Une nouvelle génération d éléments de transmission de charges avec isolation acoustique

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1 Une nouvelle génération d éléments de transmission de charges avec isolation acoustique Prof. Dr ing. Urs Bopp SIA / VDI, Haute école technique de la Haute école spécialisée de Suisse nord-ouest Prof. Dr sc. math. Marcel Steiner, Haute école technique de la Haute école spécialisée de Suisse nord-ouest Janvier 2009 F.J. Aschwanden AG, Seite 1/14

2 Sommaire 1. INTRODUCTION SIA 181: Exigences accrues des maîtres d ouvrage But PROCEDURE Essais préliminaires Structure du banc d essai Séries d essais Résultats et conclusions Nouveau design des éléments de transmission de charges Essais avec les meilleurs matériaux Structure du banc d essai Séries d essais Résultats et conclusions ESSAIS PROCHES DE LA REALITE DE L EMPA TRANSFERT DES RESULTATS DE L EMPA SUR DES ELEMENTS DE TRANSMISSION DE CHARGES SIMILAIRES MISE EN PLACE DES ELEMENTS DE TRANSMISSION DE CHARGES RESUME Page 2/14

3 1. Introduction Dans la construction, on utilise fréquemment des éléments de transmission de charges au niveau de l appui de parties de bâtiment, principalement pour les escaliers, balcons, paliers et arcades. Il s agit en l occurrence d éléments de transmission uniaxiale pour la reprise d efforts tranchants et de forces de traction. L important est non seulement l amortissement des vibrations, mais surtout l isolation du bruit de choc. Pour le bruit de choc, il s agit d une forme spéciale de bruit solidien, qui, justement au raccord des cages d escalier avec la zone de séjour contiguë, peut se manifester très désagréablement. Les liaisons statiquement nécessaires engendrent un pont acoustique par lequel le bruit solidien peut être transmis d un élément structural à un autre, ce qui exige un découplage acoustique efficace. 1.1 SIA 181:2006 Avec l introduction en 2006 de la nouvelle norme pour la protection contre le bruit dans le bâtiment SIA 181:2006, des exigences accrues sont maintenant applicables pour les maisons jumelles et mitoyennes ainsi que pour les propriétés par étage [SIA 181:2006, 2.2.2]. Pour le bruit de choc, cela signifie que les valeurs d immission doivent être d au moins 3 db plus basses qu auparavant [[SIA 181:2006, ] Exigences accrues des maîtres d ouvrage S ajoutant aux prescriptions légales pour l isolation du bruit solidien dans le bâtiment, les maîtres d ouvrage ont de plus en plus des exigences accrues quant à l exécution des travaux. Une isolation acoustique efficace est en outre pour eux une absolue nécessité, car dans les maisons, les ponts acoustiques peuvent entraîner bien des désagréments. En raison du besoin accru de la société actuelle de jouir de tranquillité, les hautes exigences relatives à l isolation acoustique doivent être prises en compte déjà lors de l établissement du projet d éléments porteurs en béton. Planifier soigneusement les joints de dilation intervenant alors permet de réduire sensiblement la transmission phonique entre parties du bâtiment. Si dans une maison, des ponts acoustiques existants portent préjudice à la qualité de l habitat, cela peut d une part considérablement réduire la valeur de la maison, et d autre part être très gênant pour les habitants. Remédier ultérieurement aux ponts acoustiques n est en outre guère possible, ou alors seulement à très grands frais. Pour des raisons esthétiques et fonctionnelles, les constructions d appui traditionnelles sont inopportunes, car elles prennent relativement beaucoup de place. 1.3 But F.J. Aschwanden SA à Lyss fabrique des produits innovants de haute qualité dans le génie du bâtiment. Sa production comprend entre autres des éléments utilisés pour l isolation des sons solidiens. Ces produits sont constamment perfectionnés et optimisés. Au vu des exigences croissantes des normes et des maîtres d ouvrage quant à l isolation acoustique, F.J. Aschwanden SA se devait de perfectionner encore l effet d isolation des éléments CRET et RIBA. Outre le perfectionnement, d autres aspects étaient également importants: il fallait d une part faire des comparaisons avec les produits de F.J. Aschwanden SA existants, et d autre part, aussi bien des questions de montabilité que des considérations esthétiques devaient s intégrer dans le développement. Dans les produits existants, F.J. Aschwanden utilise comme matériau isolant du néoprène revêtu d une couche de téflon, laquelle permet un glissement des éléments structuraux. Correctement dimensionné, le néoprène peut être un bon amortisseur des vibrations. Mais il ne convient que sous condition pour affaiblir la transmission des sons solidiens. Le perfectionnement a été réalisé en collaboration avec des spécialistes des domaines "génie civil" de la Haute école technique de Rapperswil, "acoustique et vibrations" de la Haute école technique de la FHNW à Muttenz et "physique" de l Université de Bâle, ainsi que des centres de recherche de l EMPA. Page 3/14

4 2. Procédure Au cours de ces dernières années, quelques nouveaux matériaux ont été mis au point avec succès pour amortir efficacement les vibrations dans le bâtiment. Mais ces matériaux ne peuvent généralement absorber qu une faible pression superficielle, ce qui, par voie de conséquence, exige des surfaces d appui beaucoup plus grandes ou un plus grand nombre d éléments de transmission de charges. Pour optimiser les éléments, il fallait donc non seulement évaluer le matériau, mais également adapter la forme des éléments au nouveau matériau. Pour le choix des matériaux, l important était dans le passé purement l amortissement des vibrations, lequel est peu significatif en ce qui concerne la transmission phonique. Mais dans le présent examen, les matériaux ont été choisis principalement en considération d une bonne isolation des sons solidiens. Six différents matériaux d isolation ont été présélectionnés et comparés avec l isolation en néoprène existante. Lors d un premier examen au laboratoire de la Haute école de technique de la FHNW à Muttenz, on a cherché à dégager les deux matériaux les plus prometteurs parmi les six examinés. La structure expérimentale a été choisie de façon à ce que les éprouvettes puissent être examinées en deux épaisseurs et sous forme sandwich avec intercalaire acier. Les éprouvettes ont été examinées sous charge permanente maximale admissible, et également sous plus faibles charges. 2.1 Essais préliminaires Structure du banc d essai L installation d essai conçue spécialement à cet effet se compose de marteaux spéciaux à vitesse variable, permettant de mesurer à différentes fréquences d excitation. Mais on a également procédé à des mesures avec des marteaux normalisés. Les vibrations engendrées par les marteaux sont transmises à une plaque de charge en béton par une série de plaques de charge en acier. Plaque de charge en acier Plaque de charge et plaque de base en béton Isolation Marteaux Capteurs de mesure Figure 1: Banc d essai avec deux plaques de charge en acier (à gauche) et croquis de principe (à droite) Page 4/14

5 Les plaques de charge et les marteaux sont appuyés sur la plaque de base en béton par le biais des éprouvettes (isolation). On peut varier la charge en changeant le nombre de plaques de charge en béton. Pour mesurer la transmission des vibrations, un capteur d accélération est monté sur la plaque de charge et sur la plaque de base en béton. La transmission des bruits solidiens est déterminée en mesurant le son aérien secondaire (bruit solidien propagé). Un microphone encapsulé est placé à cet effet au-dessus de la plaque de charge en béton et au-dessus de la plaque de base. Les niveaux d ensemble du bruit aérien en particulier sont une bonne grandeur reconnue pour la gêne acoustique ressentie par l homme Séries d essais On a procédé à de nombreux essais et mesures, qui ont servi d une part aux mesures comparatives entre néoprène traditionnel et matériaux d isolation modernes. Pour les matériaux modernes, plusieurs dispositions ont été comparées, afin d obtenir des résultats optimaux. Pour les fréquences d excitation, on a mesuré le niveau des vibrations et le niveau de pression acoustique. On a ensuite calculé chaque fois les différences entre les grandeurs mesurées "dessus" (sur la plaque de charge en béton) et celles mesurées "dessous" (sur la plaque de base en béton). Les niveaux d ensemble du bruit aérien traduisent bien la gêne acoustique ressentie par l homme Résultats et conclusions Les essais préliminaires ont permis d acquérir d importantes connaissances pour le choix des deux meilleurs matériaux. Les dispersions lors des essais ayant été comme on s y attendait relativement grandes, on a procédé à de nombreuses mesures afin d obtenir des résultats fiables. Les expérimentations ont démontré que les nouveaux matériaux d isolation témoignent d un isolement des bruits solidiens nettement supérieur à celui du néoprène, particulièrement dans la gamme des basses fréquences jusqu à env. 400 Hz, important dans l acoustique du bâtiment. 2.2 Nouveau design des éléments de transmission de charges En se basant sur les essais préliminaires, on s est occupé de l aspect des nouveaux éléments de transmission de charges. Les nouveaux matériaux d isolation étant plus mous que le néoprène, il a fallu entre autres agrandir la surface d appui, ce qui a conduit au nouveau design des éléments CRET Silent- 980, -981 et RIBA Silent-912, -914 (figure 2). Figure 2: CRET Silent-980 (à gauche) et RIBA Silent-912 (à droite) Page 5/14

6 2.3 Essais avec les meilleurs matériaux Lors de l essai principal proprement dit, on a examiné l aptitude à l isolement des bruits solidiens de matériaux pour charges élevées à l état mis en place, et on l a comparée à celle du néoprène actuellement utilisé. Les nouveaux éléments CRET Silent et RIBA Silent dotés des ces nouveaux matériaux ont été à cet effet testés sous différentes charges sur le banc d essai de l institut "Bau und Umwelt" de la Haute école technique de Rapperswil HSR Structure du banc d essai La structure expérimentale schématique pour l examen des nouveaux éléments CRET Silent est représentée à la figure 3. Figure 3: Structure expérimentale CRET (croquis HS Rapperswil) L élément en béton de gauche est excité par les marteaux spéciaux à vitesse variable (ou par les marteaux normalisés). Les deux éléments en béton sont reliés par un nouvel élément CRET Silent, dans lequel différents matériaux d isolation peuvent être insérés. La fente entre les éléments en béton reste vide, ou est remplie d un matériau de jointoiement. Pour mesurer la transmission des vibrations, un capteur d accélération est appliqué sur chacun des éléments en béton. Comme dans l essai préliminaire, la transmission des bruits solidiens est déterminée en mesurant le son aérien secondaire. Un microphone encapsulé est placé à cet effet au-dessus de chacun des éléments en béton. La charge est appliquée au moyen d un nombre défini d éléments en béton. Afin de minimaliser les voies secondaires lors de la transmission des sons solidiens, les éléments en béton sont isolés de la fondation. Page 6/14

7 Figure 4: Structure expérimentale pour éléments CRET Silent avec marteaux spéciaux La structure expérimentale est la même pour l examen des nouveaux éléments RIBA Silent Séries d essais On a de nouveau procédé à plusieurs séries d essais, lors desquelles le niveau des vibrations et le niveau de pression acoustique ont été mesurés pour différentes fréquences d excitation. Comme lors des essais préliminaires, on a ensuite calculé les différences pour déterminer l isolation du bruit solidien (affaiblissement acoustique) Résultats et conclusions À l état mis en place également, les nouveaux matériaux d isolation témoignent d un affaiblissement du bruit solidien nettement supérieur à celui du néoprène. Lors de ces essais comme lors des essais préliminaires, les nouveaux matériaux d isolation témoignent d un bien meilleur affaiblissement du bruit solidien dans la gamme des basses fréquences. Comme l on s y attendait, l effet isolant est légèrement réduit par rapport aux essais préliminaires. Cela vient du fait que le matériau d isolation étant enfermé dans les éléments de mise en place, il ne peut plus agir complètement sans entraves, comme il le pouvait encore lors des essais préliminaires. Page 7/14

8 3. Essais proches de la réalité de l EMPA Pour que les nouveaux éléments Silent soient également examinés dans des conditions de mise en place proches de la réalité, l EMPA a été chargée de procéder à des essais sur son banc d essai de Dübendorf. Les propriétés de transmission du bruit de choc des deux éléments de transmission de charges CRET Silent-980 et RIBA Silent-912 y ont été analysées et mesurées. Le banc d essai était conçu de façon à ce que les éléments de transmission de charges originaux CRET Silent-980 et RIBA Silent-912 puissent être examinés à un état mis en place proche de la réalité. Le local de réception de l EMPA étant séparé du reste du bâtiment, les voies secondaires peuvent être exclues. Cette structure expérimentale est très proche d une situation de mise en place réelle. Figure 5: Croquis de principe de la structure expérimentale à l EMPA. Le laboratoire de mesure 132c est entièrement séparé du reste du bâtiment. Figure 6: Vue d ensemble de la disposition expérimentale de l EMPA (source: EMPA Rapport d essai no ) Page 8/14

9 La plaque en béton dans le local d émission a été excitée à l aide de marteaux normalisés. La charge utile a pu être simulée au moyen de plots en béton et de plots en acier. Comme solution de référence, la dalle de palier a été encastrée dans la maçonnerie. Pour l essai, on a choisi une méthode de mesurage s inspirant de la norme pour les constructions de dalles: SN EN ISO 140-8:1997 (SIA ). Dans cette norme, la mesure du bruit de choc est réglée par exemple avec un revêtement de sol. On procède à cet effet dans le local de réception à une mesure de la bande de tiers d octave pour: a) Le niveau du bruit de choc Ln,w,0 de la construction de la dalle continue encastrée dans la maçonnerie (= mesure de référence). b) La valeur L n,w correspondante de la dalle brute avec le goujon pour la transmission de charges transversales CRET Silent-980 (= mesure avec le moyen d isolation acoustique). L affaiblissement du bruit de choc dans chacune des bandes de tiers d octave est alors donné par: L w,pod = L n,w,0 - L n,w [db] La figure 7 montre l affaiblissement du bruit de choc par un élément CRET Silent-980 déterminé par l EMPA, par rapport à un palier mis en place fixe. En 1998 déjà, F.J. Aschwanden SA avait chargé l EMPA de mesurer selon la même méthode les éléments CRET Silent-960 et CRET Silent-970 alors nouvellement mis au point. Les résultats de ces mesures sont également reproduits à la figure 7. Les valeurs chiffrées de la figure 7 reproduisent la réduction du niveau du tiers d octave pondéré A par rapport à un palier mis en place de manière fixe. Page 9/14

10 Comparaison de l affaiblissement du bruit de choc 60 Réduction du niveau sonore Lw,pod [db] CRET Silent-980 CRET Silent-970 CRET Silent '000 1'250 1'600 2'000 2'500 3'150 Fréquence moyenne en tiers d octave [Hz] Figure 7: Affaiblissement du bruit de choc par un élément CRET Silent-980 avec charge utile, déterminé par l EMPA, par rapport à un palier mis en place de manière fixe Il ressort de la figure 7, qu avec 20 à 30 DB, l affaiblissement du bruit de choc par les éléments CRET Silent-980, contrairement à celui par les goujons pour la transmission de charges transversales traditionnels, est très bon déjà dans la gamme des basses fréquences. Cet affaiblissement atteint même des valeurs de 50 db dans la gamme des hautes fréquences. La haute qualité des éléments CRET Silent-980 est particulièrement manifeste lorsque l on compare l amélioration de l affaiblissement du bruit de choc par rapport aux goujons pour la transmission de charges transversales des séries CRET Silent-960 et CRET Silent-970, pour lesquels on utilise de l élastomère CR. Avec les goujons CRET Silent-980, il ne se produit pas d interférences dans l affaiblissement du bruit du choc aux différentes fréquences moyennes en tiers d octave, comme cela est ordinairement le cas avec d autres éléments (160 Hz à 250 Hz et 500 Hz). L indice obtenu pour caractériser les éléments CRET Silent-980 sous forme d un affaiblissement du bruit de choc pondéré L w selon EN ISO n est à vrai dire pas conforme aux normes, mais tout de même meilleur pour les comparaisons de diverses constructions qu un indice choisi arbitrairement. Pour CRET Silent-980, il résulte des valeurs mesurées à l EMPA pour cet affaiblissement du bruit de choc pondéré L w par rapport à un palier mis en place de manière fixe une valeur de L w = 39 db. Pour les éléments CRET Silent-960 et CRET Silent-970, on a déterminé en 1998 des L w de 22 db, resp. 28 db. Un goujon pour la transmission de charges transversales CRET Silent-980 atteint ainsi un affaiblissement du bruit de choc pondéré L w amélioré de 11 db par rapport à un goujon CRET Silent Cela correspond à une puissance sonore 12.5 fois plus faible. L amélioration est même de 17 db par rapport à un goujon CRET Silent-960, soit une puissance sonore 50 fois plus faible. L affaiblissement du bruit de choc déterminé par l EMPA pour un élément RIBA Silent-912 par rapport à un palier mis en place de manière fixe est représenté à la figure 8. Les valeurs chiffrées de la figure reproduisent la réduction du niveau du tiers d octave pondéré A par rapport à un palier mis en place de manière fixe. Page 10/14

11 Affaiblissement du bruit de choc RIBA Silent-912 Réduction du niveau sonore Lw,pod [db] '000 1'250 1'600 2'000 2'500 3'150 Fréquence moyenne en tiers d octave [Hz] Figure 8: Affaiblissement du bruit de choc par un élément RIBA Silent-912 avec charge utile, déterminé par l EMPA, par rapport à un palier mis en place de manière fixe. II résulte des valeurs mesurées à l EMPA pour un élément RIBA Silent-912 par rapport à un palier mis en place de manière fixe une valeur également de Lw = 39 db. Les essais de l EMPA confirment donc les expérimentations effectuées à la Haute école technique de Rapperswil et à la Haute école technique de la FNHW à Muttenz. Page 11/14

12 4. Transfert des résultats de l EMPA sur des éléments de transmission de charges similaires Les éléments CRET Silent-981 se distinguent des éléments CRET Silent-980 par une surface d appui plus large, qui leur permet de reprendre de plus grands efforts tranchants. Les autres dimensions de ces éléments sont identiques. Cela signifie que la structure acoustique est la même pour les deux types d élément. C est pourquoi les valeurs d affaiblissement du bruit de choc déterminées avec des éléments CRET Silent-980 peuvent également être transférées directement sur des éléments CRET Silent-981. Cela vaut également pour les éléments RIBA Silent-912 et RIBA Silent-914, qui ne diffèrent que par le diamètre de la barre d ancrage. Les autres dimensions ainsi que la structure acoustique des éléments sont identiques pour les deux types de RIBA Silent. C est pourquoi les valeurs d affaiblissement du bruit de choc déterminées avec des éléments RIBA Silent- 912 peuvent également être transférées directement sur des éléments RIBA Silent Mise en place des éléments de transmission de charges Par rapport aux constructions d appui traditionnelles, les goujons CRET Silent n exigent qu un temps minimal pour l établissement du projet et l exécution des travaux. Ils ne nécessitent en outre pas de colonnes ou murs doubles, ce qui mène d autre part à un précieux gain de surface utile. Les goujons CRET Silent permettent une séparation acoustique des éléments structuraux simple et efficace. Avec les goujons CRET Silent, il est facile de concevoir des géométries de joints des plus simples quant à la construction et l exécution. La pose sur les chantiers se fait en clouant les gaines CRET sur le coffrage (figure 9). Le matériau de remplissage (laine minérale) est mis en place après le bétonnage et le décoffrage, puis les goujons CRET sont insérés. Le coffrage n exige ni travail spécial ni percement. Lors de toutes les opérations de mise en place, il faut assurer qu il ne se forme pas de ponts phoniques qui pourraient fortement réduire l isolation acoustique. On colle à cet effet les bords des goujons et les éventuels joints du matériau de remplissage avec du ruban adhésif. La mise en place des ancrages RIBA se fait en clouant les gaines d ancrage sur le coffrage de la première étape de bétonnage. Après le bétonnage et le décoffrage de la première étape, la barre d ancrage est vissée dans la gaine. Il faut là aussi assurer qu il ne se forme pas de ponts phoniques de quelque genre que ce soit. Il faut de façon générale vouer la plus grande attention à éviter les ponts acoustiques. Contrairement à ce qui se produit lors d autres phénomènes physiques, par exemple le transfert de chaleur, un pont acoustique de la plus petite dimension peut déjà amoindrir l efficacité des moyens d affaiblissement du bruit de choc, ou dans le pire des cas, même la réduire à néant. La cause en est qu il suffit déjà d une minime quantité d énergie pour l excitation acoustique des éléments structuraux. Pas besoin de points de transmission de grande étendue, car il suffit d un petit pontage rigide. C est pourquoi il ne faut pas utiliser de matériau en mousse rigide (mousse rigide de polystyrène et matériaux similaires) comme matériau de jointoiement. Ce sont de bons isolants thermiques, mais de mauvais isolants acoustiques. Pour le jointoiement, ce sont des matériaux mous qui conviennent, comme par exemple la laine minérale. Page 12/14

13 HAUTE ÉCOLE TECHNIQUE DE LA HAUTE ÉCOLE Figure 9: Opérations de pose: 1. La gaine CRET est clouée sur le coffrage. 2. Après le bétonnage et le décoffrage, mise en place du matériau de remplissage. 3. Insertion du goujon CRET. 4. Collage du bord du goujon et des joints. 6. Résumé Avec la nouvelle série de produits CRET Silent-980, -981 et RIBA Silent-912, -914, les maîtres d ouvrage et les concepteurs disposent d éléments de transmission de charges témoignant d excellentes propriétés en statique du bâtiment et de meilleures propriétés d isolation acoustique. Des mesures indépendantes effectuées par l EMPA ont prouvé que les nouveaux éléments CRET Silent980, -981 et RIBA Silent-912, -914 témoignent d un affaiblissement du bruit de choc pondéré Lw = 39 db par rapport au palier mis en place de manière fixe. Il est ainsi possible de prendre en compte aussi bien le besoin accru de la société actuelle de jouir de tranquillité que les exigences élevées de la nouvelle norme pour la protection contre le bruit dans le bâtiment SIA 181:2006. En réunissant des spécialistes de l industrie et de la recherche, F.J. Aschwanden SA a réussi à mettre au point un produit innovant à grand potentiel. Page 13/14

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