VBD - Villes et Bâtiments Durables

Maîtriser les transferts d’AIR et leur impact sur le comportement hygrothermique des Maisons à Ossature Bois – MOB-AIR

Modélisation multiéchelle des transferts d'air dans une enveloppe de bâtiment à ossature bois contenant des défauts

Le projet aborde l’étanchéité à l’air des constructions à ossature bois, en développant des outils numériques adaptés et des expérimentations en vraie grandeur. <br />Les expérimentations utiliseront la cellule du CSTB Grenoble, des bancs à l’échelle paroi au CSTB, au FCBA et au LOCIE.<br />Les simulations à l’échelle de la paroi seront développée en 3D et en multiphysique.<br />L’outil de simulation à l’échelle du bâtiment prendra en compte les bilans thermo-hygro-aérauliques des parois et des zones d’air.

Comprendre, évaluer l'impact et classifier les défauts d'étanchéité à l'air des constructions à ossature bois

Les objectifs du projet MOB-AIR sont de comprendre, analyser et classifier les défauts d'étanchéité à l'air des constructions à ossatures bois. Ces constructions constituent un axe important de développement de la construction, en particulier au niveau des maisons individuelles. Pour atteindre cet objectif, le projet se déploie dans plusieurs directions : une analyse des défauts en se basant sur l'expérience des professionnels, un ensemble d'expérimentations en accord avec les défauts détectés et des simulations à diverses échelles visant à les comprendre. L'objectif final est de proposer des modifications des processus de construction qui permettraient de limiter les risques de défauts, tout en conservant une maîtrise de la qualité de l'air dans ces bâtiments. Enfin, une analyse de cycle de vie permettra d'évaluer la pertinence des modifications envisagées.

Les défauts sont issus des retours d'expérience des professionnels. Leur analyse montre que les défauts peuvent provenir de diverses échelles : depuis les matériaux eux-mêmes comme dans le cas des plaques de bois qui peuvent ne pas être complètement étanches jusqu'à des défauts d'assemblage comme par exemple des obturations par des scotchs défectueuses. Il est donc nécessaires de développer des modélisations/simulations à diverses échelles pour comprendre l'impact de ces défauts. 3 échelles sont retenues : matériaux en eux mêmes, parois, bâtiment. L'échelle matériaux doit permettre de comprendre les défauts d'étanchéité à l'air d'un matériau (en se concentrant sur les matériaux les plus ennuyeux comme les fibres de bois et les fibres de verre). La méthode retenue est la simulation Lattice Boltzmann. Pour l'échelle paroi, il s'agit de traiter l'impact des défauts de type trous dans les couches de matériaux et circulation entre couches. La solution consiste à utiliser une simulation type Navier Stokes (alimentée par les modélisations matériaux). Enfin, pour ce qui est de l'échelle bâtiment il s'agit d'intégrer les résultats des modélisations précédentes dans des codes bâtiments.

Les résultats attendus sont essentiellement la classification des défauts (en particulier en terme d'importance relative) et les propositions de modifications qui permettraient de les éviter. Des syngeries sont de plus à attendre avec le projet ANR HAM qui vise à étudier les écoulements d'air humidedans les bâtiments. La conjonction de ces projets devrait permettre d'atteindre un niveau de simulation incluant la condensation dans les couches de matériaux d'une paroi de bâtiment.

Le projet a actuellement terminé l'analyse des défauts en retour d'expérience des professionnels. Le nombre de défauts majueurs est apparu limité mais certains, bien que récurrents comme les volets roulants ne sont pas reproductibles. Une liste des défauts analysables a donc été définie. Ces défauts font actuellement l'objet d'expérimentations. En parallèle, des méthodes d'expérimentations supplémentaires ont été validées, comme par exemple le suivi des chemins d'air dans une paroi à l'aide d'un marqueur à base de fluorescéine.

La liste des défauts identifiés est importante. Elle est incluse dans le livrable PRE-ETUDE DES SOLUTIONS CONSTRUCTIVES EXISTANTES A OSSATURE BOIS du projet. Elle constitue le point de départ du projet. Elle constitue aussi le point de référence pour les professionnels qui attendent des analyses sur ces défauts comme résultats du projet MOB-AIR.

La croissance des ossatures bois dans le secteur de la construction, affichée dans les études économiques, va dépendre en grande partie de la capacité de la filière à mieux répondre chaque jour à l’évolution des techniques de construction et aux échéances des nouvelles réglementations thermiques, RT2012 et future RT2020.
Les enveloppes légères à ossature bois sont particulièrement sensibles aux transferts d'air, par les défauts structurels, les joints, très présents dans ce type de structure. Les transferts d’air ont un impact sur l’étanchéité globale d’un bâtiment, mais également sur les champs hygro-thermiques locaux et peuvent conduire à des dégradations de performance.
La garantie d’une bonne étanchéité passe alors par une mise en œuvre d’une membrane étanche à l’air, continue. Aujourd’hui, avec un traitement soigneux de l’étanchéité en phase de chantier, nous savons que les maisons à ossature bois peuvent se prévaloir de posséder de très bon niveaux de l’étanchéité à l’air. Cette excellence passe toutefois par un traitement qui peut être aujourd’hui trop contraignant en termes de temps et de coût.
Scientifiquement, il s’agit d’un problème d’écoulement de l’air humide anisotherme dans les géométries confinées complexes, comprenant des milieux poreux hygroscopiques. Les outils de simulation actuels ne permettent pas, ou bien de manière très succincte, d’optimiser la conception des enveloppes de ce point de vue.
Dans le projet MOB-AIR nous proposons d’aborder l’étanchéité à l’air des constructions à ossature bois à l’échelle de la paroi et du bâtiment, en développant des outils numériques adaptés et des expérimentations en vraie grandeur. Les expérimentations utiliseront comme support une cellule déjà instrumenté et caractérisée, existante sur le site de CSTB Grenoble, et des bancs à l’échelle de la paroi au CSTB, FCBA à Bordeaux et au LOCIE à Chambéry. Concernant les simulations à l’échelle de la paroi, nous proposons de développer une approche originale, basé sur la méthode de Lattice Boltzmann. L’originalité consiste à travailler en 3D et en multiphysique, en représentant les transferts couplés d’air, de chaleur et d’humidité dans les cavités confinées et les milieux perméables. L’outil de simulation à l’échelle du bâtiment prendra en compte les bilans thermo-hygro- aérauliques des parois et des zones d’air. L’originalité sera d’aller au déjà des modélisations en pression standard et de proposer des modèles couplant les champs hygro-thermiques dans la paroi, avec les chemins d’infiltration d’air. Ensuite, nous allons exploiter les outils numériques mis au point et les mesures expérimentales dans un objectif pragmatique. Ce programme de recherche ambitieux sera effectué en collaboration étroite avec les industriels et cherchera la réponse aux questions pratiques :
- Comment évaluer l’impact des transferts d’air parasites sur la performance une structure à ossature bois ?
- Quelles innovations pouvons-nous proposer à l’ossature bois, pour garder ses qualités énergétiques et environnementales mais simplifier sa mise en œuvre et donc le coût des constructions ?
Le consortium est composé de deux laboratoires de recherche, expérimentés en simulations des transferts et analyse du comportement des bâtiments : CETHIL et LOCIE, deux centres techniques : CSTB (construction) et FCBA (bois), accompagnés par des industriels : bureaux d’études Albedo Energie et Wigwam, SDCC (constructeur bois), EDF R&D (modélisation) et Aldes (ventilation).

Coordinateur du projet

Monsieur Gilles RUSAOUEN (Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - Centre de ThermIque de Lyon) – gilles.rusaouen@univ-lyon1.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ALDES ALDES
WIGWAM WIGWAM
ALBEDO Albedo Energie
EDF R&D Electricité de France Recherche et Développement
FCBA Institut Technologique Forêt Cellulose Bois-construction Ameublement
INSA DE LYON - CETHIL Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - Centre de ThermIque de Lyon
LOCIE Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
CSTB Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

Aide de l'ANR 815 110 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2013 - 48 Mois

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