Analyse de la coupe d un mur extérieur : La maison R40

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1 Analyse de la coupe d un mur extérieur : La maison R40 Par: Maïa Djambazian Catherine Nathalie Marcoux ravail présenté à Omar Bakar dans le cadre du cours ARC2301 Date: 20 novembre 2008

2 able des matières La maison R-40 2 La construction en ballots de paille 3 Coupe du mur extérieur sud 4 Étude thermique ciel clair 5 Étude thermique ciel moyen 7 Étude de transfert d humidité 9 Conclusion 11 Annexe Données sur la paille et le stucco 12 Bibliographie 13 1

3 La maison R40 La maison R40, conçue par Julia Bourke, architecte, et d une superficie de 2000 pieds carrés, est un projet pilote de construction écologique en milieu urbain. Une charpente en bois soutient la maison et le toit, alors que l isolation est faite de ballots de paille. Le tout est recouvert de trois couches de stucco, tant à l intérieur qu à l extérieur. Puisque l humidité est l un des pires ennemis de paille, Julia Bourke avait placé des capteurs d humidité dans les murs afin de vérifier leur état. Après plusieurs années, aucun problème ne fut détecté, cependant, ce n est pas le cas de toutes les maisons construites avec des ballots de paille. Au niveau thermique, tous les spécialistes sont d accord pour dire qu il n y a aucun problème. Il serait intéressant de voir à quel point cela est vrai avec la modélisation d un mur extérieur (façade sur rue dans notre cas, puisqu elle est orienté vers le sud et subit de grands écarts de température) et l analyse des échanges thermiques et des transferts de vapeur d eau qui s y produisent. (2,3,10) 2

4 La construction en ballots de paille La construction de maisons de paille se fait depuis fort longtemps, principalement en Afrique ou dans le sud de l Europe. Cependant, ce n est qu avec l arrivée des presses à fourrage à la fin du 19ème siècle que ceux-ci furent utilisés dans la construction des habitations. Les techniques et méthodes de construction ont légèrement changé depuis, surtout avec l apparition de nouveaux matériaux, mais c est surtout grâce aux essais et erreurs de ses amateurs qu elles ont évolué. (1, 6, 9) En résumé, une maison isolée avec des ballots de paille aura des murs extérieurs beaucoup plus épais : le ballot faisant entre 14 et 18 pouces de profond, selon son orientation. Les ballots de paille sont empilés et compressés les uns sur les autres. Un crépi, du stucco ou du béton est ensuite appliqué des deux côtés du mur pour isoler la paille des intempéries et sert aussi de finition. Le mélange lui-même varie souvent d une construction à l autre et semble être l un des enjeux les plus importants sur la qualité de l isolation. Bien que les ballots peuvent être structurant (pour les maisons à un étage seulement), une charpente en bois ou en béton est souvent utilisée pour renforcir le tout et faire approuver la méthode de (6, 9) construction par les autorités. Puisque les ballots de paille restent assez flexibles, il est possible de faire des formes variées, permettant ainsi une variétés d architectures allant de la maison carrée typique à des maisons courbes en forme de piano. Un autre avantage des ballots de paille est leur très faible coût et leur côté écologique, le tout en permettant une très bonne isolation thermique. (3,6,9) Des études sur cette méthode de construction ont été réalisées lors vingt dernières années. Ici, au Canada, la Société canadienne de l hypothèque et de logement a publié plusieurs documents et rapports de recherche sur le sujet et a d ailleurs une bibliographie, disponible sur leur site Internet, très complète sur le sujet. 3

5 Coupe du mur extérieur sud 4

6 Étude thermique ciel clair Composants E mm R R/R Été Été Hiver Hiver m² K/ W C C C C empérature extérieure Film d'air extérieur empérature de surface extérieure Stucco Ballot de paille Stucco empérature de surface intérieure Film d'air intérieur empérature intérieure otal Par ciel clair, l enveloppe doit fournir beaucoup d efforts pour contrôler les échanges thermiques car dans ces conditions de ciel dégagé, elle subit directement les effets du rayonnement solaire. Ainsi, à cause du jeu d absorption et d émissivité, la température de surface extérieure augmente par rapport à la température extérieure, puisque rien ne protège cette surface extérieure (le film d air extérieur n étant pas présent pour servir de barrière additionnelle aux échanges thermiques). Ainsi, c est dans ces conditions de ciel clair que l efficacité de la paille en tant qu isolant est soulignée, car il y a un effort de plus à fournir, un obstacle de plus à surmonter. 5

7 Étude thermique ciel clair La résistance thermique du ballot de paille par rapport à celle du stucco est très importante. C est la paille qui va faire l essentiel du travail de blocage des échanges thermiques, en été comme en hiver, car les résistances du stucco et du film d air intérieur et extérieur sont négligeables. Dans la paille, la température diminue de 55º C environ en été, tandis qu avant et après elle, il y a des baisses de températures que très minimes, soit autour de 1º C par couche. Ceci est très évident sur la coupe de l enveloppe car nous pouvons apercevoir que c est à partir de la couche de paille que la courbe de température commence à subir une descente alors que la courbe reste plutôt constante dans les couches de stucco, et surtout dans la couche de stucco intérieure, où elle reste quasi horizontale. De la même façon, en hiver, la couche de paille est celle qui travaille le plus fort dans l enveloppe, puisqu elle réussit à créer un écart d environ 53º C. En effet, la température du stucco est quasi égale à la température de surface extérieure soit de -35º C environ, tandis que la température à la sortie de la couche de paille est de 19º C environ. C est encore la paille qui agit comme isolant thermique exceptionnel! 6

8 Étude thermique ciel moyen Composants E R mm R/R Été Été Hiver Hiver m² K/ W C C C C empérature extérieure Film d'air extérieur empérature de surface extérieure Stucco Ballot de paille Stucco empérature de surface intérieure Film d'air intérieur empérature intérieure otal Par ciel moyen, s ajoute à l enveloppe une résistance de plus : celle du film d air extérieur, servant de barrière thermique atténuant les températures extérieures au lieu de les exagérer (c est ce qui se produisait en ciel clair). En effet, dans ces conditions, une couche d air dense se forme à la surface de l enveloppe (à cause des différences de températures) et rend plus difficile l entrée de chaleur et de froid dans l enveloppe. De plus, on constate que la résistance des matériaux de l enveloppe en général est plus faible en ciel moyen, donc nuageux, en comparaison à un ciel clair, soit dégagé. Nous essaierons de comprendre la raison de ce fait. 7

9 Étude thermique ciel moyen En été, avec des conditions de ciel moyen, chacune des couches de l enveloppe fait moins d effort pour bloquer la chaleur qui pénètre dans l enveloppe puisque le film d air extérieur agit déjà en réduisant la température de surface extérieure de l enveloppe et qu une partie du rayonnement solaire est arrêté par les nuages. C est ce qui explique que les différentes couches de l enveloppe travaillent moins qu en ciel clair, et ce, surtout pour la paille qui ne subira qu un écart de 14ºC au lieu de 55ºC en ciel clair, ce qui est une différence considérable. Même chose pour l hiver, alors que la paille travaille beaucoup moins en ciel moyen qu en ciel clair, l écart des températures subites étant moindre. Nous pourrions penser que l enveloppe, et plus précisément la paille perd de son efficacité, car, en été notamment, la courbe de température descend moins rapidement que par ciel clair, cependant ce n est pas le cas : c est plutôt les écarts de température qui sont plus petits, grâce, entre autre, à la présence d un film d air extérieur de surface. C est encore au niveau de la paille que l enveloppe atteint son maximum d efficacité; puisque c est à cet endroit que s opèrent les changements de température les plus importants. Au niveau des autres couches, soit le stucco intérieur et extérieur, et les films d air intérieur et extérieur, la courbe ne subit aucune variation importante. La paille est donc, encore une fois, un matériau qui assure un bon équilibre des températures dans l enveloppe. 8

10 Étude de transfert d humidité Composants E R mm R/R P PW Hiver PWs Pa s m ²/ng Pa Pa C Pa empérature extérieure % Film d'air extérieur empérature de surface extérieure % Stucco % Ballot de paille Stucco empérature de surface intérieure Film d'air intérieur empérature intérieure otal HR % % % % % Pour étudier les transferts d humidité à travers l enveloppe de la maison, nous considérons les conditions hivernales puisque c est à cette époque de l année que la différence de température extérieur-intérieur est la plus importante, résultant ainsi en un travail accru de l enveloppe, peu importe si le ciel est clair ou non. En effet, c est dans ces conditions que la vapeur d eau, provenant de l intérieur, a plus de chance de se condenser ce qui provoquerait la détérioration de l enveloppe, notamment à l intérieur même de la paille. En gros, c est le stucco qui va réussir à empêcher la vapeur d eau de rester dans l enveloppe et de se condenser dans la paille. 9

11 Étude de transfert d humidité Plus on avance vers l extérieur, plus la vapeur d eau a tendance à se condenser car l humidité relative augmente de plus en plus, alors que la température diminue. C est le principal risque des enveloppes traditionnelles. Ici, nous pouvons clairement voir que ce n est pas le cas: l humidité relative ne dépasse pas 54% et jamais la pression réelle de vapeur d eau sera supérieure à la pression à saturation. Pour ce cas aussi, nous serions tentés d affirmer que c est la paille qui agit de façon exceptionnelle, puisqu il n y a pas de pare-vapeur dans la composition du mur et que c est dans cette couche que se trouve le plus grand écart entre les valeurs d humidité relative et de pression réelle et à saturation. Cependant, il serait beaucoup plus probable que ce soit la nature même du mur en ballots de paille qui fait en sorte qu aucune condensation ne se produit. Contrairement à nos murs traditionnels, les murs en ballots de paille respirent: l air y circule, sans affecter les conditions intérieures, comme il a été vu plus haut. Pour que le mur respire, il doit être recouvert convenablement, sans avoir trop de ciment (imperméabilise beaucoup trop) et sans avoir trop de chaux (pas assez perméable). Dans le cas de la maison R40, il y a autant de chaux que (3, 10) de ciment et cette combinaison semble plutôt efficace pour ce type de maison. Pour bien comprendre ce phénomène, nous pourrions faire l analogie avec de l herbe dans un sac en plastique fermé hermétiquement : l eau va se condenser à la surface intérieure du plastique, détériorant l herbe. Par contre, si quelques petits trous sont réalisés dans le sac, l air y circulera plus librement, enlevant ainsi le surplus d humidité. 10

12 Conclusion Les murs en ballots de paille proposent une solution simple et intéressante au problème de l isolation, tant thermique que pour les transferts de vapeur d eau. Le problème majeur est que cette méthode n est pas assez documentée et peu d études complètes ont été réalisées; il en résulte une pauvre réglementation : chacun construit selon ses connaissances et ses moyens. En effet, quand nous parlons de constructions en ballots de paille, il s agit le plus souvent d autoconstruction, soit de projets faits maison, de façon artisanale. Le stucco à base de chaux, de ciment et de sable semble une bonne solution pour recouvrir la paille, du moins par rapport aux aspects étudiés. Cependant, il semblerait que nos étés chauds aient quelques fois raisons de ce recouvrement : le stucco sècherait et des fissures apparaîtraient. Une solution trouvée pour régler ce problème serait d ajouter de l argile au mélange. Cependant, une telle enveloppe garde-t-elle toujours ces propriétés d origine? Est-elle toujours aussi efficace? Une autre question que nous pourrions nous poser est : est-ce que toutes les sortes de paille (blé, avoine, ) sont toutes aussi efficaces ou certaines le sont d avantage? Présentement, aucune distinction n est faite: les données disponibles n étant que pour la paille en général. Aussi, advenant la réglementation de cette méthode de construction, un autre problème pourrait se poser si elle devient une construction plus courante: la construction des maisons en ballots de paille entraînerait-elle des monocultures ou une surproduction de céréales? Certes, ce problème est d avantage environnemental qu architectural et est plutôt différent de celui des biocarburants à base de céréales puisque ce sont les déchets qui sont utilisés. Cependant, à la base, le problème devient le même: des céréales sont cultivées pour un autre but premier que de nourrir, lequel est un besoin vital. Un cas certes extrémiste Cependant, toutes ces dernières questions, et plus particulièrement la dernière nous font réaliser ceci : pour construire, il ne faut plus penser à petite échelle, mais à grande échelle, en prenant bien soin de limiter nos impacts sur l environnement. 11

13 Annexe Données sur la paille et le stucco Paille : Résistance thermique : 40 ft² F h/btu (3) ou 7.08 m² K/W (7) Perméance : 1.00 (7) Stucco : Mélange de une portion de ciment, une portion de chaux et six portions de sable. Conductivité thermique : 0,721 (4) Perméabilité : 10,3 ( 5) 12

14 Bibliographie 1. BERGERON, Michel. Maisons originales autoconstruite du Québec. Édition de l Oiseau Moqueur, Canada, pages. 2. BOURKE, Julia. [En ligne] (Page consultée le 8 novembre 2008) 3. BOURKE, Julia. Logements intercalaires en ballots de paille sur de petits lots urbains : étude de cas. Publié par Abordabilité et choix toujours, pages. 4. De PAOLI, Giovanni et PARISEL, Claude. ARC 2301 Climat et physique du bâtiment, Notes de cours. Automne FUGLER, Don. Propriétés de résistance à l humidité du plâtre et du stucco pour les bâtiments aux murs en ballots de paille. Société canadienne d hypothèques et de logement, pages. 6. MAGWOOD, Chris, MACK, Peter, HERRIEN, ina. More Straw Bale Buildings. New Society Publishers, Canada, pages. 7. MÉROH, Y. Donnesmateriaux.xls. [En ligne] (Page consultée le 12 novembre 2008) 8. PROVOS, Gilles. La Maison de paille revisitée. [En ligne] (Page consultée le 8 novembre 2008) 9. ROCHEFOR SIMARD, Jocelyn. Manuel de l autoconstruction : La maison en ballots de paille. Éditions de Mortagne, Boucherville, pages. 10. SCHL. Étude pilote de contrôle de l'humidité des maisons en ballots de paille. [En ligne] (Page consultée le 17 novembre 2008). 13