Imaginez-vous sur le chantier en activité d’un bâtiment de moyenne hauteur à Chicago, au cours d’un mois de janvier glacial. À travers une caméra thermique, les murs extérieurs du bâtiment ressemblent à une cage thoracique lumineuse. Des lignes rouge vif parcourent verticalement les murs tous les 16 inches et révèlent précisément les zones par lesquelles la chaleur s’échappe. Telle est la réalité du pont thermique dans les ossatures classiques en acier formé à froid (CFS), où les montants en acier, fortement conducteurs, offrent à la chaleur un raccourci qui contourne l’isolation de la cavité.
Pendant des années, la solution courante à cette perte d’énergie a consisté à épaissir l’enveloppe au moyen de panneaux continus d’isolation extérieure. Toutefois, à mesure que les réglementations énergétiques municipales deviennent plus exigeantes, les ingénieurs concepteurs et les constructeurs font face à un choix difficile : sacrifier une surface utile précieuse au profit de systèmes muraux plus épais ou trouver un moyen d’augmenter la résistance thermique des éléments en acier eux-mêmes.
C’est ici qu’intervient le “montant thermique”, une catégorie innovante d’éléments CFS comportant des perforations en fentes disposées en quinconce et pratiquées directement dans l’âme. En plaçant physiquement des lames d’air sur le trajet de l’énergie qui s’échappe, ces âmes à fentes obligent la chaleur à suivre un parcours sinueux et tortueux autour des ouvertures.
Les recherches ont démontré l’efficacité de cette géométrie pour interrompre le pont thermique. Dans une étude de référence sur la physique du bâtiment, la chercheuse Julianna Lipták-Váradi a mis au point une méthode permettant de calculer la “conductivité thermique équivalente” des âmes à fentes (Lipták-Váradi, 2011). Ses résultats ont révélé que l’optimisation de la géométrie des fentes peut réduire la conduction thermique le long de l’âme de 70% à 80% par rapport à des montants à âme pleine (Lipták-Váradi, 2011; Sustain-DPL, 2020). En régime permanent, la conductivité thermique équivalente d’une âme en acier correctement pourvue de fentes peut chuter jusqu’à seulement 8.6% de la conductivité propre de l’acier massif (Lipták-Váradi, 2011).
En outre, une étude publiée en 2023 dans la revue Energies par Zhijian Yang et une équipe de spécialistes de l’enveloppe du bâtiment a démontré qu’un mur CFS utilisant des montants comportant sept rangées de fentes réduit le coefficient global de transmission thermique du mur de 38.59% par rapport à un mur identique équipé de montants à âme pleine (Yang et al., 2023).
Afin de visualiser l’incidence de ces variables, le graphique suivant compare la manière dont différents paramètres des fentes de l’âme et différentes épaisseurs d’acier influent sur la performance thermique globale des systèmes muraux en acier formé à froid :
Figure 1: Influence paramétrique de l’épaisseur des montants et des configurations d’âmes à fentes sur la transmission thermique d’un mur CFS.
Cependant, comme le sait tout ingénieur structure, aucun avantage n’est sans contrepartie en mécanique des structures. La création d’un réseau de fentes dans un élément porteur réduit considérablement son aire de section transversale et introduit un risque structurel spécifique : une sensibilité accrue au flambement distorsionnel.
“Les essais ont montré que le montant à âme fendue est très sensible au mode de flambement distorsionnel”, indique un rapport d’essais complet préparé par le NAHB Research Center pour la Steel Framing Alliance et l’American Iron and Steel Institute (AISI) (NAHB Research Center, 2002). Les essais expérimentaux sur poteaux courts ont révélé que la présence de fentes dans l’âme peut réduire la surface portante effective d’un montant CFS standard à environ 50% de sa surface brute (NAHB Research Center, 2002).
Afin de réduire l’écart entre performance thermique et fiabilité structurelle, les chercheurs ont travaillé à l’établissement de limites de conception précises. Dans une étude détaillée publiée dans le Journal of Constructional Steel Research, les spécialistes Natalia Degtyareva et Keerthan Poologanathan ont dirigé une analyse portant sur 432 modèles par éléments finis de poutres CFS perforées et pourvues de fentes (Degtyareva & Poologanathan, 2021). Leurs travaux ont démontré que des ouvertures d’âme disposées en quinconce peuvent réduire jusqu’à 23% la résistance ultime en flexion d’un élément, selon la configuration des fentes (Degtyareva & Poologanathan, 2021). Pour garantir la sécurité, ils ont élaboré et validé avec succès des formules modifiées de la Méthode de Résistance Directe (DSM), fournissant aux ingénieurs les outils mathématiques nécessaires pour prévoir la résistance et concevoir les éléments contre le flambement (Degtyareva & Poologanathan, 2021).
Pour les constructeurs souhaitant mettre en œuvre ces éléments à haute performance, les chercheurs ont déterminé une conception “optimale” qui maximise l’efficacité thermique sans compromettre la sécurité structurelle (Yang et al., 2023) :
- Épaisseur du montant: Les profilés en acier doivent rester minces, idéalement entre 1.0 mm et 1.2 mm, car une réduction de l’épaisseur de 0.5 mm diminue les pertes thermiques du mur de 18.63% (Yang et al., 2023).
- Configuration des fentes: Il convient d’utiliser 5 à 7 rangées de fentes, avec une longueur de 70 mm à 80 mm et une largeur de 2 mm à 3 mm (Yang et al., 2023).
- Espacement transversal: Un espacement transversal réduit de 6 mm à 10 mm doit être maintenu perpendiculairement aux fentes, car des bandes continues d’acier plus larges aggravent le pont thermique (Yang et al., 2023).
En adoptant ces profilés à fentes conçus selon des principes d’ingénierie, le secteur de la construction commerciale peut réaliser des projets conformes à des réglementations énergétiques strictes tout en préservant l’intégrité structurelle caractéristique du CFS.
Références
NAHB Research Center. (2002). Ossatures en acier efficaces et économes en énergie : performance structurelle des montants muraux en acier à âme fendue. Rapport de recherche préparé pour l’American Iron and Steel Institute et le U.S. Department of Energy.
Lipták-Váradi, J. (2011). Conductivité thermique équivalente des poutres en acier à âme fendue. Article de recherche sur la modélisation thermique des perforations de l’âme.
Degtyareva, N., & Poologanathan, K. (2021). Nouvelles règles de conception au flambement distorsionnel pour les poutres perforées et pourvues de fentes en acier formé à froid. Journal of Constructional Steel Research.
Yang, Z., et al. (2023). Performance thermique d’un mur composite à fentes avec ossature légère en acier. Energies.
Sustain-DPL. (2020). Performance d’isolation thermique des murs non porteurs à montants en acier léger à âme fendue. sustain-dpl.com.
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