Sommaire. 1. Introduction Méthode de construction par éléments Méthode de construction par panneaux 3

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1 Phase avant-projet : Systèmes de construction et méthodes privilégiées pour la réalisation de constructions résidentielles constituées d'éléments minces en acier Ce document décrit les principaux systèmes structuraux pour les constructions résidentielles légères en acier, à savoir : construction par éléments, par panneaux, modulaire ou volumétrique et hybride. Il fournit des conseils quant au choix du système et aux préférences en termes de relations organisationnelles visant à une exécution efficace. Sommaire 1. Introduction 2 2. Méthode de construction par éléments 2 3. Méthode de construction par panneaux 3 4. Méthodes tridimensionnelles (construction modulaire et en nacelle) 6 5. Construction hybride 9 6. Choix du système 9 7. Options de contrats et Services d'ingénieur-conseil 13 Page 1

2 1. Introduction La réalisation des structures légères en acier est assurée par l'intermédiaire de sous-traitants spécialisés. Ces sous-traitants peuvent fournir une ou plusieurs variétés de systèmes légers en acier : Construction par éléments d'ossature Systèmes à base de panneaux Systèmes tridimensionnels, modulaires ou à nacelles Systèmes hybrides Les méthodes d'approvisionnement et les relations organisationnelles peuvent varier en fonction des systèmes structuraux. Le présent document s'attache à présenter les principaux systèmes structuraux et à donner des directives tant sur le choix du système que sur les relations organisationnelles appropriées. 2. Méthode de construction par éléments La construction légère en acier est composée d'éléments individuels qui sont ensuite assemblés pour former une unité résidentielle complète. On parle alors de «stick building», nom dérivé des constructions à ossature en bois. Dans la pratique, les éléments en acier sont achetés auprès de producteurs qui les coupent à la longueur spécifiée. Toutefois, de récents développements dans le secteur des laminoirs portatifs, tels que le laminoir Scottsdale, offrent la possibilité de produire de manière rentable des éléments en acier finis sur le chantier. Une maison individuelle type d'une superficie de 80 à 100 m 2 est composée de 350 à 400 éléments principaux légers en acier, montants, rails, solives, chevrons et pannes inclus. La construction d'une maison au moyen de cette méthode avec une équipe de 2 à 3 personnes dure en général 3 à 4 jours. La construction de type «stick building», tel qu illustrée à la Figure 2.1, constitue l'approche la plus simple de montage d'éléments légers en acier. En Europe, cette méthode est généralement limitée à des projets de petite taille, alors qu'aux États-Unis, de très gros projets sont menés à bien, en raison, principalement, de la disponibilité d'une main-d'œuvre bon marché. Par ailleurs, cette méthode est fréquemment employée pour les gros projets de bâtiments multi-étagés, comme structure de remplissage combinée avec des ossatures en acier laminé à chaud ou en béton. Cette méthode se base sur une technologie traditionnelle. Elle nécessite un assemblage efficace sur le chantier ; les tolérances de construction traditionnelles sont acceptables, avec des ajustements verticaux et horizontaux au fur et à mesure de l'avancement des travaux. Page 2

3 Figure 2.1 Construction résidentielle selon la méthode par éléments ou «stick building» 3. Méthode de construction par panneaux La seconde méthode de réalisation consiste en éléments minces préfabriqués en acier se présentant sous forme de panneaux et cassettes de tailles et de formes variées, montés à l'aide de gabarits. Ces éléments sont assemblés pour former une structure résidentielle complète. On entend généralement par «panneau» un élément de mur, et par «cassette» un élément de plancher ou de toiture. Il existe plusieurs méthodes d'assemblage en panneaux des éléments minces en acier et ce travail peut être réalisé sur le chantier ou en usine. Le processus de fabrication des panneaux est précis et permet des tolérances comprises entre +0 mm et 2 mm. La conception du gabarit est importante. Les producteurs utilisent en général leurs propres gabarits faits sur mesure. Un petit gabarit type est illustré à la Figure 3.1 ci-dessous. Les éléments en acier à l'intérieur du panneau peuvent être fixés par soudure, rivetage, vissage ou sertissage. Les fixations par rivetage et par vissage constituent actuellement les méthodes les plus populaires. Des améliorations récentes réalisées en matière de technologie du laminage permettent de positionner les trous de rivets, dans les éléments en acier pendant le laminage, de telle façon que la précision du processus de fabrication des panneaux est assurée. Les panneaux peuvent être porteurs, c'est-à-dire conçus pour reprendre des charges d'exploitation, ou non porteurs, conçus uniquement pour séparer des espaces à l'intérieur d'une structure. Page 3

4 Figure 3.1 Gabarit type pour la fabrication de panneaux La dimension fabriquée des panneaux constitue une option de conception. Certains fabricants optent pour des panneaux de petite taille, transportables par un homme et montables sans avoir recours à des grues. D'autres producteurs préfèrent des panneaux de grande taille, montables uniquement au moyen de grues. Les deux méthodes sont valables, toutefois les panneaux de petite taille sont par nature limités à des bâtiments de un ou deux étages. Le poids des panneaux varie en fonction de leurs dimensions et de leur composition. Un petit panneau peut ne peser que 50 kg tandis qu'une grosse cassette de plancher peut peser jusqu'à 600 kg. Une maison type d'une superficie de 80 à 100 m 2 est constituée de 28 à 60 panneaux (ce chiffre varie en fonction de la taille des panneaux utilisés). En utilisant une grue et des panneaux de grande taille (de 8 à 10 m de longueur sur 2,8 m de hauteur, et en fonction des variables du chantier, comme par exemple les conditions d'accès, le montage de l'ossature d'une maison individuelle peut prendre entre 6 et 8 heures. A des fins de planification, les panneaux d'une maison individuelle peuvent être empaquetés à plat sur une semi-remorque. Les panneaux sont assemblés sur le chantier, en grande partie au moyen de vis autotaraudeuses de types et de tailles variés. Du fait que les éléments en acier sont minces par nature, la sélection des vis de fixation appropriées est très importante. Certains systèmes en panneaux peuvent utiliser des assemblages boulonnés. Les améliorations constamment réalisées en matière de technologie CFAO facilitent la conception, le dessin et la fabrication des panneaux. Si ces systèmes de production de pointe permettent de concevoir et produire rapidement des panneaux uniques, la répétition de panneaux offre néanmoins d'importantes économies en termes d'ingénierie, de production et de montage sur le chantier, et tout particulièrement des économies dans la coordination des projets et les coûts logistiques. Un panneau de conception donnée devrait être répété au moins dix fois, plus si possible. Toutefois, il faut reconnaître que pour beaucoup de projets, le nombre d'unités est restreint en raison des exigences de taille, de conception et de planification imposées. Les panneaux peuvent être fabriqués «ouverts» ou «fermés». Les panneaux «ouverts», illustrés à la Figure 3.2, sont des cloisons structurales ou non, exclusivement fabriquées en Page 4

5 acier. Les panneaux «fermés», Figure 3.3, sont ceux pour lesquels des éléments de construction supplémentaires (isolation, panneaux de revêtement et/ou fenêtres) ont été ajoutés en usine. Les panneaux peuvent également comporter des éléments de réseaux et équipements techniques. L ajout d'éléments de construction rend les panneaux de plus en plus sophistiqué. L'assemblage d'un panneau à un autre devient alors un élément de conception critique dont dépend la réussite ou l échec du système de construction. L'utilisation d'un système «fermé» est motivée par la simplicité de la construction sur le chantier et par les économies de temps de construction réalisées. Lorsqu'un système «fermé» a été utilisé avec succès, la livraison d'une maison complète peut être assurée entre 3 et 5 jours, à l'exclusion des travaux de fondation. L'emploi de systèmes fermés implique également que les éléments deviennent très sensibles aux intempéries pendant le montage. Avec l'utilisation de tels systèmes, le sous-traitant spécialisé peut devenir, dans les faits, l'entrepreneur principal. Figure 3.2 Panneau structural «ouvert» Figure 3.3 Panneau «fermé» auquel ont été ajoutés le revêtement, l'isolation ainsi que des réseaux et équipements techniques. Page 5

6 4. Méthodes tridimensionnelles (construction modulaire et en nacelle) Une troisième méthode de construction résidentielle constituée d éléments minces en acier consiste à assembler en usine des ensembles tridimensionnels en acier. Ces ensembles sont communément appelés «modules» si leur taille englobe plusieurs pièces, ou «nacelles» s'ils sont limités, par exemple, à une salle de bain ou une cuisine. La fabrication du module ou de la nacelle peut être assurée par un sous-traitant ou un fabricant spécialisé soit uniquement en tant qu'élément structural, comme l'illustre la Figure 4.1, destiné à être équipé par des tiers, soit complètement équipé par le fabricant et livré sur le chantier en tant qu'élément de construction complet (voir les Figures Figure 4.2 et Figure 4.3). On peut arguer que la construction modulaire constitue la forme ultime de la préfabrication résidentielle, les avantages de la production en usine (hors chantier) étant utilisés au mieux. Les inconvénients perçus de la construction modulaire sont les limites de conception, les coûts de transport et les limites de capacité et de savoir-faire du marché local. Figure 4.1 Unité modulaire uniquement structurale Page 6

7 Figure 4.2 Les trois photos présentent le système modulaire «Open House». Les modules sont fabriqués en usine puis sont montés sur place avec les poteaux de la hauteur de l'étage Page 7

8 Figure 4.3 Nacelle de salle de bains en cours d'installation à Beaufort House, à Londres La dimensions des modules est dictée par les exigences de conception architecturale et le plus souvent par les limites de transport. Celles-ci sont fixées non seulement par les organismes concernés, mais également par les limites pratiques de l'accès au chantier de construction. En dépit de ces limites, il est possible d'expédier les modules sur de longs trajets, comme le montre la Figure 4.4, où les modules ont transité depuis la Pologne jusqu'au centre de Londres. En matière de construction modulaire, le temps global de construction sur place est réduit à un minimum, la responsabilité du programme du projet, de sa livraison et de son achèvement incombant au préfabricant/fabricant ou au sous-traitant spécialiste. Figure 4.4 Modules fabriqués en Pologne et montés à Londres Page 8

9 5. Construction hybride La quatrième méthode de réalisation peut inclure deux ou trois des systèmes précités, avec en plus l'ajout éventuel d'éléments en acier laminé à chaud (ou en béton). C'est pour cette raison qu'on parle de construction hybride. En principe, la construction hybride utilise chaque méthode à son meilleur avantage. L incorporation d éléments structuraux laminés à chaud (ou en béton), permet en outre d'élargir le domaine des constructions légères en acier aux constructions résidentielles plus grandes et plus hautes. Des projets de 6 à 9 étages ne sont pas inhabituels et certains projets jusqu'à 22 étages ont été construits. Le projet de Lingham Court à Londres, Figure 5.1, illustre un exemple de grande structure hybride. Ce projet à usage mixte composé de 80 unités utilise des panneaux pour le corps principal de la structure et des nacelles de grandes dimensions pour les salles de bain et les cuisines. Des éléments tridimensionnels en acier laminé à chaud ont été préfabriqués pour les cages d escaliers et d ascenseurs. La partie ovale de 8 étages du bâtiment est de type «stick building» parce qu'aucune autre méthode n'aurait permis de réaliser cette partie de la construction de manière économique. Figure 5.1 Lingham Court, Londres 6. Choix du système Parmi les quatre systèmes, lequel est le mieux adapté à un projet donné? La construction par éléments est essentiellement traditionnelle, si ce n est qu'une ossature légère en acier remplace le bois, les briques et les parpaings. La construction par éléments convient bien à des constructions résidentielles uniques à un ou deux étages. Aux États-Unis, elle a fait ses preuves pour des constructions résidentielles à grande échelle de faible hauteur, où tout un chantier devient en fait une usine. Cependant, dans la plupart des cas, les Page 9

10 constructions par éléments excluent les bénéfices potentiels d'économies de temps, d'argent et du contrôle de qualité qu'offre la préfabrication. Parmi les considérations favorisant une construction par éléments, on retiendra les points suivants : La disponibilité de sous-traitants spécialisés appropriés (équipes de montage) Le projet convient à une construction légère en acier mais il est trop difficile à préfabriquer La conception du projet empêche toute répétition La capacité de préfabrication n'est pas disponible Le délai de construction n'a pas une importance critique La méthode de construction par panneaux (ouverts ou fermés) présente un compromis entre la construction par éléments et les solutions tridimensionnelles. La méthode par panneaux réduit les délais de construction sur le chantier et génère donc des économies de coûts. Toutefois, puisque la superstructure d'un projet résidentiel ne représente que 15 % environ du coût de la construction, les économies dérivées de la répétition ou de la fabrication en usine resteront modestes et sont même susceptibles d être absorbées par les coûts de transport. Parmi les considérations favorisant l'emploi de la méthode de construction par panneaux, on retiendra les facteurs suivants : La disponibilité de sous-traitants spécialisés et expérimentés La disponibilité de spécialistes capables d'intervenir dans les délais du projet Le délai de projet sur place est critique Le projet permet une répétition raisonnable (voire meilleure) des panneaux Les considérations de conception architecturale empêchent les solutions tridimensionnelles Les frais de transport sont acceptables dans les limites du plan financier La méthode de construction tridimensionnelle ou modulaire légère en acier présente la solution la plus rapide de construction sur le chantier ; pour cette raison, elle génère les meilleures économies possibles. L'emploi à bon escient de la construction modulaire est cependant étroitement lié à la conception du projet. Lorsque la conception entraîne un degré de répétition important, comme dans les projets d'hôtel, de motel ou de résidence universitaire, la construction modulaire est une solution évidente et réaliste. La qualité de la construction modulaire dépend en grande partie des spécifications du client. En se basant sur les mêmes spécifications de projet, il est probable, ou tout du moins vraisemblable, qu'un produit construit en usine soit de meilleure qualité qu'un produit similaire construit sur le chantier. La construction modulaire s'accompagne de ce qui peut être considéré comme deux limitations de conception, provenant toutes deux de la taille cubique importante du «bloc de construction». En premier lieu, la taille du bloc de construction peut restreindre les options du projeteur en matière de créativité. En deuxième lieu, les limites des dimensions Page 10

11 transportables déterminent dans les faits la dimension des pièces. Toutefois, en dépit de ces limitations, de très bonnes solutions de conception sont possibles. Parmi les considérations favorisant la construction modulaire, on retiendra : La disponibilité de fabricants appropriés Une capacité de production disponible et dans les délais Une conception architecturale appropriée Des contraintes critiques de temps sur le chantier Un réseau de transport raisonnable (ou meilleur) La construction hybride offre au projeteur les options de conception les plus souples. Cette méthode est tout particulièrement adaptée pour les projets complexes de bâtiments multiétagés, tout en pouvant parfaitement être employée pour des projets à un ou deux étages. Deux projets illustrent ce point. Le premier est le projet primé de Beaufort House, réalisé pour le Peabody Trust, à Londres (Voir la Figure 6.1 ci-dessous). Il s'agit là d'un exemple de construction hybride employé dans un projet urbain de 6 étages comportant 76 unités. Dans ce projet, les panneaux minces préfabriqués en acier constituent le principal système de construction. Les panneaux sont toutefois renforcés d'éléments en acier laminé à chaud, là où s'exercent les charges concentrées. Des cages préfabriquées en acier laminé à chaud sont utilisées pour les cages d'ascenseurs et d escaliers et une ossature en acier laminé à chaud est incorporée dans la conception de la façade et des balcons. La solution hybride est complétée par l'emploi de nacelles structurales pour les salles de bain, le composant de construction présentant la plus forte valeur ajoutée, qu'il est préférable de construire en usine. Le second projet, également illustré ci-dessous (Figure 6.2), est le projet Advance Housing élaboré par le cabinet Barrett and Terrapin. Tout en se contentant de réaliser uniquement des maisons individuelles, ce projet fait appel au système hybride pour une structure simple à deux étages qui, au premier abord, dissimule la complexité de sa construction. La construction emploie un système à parois fermées pour la majeure partie de la structure, tout en incorporant également des nacelles tridimensionnelles pour les salles de bain et les cuisines. On obtient ainsi une maison de grande qualité, fabriquée en usine, adaptée à une répétition multiple sur toute site approprié. Ces deux projets ont davantage de similitudes sur le plan intellectuel que leur taille ne le laisse supposer. Page 11

12 Figure 6.1 Beaufort House : structure résidentielle hybride à 6 étages composée de 76 unités, Londres Figure 6.2 Maisons hybrides légères en acier conçues par Advance Housing Ltd pour Barrett Developments PLC, UK Parmi les considérations favorisant la construction hybride, on retiendra : La disponibilité de sous-traitants spécialisés expérimentés. Il est à noter que les compétences requises pour une construction hybride seront vraisemblablement plus élevées que celles exigées par des méthodes de construction plus simples. Page 12

13 Le projet est-il adapté à une construction hybride, c'est-à-dire est-il possible de le diviser en zones de grande valeur et hautement équipées favorisant l'emploi de nacelles et en zones plus simples pour lesquelles la construction par panneaux est préférable? Le délai de construction sur chantier est important, ce qui justifie les efforts de préfabrication. Est-il possible de compenser les coûts de conception vraisemblablement plus élevés par des économies de construction? Le Tableau 6.1 récapitule les méthodes de construction utilisant des éléments minces en acier les plus envisageables en fonction de différents types d'habitations. Il constitue un guide indicatif raisonnable ; dans la réalité cependant, les options peuvent varier selon les opportunités qui se présentent et les exigences spécifiques de chaque projet. Tableau 6.1 Formes de construction résidentielle et choix du système structural Système structural Type d'habitation Éléments Panneaux Volumétrique Hybride Autoconstruction Individuel Attenantes/Rangées Appartements (1 à 4 étages) Appartements (plus de 4 étages) Hôtels, résidences universitaires, etc. Optimum Possible 7. Options de contrats et Services d'ingénieurconseil Une fois le système de construction retenu, il reste à déterminer la relation organisationnelle entre les parties en charge de la réalisation du projet. Il est préférable de déterminer ces relations en même temps que le choix du système. Les remarques suivantes portent sur les choix ou options d'ordre général en termes de relations, et sur les formes de contrats spécifiques qui varieront en fonction des pays et de la situation des clients. Parmi les questions les plus importantes à résoudre, on retiendra les suivantes : Qui est l'entrepreneur principal? Quelle est la relation entre l'entrepreneur principal et le spécialiste principal de la construction légère en acier? Qui fournit les services d'ingénierie structurale? Quelle est la relation entre l'architecte du propriétaire et le spécialiste principal de la construction légère en acier? Qui fournit les détails architecturaux clés? Page 13

14 Chaque méthode est étudiée et discutée ci-dessous. La méthode par éléments : il s'agit de la forme organisationnelle la plus simple. Dans ce cas, le spécialiste sera vraisemblablement un sous-traitant désigné et le contrat lui aura été adjugé en qualité de sous-traitant par appels d'offres mis en concurrence ou par négociations. Il est très probable que les services d'architecture et d'ingénierie seront fournis de manière conventionnelle, bien que le sous-traitant de la construction légère en acier puisse avoir une contribution à apporter. La méthode par panneaux : ce système de construction est en tout état de cause plus complexe que la méthode par éléments et sera nettement plus complexe si le spécialiste conçoit un système sur mesure. En fonction du système retenu, le spécialiste peut assurer les services d'ingénierie de la superstructure et peut participer matériellement aux détails du système. Dans ce cas, il sera nécessaire de déterminer précisément les domaines de responsabilité et l'étendue des services et de la fourniture du produit. L'architecte du propriétaire fournira la conception principale du bâtiment, mais les contraintes du système par panneaux utilisé se répercuteront sur la planification et les détails du projet. L'ingénieur de construction du propriétaire peut se contenter de fournir des services d'ingénierie du site, des réseaux et équipements techniques. Il est crucial de contrôler et de définir les interfaces de travail. La méthode volumétrique ou modulaire : pour cette méthode, le fabricant modulaire peut, dans la pratique, devenir l'entrepreneur principal. Les services d'ingénierie de construction seront vraisemblablement assumés par le fabricant modulaire. L'architecte du propriétaire du bâtiment devra travailler étroitement avec le fabricant : au mieux cette collaboration sera fructueuse, au pire elle sera conflictuelle. La méthode hybride : cette méthode présente potentiellement l'ensemble le plus complexe de relations contractuelles. Avec cette méthode, il est peu probable que le spécialiste de construction légère en acier dispose des ressources nécessaires pour fournir l'intégralité des éléments hybrides et le spécialiste peut choisir ou non d'assumer la responsabilité de la fourniture de l'ensemble des composants hybrides. Par ailleurs, les services d'ingénierie structurale sont complexes sur le plan contractuel, le spécialiste fournissant une partie ou l'ensemble des services d'ingénierie. Il est primordial de définir les interfaces et la coordination de la construction, et cette responsabilité incombe à l'entrepreneur principal. En résumé, l'étendue des services fournis par un sous-traitant spécialiste de la construction légère en acier variera en fonction de ses compétences et des exigences du marché. Les services spécialisés recouvrent normalement les domaines suivants : La fabrication, sa conception et ses détails La fourniture de l'acier nécessaire pour l'un des quatre systèmes Le montage de l'ossature structurale légère en acier Les services optionnels peuvent inclure : Un ensemble complet d'ingénierie structurale (superstructure) La fourniture d'éléments en acier à valeur ajoutée, par ex. : cloisons, balcons, escaliers, cages d'ascenseurs La fourniture d'éléments liés au système, par ex. : isolation, bardage, systèmes de façade, etc. Page 14

15 Les autres services de conception liés à la performance du système léger en acier, par ex. les détails et l'analyse acoustique et thermique, les systèmes de protection contre les incendies, etc., devront aussi être envisagés, souvent par l'entrepreneur spécialisé. Le processus et les méthodes employés pour la réalisation de structures légères en acier ne cessent d'évoluer et les entrepreneurs spécialisés dans ce domaine répondent aux demandes du marché. Le Tableau 7.1 suggère les méthodes de réalisation les plus adaptées aux systèmes de construction employés. Tableau 7.1 Disposition contractuelle et réalisation d'ossatures légères en acier Modes de construction Disposition contractuelle Responsabilité du soustraitant Éléments Panneaux Volumétriq ue (Modulaire) Hybride (Système mixte) Sous la responsabilité du promoteur (conception, construction et financement) Sous la responsabilité de l'entrepreneur (contrat de conception/construction) Contrat conventionnel (Construction sur appel d'offres) Conception complète de l'ensemble des systèmes déterminée par l'architecte du promoteur Coordination de la conception par le soustraitant spécialisé Conception et installation de composants spécialisés par le soustraitant Installation seulement de composants spécialisés par le sous-traitant Fourniture seulement de composants spécialisés Installation par le constructeur Contrat de sous-traitance désigné (conception et installation) probable possible improbable Le tableau ci-dessus n'est donné qu'à titre indicatif. L'expérience prouve en effet que pratiquement n'importe quelle disposition contractuelle est envisageable si les participants sont disposés à le faire. Toutefois, on peut tirer trois conclusions du tableau : Plus la méthode de réalisation est complexe, moins il y a de chance que le projet soit alloué par un appel d'offres en concurrence : il est préférable de procéder à des négociations. Le choix, en tout début du processus de conception, de la méthode et du spécialiste offrira les meilleures opportunités de réalisation. Des dispositions de partenariat véritable entre propriétaire, entrepreneur principal et spécialistes sont les mieux adaptées pour tirer le plus de profit possible de méthodes de construction et de réalisation novatrices. Page 15

16 Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Systèmes de construction et méthodes privilégiées pour la réalisation de constructions résidentielles constituées d'éléments minces en acier Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par J Baker SCI Contenu technique vérifié par G W Owens SCI Contenu rédactionnel vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires : 1. Royaume-Uni G W Owens SCI 18/04/06 2. France A Bureau CTICM 18/04/06 3. Suède B Uppfeldt SBI 11/04/06 4. Allemagne C Müller RWTH 18/04/06 5. Espagne J Chica Labein 18/04/06 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G W Owens SCI 20/07/06 DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : eteams International Ltd 07/07/06 Ressource traduite approuvée par : A Bureau CTICM 13/07/06 Page 16