Formation Bâtiment Durable :

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1 Formation Bâtiment Durable : Matériaux d isolation : comment choisir? Bruxelles Environnement ISOLATION DES TOITS EN STRUCTURE BOIS Paul Eykens ISOPROC / INNOVISO

2 But de la conférence Présentation des critères pour le bon choix des matériaux pour l isolation de toitures plates et en pente construites en bois. Nous envisageons: 1. un fonctionnement efficace de l isolant, aussi à long terme, 2. un climat intérieur confortable et sain, 3. éviter des dégâts de construction, 4. une bonne relation prix/qualité. Comment choisir l'isolation des toitures d'un point de vue hygrothermique (inertie thermique et hydrique)? Comprendre sur base des aspects techniques les répercussions du choix d'un isolant sur la pérennité du bâtiment. Isolation des toits en structure bois. 2

3 Critères 1. Le froid: coefficient de conductibilité de chaleur λ D 2. La chaleur: coefficient de conductibilité de température a 3. L isolation et l absorption acoustique 4. Valeur de résistance à la vapeur μ et épaisseur équivalente de couche d air μd ou sd 5. Hygroscopique/capillaire versus hydrophobe 6. Etanchéité à l air de l isolant 7. Résistance au moisissures 8. Résistance au rongeurs 9. Sécurité d incendie: réaction au feu et résistance au feu 10. Panneaux durs - panneaux ou rouleaux résilients en vrac 11. Résistance à la compression 12. Naturelle, minérale, synthétique 13. Info sur l environnement et la santé: NaturePlus, FSC, ACV, 14. Homologations concernant les qualités techniques: ATE, ATG, 15. Prix des matériaux et de la mise en œuvre Isolation des toits en structure bois. 3

4 Contenu 0. Les critères 1. Risque de dégâts de construction 1. Pour quelles raisons? 2. Comment les éviter? 2. Forme des matériaux en fonction d un remplissage complet 3. Protection contre le froid 4. Protection contre la chaleur estivale 5. Ouvert à la diffusion et hygroscopique versus étanche à la vapeur et hydrophobe 6. Que faire en cas d étanchéité à la vapeur côté extérieur? Cas étudié: le toit plat. 7. Protection contre le bruit 8. Protection contre le feu Isolation des toits en structure bois. 4

5 Etanchéité à l air défectueuse (ou plutôt non existante) ±2002: rénovation d habitations sociales ; mauvaise étanchéité à l air de la toiture en pente ; n 50 entre 3,5/h et 9/h ±2004: agrandissement de bureaux d un bureau d étude ; mauvaise étanchéité à l air du toit plat ; n 50 = 4/h Etanchéité à l air très faible nombre de renouvellements d air élevé probablement humidité relative très basse

6 L air intérieur sec en hiver Une étanchéité à l air défectueuse mène à un climat intérieur très sec en hiver. teneur maximale en eau (g/m³) exemple : climat hivernal selon DIN 4108 température extérieure : -10 C teneur en eau maximale : 2,1 g/m³ humidité de l air relative : 80 % humidité de l air absolue : 1,7 g/m³ source : pro clima - Moll réchauffement température ( C) climat hivernal selon DIN 4108 température intérieure : +20 C teneur en eau maximale : 17,3 g/m³ humidité de l air absolue : 1,7 g/m³ humidité de l air relative : 9,9 %

7 Humidité suite à la diffusion et la convection 1m 1mm de construction isolée avec pare-vapeur µd = 30m 14cm d isolation ouvert à la diffusion fente de 1mm 1m 14 cm conditions ambiantes: intérieur +20 C, 50% HR extérieur -10 C, 80% HR diffusion en hiver : convection à travers la fente : 0,5g/[m 2.jour] 800 g/[m².jour] facteur 1600 Etanchéité à l air croissante => l HR augmente => condensation plus importante suite aux fuites. source: pro clima Moll; mesure: Institut für Bauphysik, Stuttgart, DBZ 12/89

8 Toiture avec lame d air ventilée entre sous-toiture et isolation lame d air ventilée Désavantages: isolation thermique moins performante: la couche de protection de l isolation manque épaisseur de l isolant moins importante chemin libre pour la convection. Isolation acoustique moins performante. Risque de condensation de l air extérieur dans le versant du toit. Mieux isoler => la temp. de la sous-toiture descend => la condensation augmente. source: pro clima - Moll photo: ISOPROC

9 Refroidissement pendant la nuit Pendant les nuits sans nuages, les surfaces qui refroidissent sont surtout celles: avec peu de capacité de stockage de chaleur (légères et valeur spécifique de chaleur basse) avec un taux d inclinaison limité Si en plus il y a très peu de mouvements d air (p.ex. toiture plate avec des acrotères élevés) la température de surface peut descendre jusqu à 15 C en-dessous de la température de l air. photo: Dialoog

10 Erreur de conception: pas de remplissage Erreur de conception. Risque de condensation de l air extérieur contre la sous-toiture, refroidi en-dessous de la température ambiante. De plus,l isolant n est pas absorbant. => Humidité élevée du bois possible, surtout au niveau des pannes et de la sablière. photo: Recticel Isolation des toits en structure bois. 10

11 Pour le séchage des constructions il faut de l énergie. Energie pour chauffer l eau: Energie pour évaporer l eau: J/(kg.K) J/kg Energie pour desserrer l eau des chaînes de cellulose: celluloseketens: jusqu à ± J/kg Mieux isoler => plus grande résistance à la chaleur => flux d énergie moins important => temps de séchage plus important. Isolation des toits en structure bois. 11

12 Attention aux dégâts de construction 1. Une étanchéité à l air croissante n est pas une garantie contre de petites fuites provoquant localement des concentrations d eau. 2. En cas de ventilation de la construction avec de l air extérieur, risque de condensation sur les surfaces froides. 3. En augmentant l isolation, le flux d énergie diminue (dans les deux sens) et le séchage devient moins évident. => Des compositions et des qualités d exécution qui avantavec des niveaux d isolation faibles et une mauvaise étanchéité à l air ne causaient que rarement des problèmes, peuvent devenir très dangereuses lors de l amélioration de l isolation et de l étanchéité à l air. Isolation des toits en structure bois. 12

13 Respecter les règles de base de la physique de la construction Extérieur: étanche au vent ouvert à la diffusion. Pas de couches d air intermédiaires. Intérieur: étanche à l air pas plus freinant à la vapeur que nécessaire: en hiver: «pare-vapeur» en été: «freine-vapeur» 1. Pas de condensation à cause de l air infiltré de l extérieur. 2. Réserve de séchage maximalisée. source: pro clima - Moll Isolation des toits en structure bois. 14

14 Bois de charpente non traité Conditions suivant la norme DIN Bois sans aubier, densité 500kg/m³ au minimum peu attractif pour les insectes 2. Sous-toiture fort ouverte à la diffusion lé de sous-toiture souple avec couche équivalente d air µd 0,10m ou panneau fibres bois épaisseur 25 mm peu de risque d augmentation de l humidité dans la construction 3. isolation remplissage complet sur la totalité de la hauteur des chevrons ouvert à la diffusion Les insectes ont des difficultés à se propager dans la construction. Pas de risque de condensation à cause d infiltration d air extérieur. L humidité peut migrer dans la construction. 4. Peau intérieure Étanche à l air Épaisseur équivalente d air µd 2 m en période estivale (freine-vapeur léger) La construction peut sécher vers l intérieur.

15 Contenu 0. Les critères 1. Risque de dégâts de construction 1. Pour quelles raisons? 2. Comment l éviter? 2. Forme des matériaux en fonction d un remplissage complet 3. Protection contre le froid 4. Protection contre la chaleur estivale 5. Ouvert à la diffusion et hygroscopique versus étanche à la vapeur et hydrophobe 6. Quoi faire en cas d étanchéité à la vapeur côté extérieur? Cas étudié: le toit plat. 7. Protection contre le bruit 8. Protection contre le feu Isolation des toits en structure bois. 16

16 Remplissage complet Forme des matériaux 1. Panneaux durs 2. Panneaux ou rouleaux flexibles 3. Fibres en vrac 4. Granulats Stabilité dimensionnelle Résistant à la compression? P.ex. toit plat chaud. Sensible au rétrécissement? Résistant au tassement? P.ex. les isolants insufflés: dépend de la qualité du produit et du placeur (formé et agréé). Isolation des toits en structure bois. 17

17 Mauvaise exécution: remplissage non complet L isolation a été coupée trop large trop poussée vers le haut. A différents endroits il manque 4cm, sur d autres 10cm et plus. Risque de «rinçage par le vent»: l air extérieur (froid) est soufflé à travers l isolant (non étanche à l air) jusqu au côté chaud, est chauffé, Monte entre l isolation et l étanchéité à l air, Est aspiré de l autre côté par sous-pression à travers l isolant part et emporte la chaleur. Les pertes d énergie sont plus importantes que calculées. Isolation des toits en structure bois. 18

18 Compartiments de formes complexes et irrégulières L isolation insufflée est la plus adaptée pour un remplissage sans fentes de constructions irrégulières. photo: Boomer photos: Houtnieuws mars

19 Contenu 0. Les critères 1. Risque de dégâts de construction 1. Pour quelles raisons? 2. Comment les éviter? 2. Forme des matériaux en fonction d un remplissage complet 3. Protection contre le froid 4. Protection contre la chaleur estivale 5. Ouvert à la diffusion et hygroscopique versus étanche à la vapeur et hydrophobe 6. Quoi faire en cas d étanchéité à la vapeur côté extérieur? Cas étudié: le toit plat. 7. Protection contre le bruit 8. Protection contre le feu Isolation des toits en structure bois. 21

20 Protection contre le froid Important pour l économie d énergie et le confort en hiver. Une valeur λ D basse permet de diminuer l épaisseur. Dans le cas des murs la règle est souvent «le plus mince possible», afin de gagner de l espace. En général moins important en toiture. Nouvelle construction: souvent pas de restriction en hauteur. En rénovation: souvent assez de place disponible dans la construction existante. P.ex.: chevrons (60mm) + pannes (175mm of 225mm). Les matériaux avec la meilleure valeur λ D (panneaux synthétiques durs) ne conviennent en général pas pour être enserrés dans la structure bois. Isolation des toits en structure bois. 22

22 Le coéfficient de conductibilité de température a a = λ/(ρ.c) ρ rho, densité du matériau [kg/m³] c chaleur spécifique du matériau [J/(kg.K)] Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1kg du matériau de 1 degré. ρ.c capacité de stockage de chaleur du matériau [J/(m³.K)] Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1m³ du matériau de 1 degré. Une capacité de stockage de chaleur importante est en général très positive: ça prend du temps avant que la composition soit chauffée => meilleure protection contre la chaleur estivale; Une fois chauffée la construction maintient mieux la température => maximisation des apports solaires. Isolation des toits en structure bois. 24

23 Caractéristiques des matériaux ρ c λ a = λ / (ρ.c) MDF ,09 2,57 sous toiture fibre bois ,048 3,34 bois ,14 4,87 liège expansé ,043 7,42 panneau Fermacell ,32 9,50 panneau flexible fibre bois ,039 11,31 vermiculite ,058 12,89 flocons de cellulose ,038 13,05 béton cellulaire ,2 13,20 brique ,55 14,75 verre cellulaire ,045 14,85 Matériaux avec une valeur λ basse conviennent pour l isolation en hiver. Ils maintiennent le froid à l extérieur et le chaud à l intérieur. Matériaux avec une valeur a basse, ici exprimé en [cm².h]) apportent du confort en été. Ils aident à maintenir la chaleur à l extérieur et le froid à l intérieur. poly-isocyanurate ,024 20,52 rouleau de lin ,038 24,26 béton ,3 25,35 PS expansé ,034 29,06 laine minérale ,035 50,06

24 Confort estival: diminution de l amplitude [-] et déphasage [h] panneau fibres bois Celit 4D sous toiture souple laine minérale 29,4 C sous toiture souple et laine minérale 25,4 C 22h 2h30 source: isofloc Heure du jour (décimal)

25 Confort estival La protection contre la chaleur estivale est exprimée en déphasage [h] en diminution d amplitude [-] et dépend de: 1. Les surfaces opaques (fenêtres, coupoles, ) Taille et orientation Caractérsitiques techniques Protection contre le soleil (écrans solaires, débordements, arbres, ) 2. La ventilation (intensité, comment et quand) et l infiltration (l étanchéité à l air) 3. Les gains de chaleurs internes 4. La capacité de stockage thermique du bâtimenteit van het gebouw 5. Composition des parois Présence d une couche de protection d isolation Résistance thermique (valeur λ et épaisseurs) Capacité de stockage thermique (densité et chaleur spécifique) séquence des couches. dessin: pro clima - Moll Isolation des toits en structure bois. 27

26 Confort estival : conclusions En général le confort estival ne dépend pas d abord du choix de l isolant. Néanmoins l importance du choix de l isolant augmente si l épaisseur de l isolant est limité. Exemple extrême : collier isolant autour d une fenêtre de toit. Si la température extérieure est très élevée: couverture avec une couleur foncée. P.ex. : toit plat; gouttières autour d une fenêtre de toit. Pas de ventilation en-dessous de la couverture. P.ex. ; toit plat; gouttières autour d une fenêtre de toit. Dans le cas d isolation supplémentaire, surtout du côté intérieur. P.ex.: 60mm de panneaux fibres bois avec enduit ajouté du côté intérieur d un toit déjà isolé avec 175mm de laine minérale entre les planches chevrons. Isolation des toits en structure bois. 28

28 Protection optimale contre l humidité Ne laissez pas déborder le tonneau! convection diffusion dessin: pro clima - Moll potentiel de séchage vers l intérieur Alternative: augmenter la taille du tonneau? potentiel de séchage vers l extérieur

29 humidité de la matière en % de la masse Isothermes de l ouate de cellulose et du bois source: ,7 7 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% humidité relative de l air à 20 C absorption cellulose désorption cellulose absorption bois désorption bois p.ex.: humidité relative 50% - cellulose 7,0% d humidité en masse - bois 8,7% d humidité en masse Isolation des toits en structure bois. 31

30 Augmentation de la capacité de stockage? Les isothermes d humidité du bois et de la cellulose (papier, fibres de bois, de chanvre, de lin, du coton, ) se ressemblent fortement. En équilibre, l humidité dans la cellulose est en général un peu en-dessous de celle du bois avec lequel elle est en contact. Les isolants végétaux augmentent énormément la capacité de stockage. Exemple: charpente en planches chevrons 35/225mm, tous les 50cm => 8kg/m² isolant végétal avec ρ = 40kg/m² => 8kg/m² => + 100% panneau de sous-toiture fibres bois 22mm, ρ = 270kg/m² => 6kg/m² => + 75% Mais: Même avec un stockage élevé: il faudra que la composition sèche. L humidité peut migrer dans la composition. Isolation des toits en structure bois. 32

31 Ouvert à la diffusion et hygroscopique Toit en matériaux hygroscopiques, sans étanchéité à l air, ni freine-vapeur Composition: tuiles en béton panneau sous-toiture isolant fibre bois 22mm Celit 4D 140mm de cellulose insufflée 12,5mm panneau Fermacell Climat extérieur: Holzkirchen (Munich) recherche: Fraunhofer Institut für Isolation Bauphysik, des toits 1993 en structure bois. 33

32 Ouvert à la diffusion et hygroscopique Suivant Glaser augmentation du panneau de sous-toiture avec plus de 1000g/m² d humidité. En réalité l humidité reste en-dessous des 20%. Recherche: Fraunhofer Institut für Bauphysik,

33 Ouvert à la diffusion et hygroscopique L humidité des chevrons reste en dessous de 20%, aussi bien dans le versant nord que sud et est ± équivalente à celle du panneau de sous-toiture. En profondeur l humidité du bois est un peu inférieure à celle du Celit. L humidité de la cellulose, insufflée avec une humidité de ± 13,5 %, augmente jusqu à ± 16,5 % en fin d hiver. Elle approche les 20% seulement dans la partie extérieure du versant nord Recherche: Fraunhofer Institut für Bauphysik,

34 Ouvert à la diffusion et hygroscopique Conclusion 1. Bien que la construction ne soit pas conforme à la norme DIN 4108, elle fonctionne sans problèmes pour la diffusion de vapeur. 2. Des constructions ouvertes à la diffusion possèdent suffisamment de potentiel de séchage pour évacuer l eau de «condensation» provoquée par la diffusion pour compenser les problèmes dus au défauts dans l étanchéité imparfaite à l air (convection). 3. Pouvoir de stockage des isolants utilisés: cellulose: 140mm d isofloc à 50kg/m³ => 7kg/m²; une augmentation de l humidité de 13% à 20% induit une capacité de stockage de > 0,5litre/m²; Panneau de sous-toiture: 22mm Celit à 270kg/m³ => 6kg/m²; une augmentation de 15% à 20% induit une capacité supplémentaire de 0,3litre/m². Recherche: Fraunhofer Institut für Bauphysik,

36 Isolation des constructions très étanches à la diffusion du côté extérieur Métal, roofing, caoutchouc, PVC, des matériaux qui rendent les parois très étanches à la diffusion du côté extérieur. => Compositions délicates: toits plats toitures inclinées avec couverture dans ces matériaux, toitures inclinées avec sous-toiture freinant fortement la vapeur; cas extrême: isolants reflétant multicouches lucarnes revêtues de ces matériaux gouttières. Ces constructions demandent une attention particulière lors de La conception et préparation le choix des matériaux Le planning et la coordination L exécution et le contrôle de l étanchéité à l air.

37 1. Toit plat chaud: composition Etanchéité Isolation Pare-vapeur Platelage Structure portante Finition Isolation: résistant à la compression résistant à la pourriture/putréfaction. Danger pour diffusion inversée en cas d eau stagnante => attention dans le cas d une toiture verte. Isolation des toits en structure bois. 39

38 Toit chaud: inonvénients Raccord de l étanchéité en toiture souvent difficile - impossible: Comment connecter le pare-vapeur sur le platelage avec le plafonnage des parois; le frein-vapeur dans les versants de la toiture inclinée? Le contrôle de l étanchéité à l air avec un test de pressurisation est presque impossible. La pose du pare-vapeur et de l isolant se font dans des conditions extérieures => risque d inclusion d humidité. foto: denboertwo.nl 42

39 Fonctionnement du toit plat compact Transport de chaleur et d humidité dans le toit plat compact. Isolation des toits en structure bois. 43

40 Isolation hygroscopique versus non-hygroscopique. Avantages de l isolation non-hygroscopique : en été il reste moins d humidité dans la partie inférieure de l isolation, humidité qui en hiver migrera de nouveau vers la partie supérieure de la toiture. Avantages de l isolation hygroscopique: des charges d humidité locales (p. ex. à cause de fuites dans le freine-vapeur) seront reparties ; dans les toitures ensoleillées, moins de risques d avoir des conditions favorables pour les moisissures au-dessus du freinvapeur. Isolation des toits en structure bois. 46

41 Toit plat compact : recommandations kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk k Matériaux absorbants (bois et dérivés, isolation): + dans la partie extérieure: la construction portante elle-même sera moins chargée d humidité - dans la partie intérieure: il reste plus d humidité dans la construction. Isolation des toits en structure bois. 47

43 Protection contre le bruit Le confort acoustique devient plus important. Toujours plus de bruit >< plus de stress. Principes de l isolation acoustique: masse resort masse couverture étanche ou sous-toiture lourde charpente ou Metalstud finition intérieure pour absorption des basses fréquences entre les deux masses 25cm de distance remplissage avec un isolant absorbant + fibres sous forme de panneaux non rigides ou de rouleaux ou en vrac - panneaux durs, légers et avec des pores fermés éviter les trous et les fentes. dessin: CSTC photo: habitos.be 51

44 Protection contre le bruit Exemple d une mauvaise composition et exécution. La masse totale est assez limitée. Le ressort manque => construction très rigide. Pas assez d épaisseur pour diminuer suffisament les fréquences basses. Pas d isolant absorbant. Des fentes importantes entre les éléments de toitures préfabriqués et les fenêtres de toitures. photo bouwinfo.be 52

45 Protection au feu Réaction au feu Comment se comporte l isolant en cas d incendie? Pour comparer : bien vérifier à quelle norme on fait référence : européenne, allemande, belge, L isolation se trouve en général derrière la finition. Dans le passé testé sur le produit même, maintenant de plus en plus en combinaison avec un support etc. photo: isofloc 54

46 Protection au feu Résistance au feu En général réalisée en premier lieu avec le revêtement: panneaux de plâtre, panneaux fibres ciment, panneaux en dérivé de bois, L isolation aide à protéger le bois contre la carbonisation. Le feu est une forme extrême de chaleur. Des matériaux hygroscopiques avec un coefficient de transmission de température bas donnent souvent des très bons résultats. 55

47 A retenir Le choix des matériaux d isolation est basé sur toute une série de critères. Une valeur λ D très basse n est en général pas une exigence obligatoire. Les matériaux naturels augmentent l inertie thermique, mais dans ce cas l influence sur le confort estival est limitée. Les constructions en bois deviennent plus sensibles à des dégâts de construction. Les matériaux naturels augmentent la capacité de stockage hydrique, mais aussi importants demeurent : une bonne conception initiale une exécution suivant les règles de l art. 56

48 Contact Paul Eykens Boterstraat 23 A, 2811 Mechelen 015/ ISOPROC INNOVISO Isoler pour demain Centre d expertise neutre pour l isolation, l étanchéité à l air, au vent et à la pluie le contrôle.