. Cette structure est une forme architecturale d'origine nord-américaine. Les panneaux muraux et le plancher sont construits en bois à base de caissons. Cependant, dans les logements en tôle d'acier, la tôle est remplacée par de l'acier d'une épaisseur d'environ 1,0 mm. Des plaques de plâtre légères sont fixées sur deux côtés. Cette méthode permet d'obtenir des performances structurelles globales telles que la stabilité, la durabilité, l'isolation thermique et phonique, etc.

En réalité, ce bâtiment à structure en tôle d'acier allie les atouts et les avantages de l'acier et des nervures en tôle. Les essais réalisés par les constructeurs ont démontré d'excellentes performances, notamment en termes de résistance aux séismes, de résistance aux charges de vent et de résistance aux charges de neige. En 2003, les Japonais ont remplacé le bois par une fine quille en acier. Afin de respecter les caractéristiques architecturales, les normes de construction japonaises, les prescriptions spécifiques concernant l'installation de systèmes d'extinction automatique d'incendie et d'évacuation d'air automatique, ainsi que la décoration intérieure, réduisent les transferts de chaleur entre les murs.

C. Bâtiments résidentiels économes en énergie en Europe

L'Allemagne a commencé à mettre en œuvre la nouvelle spécification énergétique des bâtiments en 2002 [9]. Son point central est la quantification de la consommation énergétique. La consommation énergétique de chaque logement est requise pour fournir les calculs énergétiques aux autorités compétentes, documents nécessaires. Cela a un impact majeur sur le développement résidentiel et le marché des matériaux de construction du pays. Pour les bâtiments résidentiels économes en énergie, la Suède utilise autant que possible les énergies renouvelables, notamment l'énergie éolienne, l'énergie solaire, la géothermie et d'autres sources d'énergie, et intègre ces technologies. En bref, les pays européens se concentrent davantage sur l'étude de l'efficacité énergétique et de la construction écologique. Désormais, les composants en acier formé à froid peuvent être assemblés rapidement et avec précision en unités structurelles complètes pour être livrés sur site. Au Royaume-Uni, la plupart des hôtels et motels de périphérie sont désormais construits de cette manière. Le secteur britannique de la construction utilise actuellement plus de 300 000 tonnes de produits en acier formé à froid par an, et ce taux de consommation est en constante augmentation [10].

III. LOGEMENTS EN ACIER LÉGER EN CHINE

A. L'état de développement des logements en acier léger

En Chine, la construction résidentielle a longtemps été dominée par le béton. Ce matériau n'est plus adapté aux bâtiments écologiques actuels, car il nécessite des matériaux de grande taille et de longs délais de construction. La Chine étant le premier producteur mondial d'acier depuis 1996, comme le montre la figure 5, le gouvernement a commencé à encourager son utilisation dans le génie civil. Avec la croissance constante de l'industrie de transformation de l'acier de construction, la construction de structures métalliques en Chine est entrée dans une phase de développement rapide [11]. On passe ainsi de la structure en béton à la construction en acier ordinaire, puis de la construction en acier ordinaire à la structure en acier léger. Le développement de la construction résidentielle en acier ne recherche pas de technologies de pointe ni d'outils spéciaux, mais plutôt des technologies de construction matures, intégrées et pratiques, comme dans les pays européens. Dans le processus d'intégration, la clé réside dans la structure détaillée et la convergence mutuelle.

Les composants en acier léger sont facilement produits en usine, avec un haut degré de mécanisation, une forte commercialisation et une construction rapide sur site. De plus, cela n'affecte pas les riverains et favorise grandement la construction de la civilisation. L'acier léger est un produit respectueux de l'environnement et du développement durable, et ses indicateurs économiques globaux ne sont pas supérieurs à ceux des structures en béton armé. Par conséquent, la légèreté et la bonne résistance sismique des bâtiments en acier léger doivent devenir la norme dans le secteur de la construction. Le secteur du bâtiment est actuellement en pleine transformation.

B. Les caractéristiques des logements en acier léger

L'acier léger est un concept nouveau au départ. Avec l'amélioration du niveau de vie, il s'est progressivement imposé. Dans certaines grandes villes chinoises, comme Pékin, Shanghai et d'autres, des bâtiments résidentiels à structure légère en acier ont été implantés grâce à l'introduction de technologies nord-américaines et japonaises. Actuellement, la plupart des logements en acier léger en Chine sont des logements légers et économes en énergie, utilisant une structure à ossature métallique, des murs légers, un plancher léger et un toit léger. L'utilisation d'acier soudé à poutrelles en H ordinaires, de profilés en H laminés à chaud de petite section ou d'acier droit, et la combinaison de parois anti-profilées et d'un coefficient de charge latérale, permet de construire des structures multicouches. Ce système est conforme à notre système de spécifications actuel et répond aux exigences sismiques [9]. En 2011, la Chine a publié et mis en œuvre le « Règlement technique de construction de bâtiments en acier formé à froid de bas niveau », qui intègre et promeut le système de quille en acier formé à froid d'Amérique du Nord. Lors de la conception de murs porteurs en acier profilé à froid en C et en U, les murs porteurs sont constitués de poteaux, de poutres de guidage supérieures et inférieures, de supports, d'entretoises et de contrefiches, de panneaux muraux et d'autres composants structurels [12], comme illustré à la figure 6 ci-dessous. Malgré les spécifications pertinentes, cette structure reste peu répandue. Bien que la structure en acier léger présente certains avantages, tels que sa légèreté, son excellente résistance sismique, sa courte durée de construction et sa stabilité structurelle, elle présente également des problèmes nécessitant des solutions, tels qu'un niveau sonore élevé et une faible réfractarité. Cette courte durée de construction est aujourd'hui méconnue et sa sécurité et sa fiabilité ne sont pas garanties.

Mais ce type de bâtiment en acier léger représente une tendance de développement pour l'architecture chinoise et nécessite que davantage de chercheurs étudient sa sécurité, sa fiabilité et sa durabilité. En bref, la Chine est à l'avant-garde des bâtiments résidentiels légers à structure métallique et a encore beaucoup de chemin à parcourir. Comparé aux pays développés, de nombreuses questions se posent et la Chine accuse encore un retard important. Ce type de bâtiment doit être continuellement amélioré et perfectionné [13].

C. Recommandations et stratégies

Les logements résidentiels à structure légère en acier se caractérisent par leurs excellentes performances, leur légèreté, leur haut niveau de fabrication, leur rapidité de construction et leur faible intensité de main-d'œuvre. Ils se sont progressivement développés aux États-Unis et en Europe au cours des trois dernières décennies, créant ainsi un ensemble de technologies très abouties. Aujourd'hui, de nombreuses entreprises nationales et étrangères souhaitent systématiquement migrer vers la Chine, mais cette démarche est insensée. Les raisons sont les suivantes :

1) Il n’existe pas de spécification systématique pour l’acier léger.

Bien que le règlement technique sur les structures en acier formé à froid ait été promulgué en 2011, il est difficile d'envisager la fabrication de composants porteurs majeurs d'une épaisseur d'acier inférieure ou égale à 2 mm. Concernant les systèmes de supports à ossature métallique galvanisée, largement utilisés à l'étranger avec des parois d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,6 mm, l'absence d'analyse théorique et de données expérimentales pertinentes rend la conception de structures en acier léger très difficile en Chine.

2) La société dans son ensemble a besoin d’un processus pour accepter ce nouveau système de logement.

Les gens sont encore très étrangers à une telle structure et ils comprennent encore mal sa sécurité, sa stabilité, son confort, etc.

3) Le coût du projet est élevé.

La technologie étant encore embryonnaire, le manque de main-d'œuvre qualifiée et le besoin de composants en acier léger importés de l'étranger entraînent une hausse des prix de l'immobilier. Pour résoudre ces problèmes, les recommandations et stratégies suivantes sont les suivantes :

1) Afin d'améliorer les spécifications de l'acier léger, la mise en œuvre de plusieurs projets pilotes comble les lacunes technologiques. Les grandes entreprises menant des recherches dans ce domaine doivent être soutenues.

2) Sur la base de la construction de projets pilotes et de l'expérience acquise, il convient de saisir l'opportunité de préparer les normes et codes techniques correspondants pour les maisons à structure légère en acier.

3) Une fois la norme technique promulguée, le système technologique devrait être intégré dans les écoles professionnelles en tant que contenu d’enseignement.

4) Des expériences réussies de pays étrangers sont prises en compte. Des recherches scientifiques sont menées en fonction de situations spécifiques. Les États devraient mettre en place des politiques pour soutenir la recherche sur cette technique afin de populariser progressivement les structures en acier léger. Cette méthode devrait permettre au plus grand nombre de les connaître.

IV. CONCLUSION

En résumé, les immeubles résidentiels multi-étages en acier léger en Chine offrent de bonnes perspectives de développement grâce à leur faible consommation de matériaux, leur faible pollution et leurs délais de construction courts, et s'inscrivant dans la tendance architecturale nationale. Ils constitueront une nouvelle réalité pour le secteur résidentiel chinois. Avec la promulgation de directives et de spécifications techniques pour les bâtiments résidentiels en acier, le développement des immeubles résidentiels multi-étages en acier léger doit également se poursuivre. Grâce à l'intégration et à l'amélioration des technologies de structures en acier léger à l'étranger, à l'augmentation des capacités de production et au développement des technologies de l'acier, je suis convaincu que les structures en acier léger se généraliseront en Chine.