Panneaux Métalliques isolés pour Haute-Performance
Il existe de meilleures pratiques bien établies en matière de construction de bâtiments éco énergétiques sur la voie du zéro net. Après la sélection du site et l’orientation du bâtiment, la considération la plus importante est peut-être l’enveloppe ou l’enveloppe du bâtiment. Ensuite, les mesures de conservation de l’énergie (MCE) sont déterminées en fonction de la performance prédictive d’efficacité énergétique de l’enveloppe. Ils comprennent également l’éclairage, l’équipement de CVC et les commandes. La dernière étape pour les bâtiments à haute performance et basse consommation consiste à concevoir des contributions à la performance des technologies utilisant des énergies renouvelables.
Les propriétaires d’immeubles, le Code national de l’énergie du Canada pour les bâtiments ( CNÉB ), Ressources naturelles Canada (NRC) et des programmes d’évaluation écologique comme celui du Conseil du bâtiment durable du Canada (CBDCa) ont imposé des exigences accrues en matière de performance énergétique des enveloppes .
L’enveloppe du bâtiment englobe toute la surface extérieure, les espaces intérieurs, y compris les murs, les portes et les fenêtres. Les critères de conception de base incluent le maintien de l’humidité et de l’air, tout en fournissant un contrôle thermique efficace. Les projets de construction et de rénovation nécessitent une connaissance et une application approfondies de la science du bâtiment dans la conception, l’évaluation et la spécification des matériaux, des systèmes et des assemblages des enceintes. Cette demande d’efficacité énergétique optimisée a accru l’intérêt porté aux ensembles d’enveloppes hybrides hautes performances et basse consommation d’énergie, au-delà des systèmes traditionnels construits sur site. Plus de nouvelles technologies et de nouvelles pratiques aux performances éprouvées sont adoptées, meilleures sont leurs chances d’être acceptées comme pratique standard. En intégrant au départ les caractéristiques d’efficacité énergétique, d’énergie renouvelable et de conception écologique durable dans un bâtiment, la consommation d’énergie peut être contrôlée.
Il existe de nombreux systèmes d’enveloppe hybrides existants et émergents à prendre en compte. Une possibilité est d’utiliser des panneaux métalliques isolés (PMI) pour les murs et les toits. Ces produits ont des performances éprouvées en tant que barrière d’infiltration de vapeur et d’air car il n’ya pas de conductance des métaux de la peau extérieure à la peau intérieure. Les PMI avec joints bien scellés ont été testés à une infiltration d’air de 0,00 selon la norme ASTM E283, Méthode d’essai standard pour déterminer le taux de fuite d’air par les fenêtres extérieures, les murs-rideaux et les portes soumises à des différences de pression spécifiées sur l’échantillon.
Les systèmes de revêtements fabriqués hors site sont testés comme des assemblages plutôt que comme des composants individuels de systèmes traditionnels construits sur site. Par conséquent, les PMI peuvent fournir un meilleur contrôle de la qualité pour le résultat de performance spécifié.
L’enveloppe du bâtiment
Dans le Building Science Digest 018 de The Building Science Corporation (BSC) , les enceintes sont spécifiées comme un terme préférable à « enveloppe du bâtiment », en grande partie parce qu’il est considéré à la fois plus général et précis, puisqu’il considère aussi bien les charges extérieures que les charges intérieures.
BSC indique également que la durabilité globale d’un bâtiment dépend des contraintes environnementales auxquelles ses matériaux sont soumis. À cet égard, un matériau (ou un assemblage) lui-même n’est ni durable ni non durable; c’est l’interaction du matériau (ou de l’assemblage) dans son environnement qui détermine sa durabilité. Par conséquent, certains ensembles de construction peuvent être plus adaptés à des environnements, des utilisations et / ou des charges d’occupation spécifiques.
Les décisions de conception émanant de la science des bâtiments d’enceintes à basse consommation d’énergie sont influencées par trois domaines clés: le support, les fonctions de contrôle et la finition. Les fonctions de support incluent des considérations sur la résistance, le transfert et la charge structurale (morte et vive) des environnements extérieurs et intérieurs.
Les fonctions de contrôle incluent le contrôle du flux d’air, de l’humidité, de l’énergie (chaleur) et du son. Les fonctions de finition incluent les surfaces de finition des enceintes et les interfaces avec les environnements extérieurs / intérieurs et tout ce qui relève de l’esthétique, ainsi que l’usure et les déchirures.
Le processus de conception a tendance à commencer par l’esthétique. Le spécialiste de l’enceinte travaille sur l’apparence souhaitée, en intégrant la science et la physique du bâtiment, les coûts initiaux, les performances fonctionnelles, la conformité, la détermination du coût du cycle de vie, les impacts environnementaux, la durabilité, la résilience et la durée de vie.
L’analyse des enceintes nécessite également une évaluation des tests des systèmes, y compris la résistance aux impacts, aux explosions et aux balles, à l’activité sismique et aux ouragans.
L’évaluation des propriétés comprend:
- La densité;
- La résistance au cisaillement;
- La résistance à la traction;
- La résistance à la compression;
- Le vieillissement causé par l’humidité;
- Le vieillissement causé par le cyclage thermique;
- Les charges appliquées à l’enceinte (mortes / vives); et
- Le fluage / rétrécissement.
Les considérations spécifiques au contrôle de l’humidité comprennent:
La circulation d’air (fuite d’air) dans l’assemblage;
Le mouvement de l’air dans l’assemblage (boucles convectives);
et la diffusion de la vapeur d’eau dans ou hors de l’ensemble.
Figure 1
Du point de vue du propriétaire, les économies d’énergie restent la principale préoccupation (Figure 1).
Le CNEB 2011 appelle à une plus grande efficacité énergétique. Il définit les niveaux minimaux d’efficacité énergétique pour tous les nouveaux bâtiments au Canada, offrant à l’équipe de conception et aux spécialistes de l’enceinte trois voies distinctes pour la conformité: normative, compromis et performances, pour une plus grande flexibilité dans la mise en conformité du code.
Dans l’étude de BSC intitulée «Examen et analyse de la conception des assemblages de murs extérieurs: grands bâtiments de magasin, de fabrication et d’entrepôt de plain-pied», l’efficacité énergétique a été identifiée comme l’essentiel pour les bâtiments dans lesquels les conditions environnementales intérieures devraient être différentes de celles extérieures. Cela signifie que la performance de l’enceinte est une préoccupation majeure dans les climats froids, car la différence de température est généralement beaucoup plus grande que dans les régions modérées ou chaudes.
Les systèmes tels que les PMI avec des valeurs R élevées et des performances d’enceintes plus étanches à l’air sont des considérations appropriées pour ces instances. Ils peuvent également être envisagés pour les bâtiments nécessitant des environnements intérieurs spéciaux, tels que des espaces de stockage réfrigérés ou des installations de fabrication nécessitant des contrôles environnementaux spécifiques. Dans ces endroits, des murs haute performance seraient applicables (Figure 2).
Figure 2: Résumé de Performance globale pondérée
La conception de l’enceinte comprend les murs, le toit, la fenestration, les systèmes de murs enterrés et les systèmes de plancher de base. Elle nécessite des dessins détaillés lorsque les ensembles opaques rencontrent une fenestration ou d’autres substrats dans la conception. Actuellement, les dessins de modélisation des informations de bâtiment (BIM) de conception de bâtiments complets ne représentent pas un niveau de détail suffisant et les besoins sont pris en charge par des dessins 2D précis, de préférence avec l’aide des fabricants. Certains fabricants proposent également une modélisation thermique initiale et une modélisation WUFI (Wärme und Feuchte Instationär) concernant les informations de performances, afin que l’équipe de conception puisse prendre des décisions plus éclairées concernant divers systèmes d’enveloppes.
Des outils tels que le Guide de conception basé sur les performances pour les bâtiments basé sur les performances du National Institute of Building Sciences (NIBS) sont utiles pour la conception d’équipes lors de l’établissement de niveaux de performances. Bien qu’il s’agisse d’une ressource basée aux États-Unis, le guide identifie les niveaux de performance, ce qui permet à une équipe de conception de sélectionner et de mettre en œuvre les meilleures stratégies pour atteindre les objectifs du projet en fonction d’un ensemble défini d’alternatives (Figure 3).
Figure 3
Bien qu’il s’agisse d’une ressource basée aux États-Unis, le Guide de conception basé sur les performances pour les bâtiments du National Institute of Building Sciences (NIBS) est utile pour la conception d’équipes lors de la détermination des niveaux de performances. Données fournies par NIBS ( npbdg.wbdg.org/enclosure/html )
Concevoir l’enveloppe comme une stratégie à haute performance et basse consommation d’énergie implique des complexités mieux gérées via un processus de conception intégré. Selon le Whole Design Design Guide ( WBDG ):
Un processus de conception intégré inclut la participation active et continue des utilisateurs et des membres de la communauté, des responsables du code, des spécialistes des enceintes de bâtiment, des entrepreneurs, des consultants en coûts, des ingénieurs civils, des ingénieurs électriciens et mécaniciens, des ingénieurs en structure, des spécialistes des spécifications du SCC et des consultants de nombreux domaines spécialisés. fabricants de matériaux. L’aspect le plus important de la conception intégrée est qu’elle a plus de succès lorsqu’elle est guidée par les exigences du propriétaire .
La performance de l’enveloppe thermique est l’une des fonctions principales des systèmes d’enceinte. Les constructions d’enceintes construites sur site impliquent la coordination de plusieurs corps de métiers pour installer les composants individuels constituant le système / assemblage «final». Une équipe de projet peut comprendre la meilleure équipe de conception intégrée, un calendrier fiable et un budget coordonné avec un contractant, mais la performance des enceintes dépendra de la présence de plusieurs professionnels qui installent correctement les systèmes / ensembles. C’est là que les vices-cachés du projet sont le plus souvent réalisés.
L’un des avantages des PMI et des assemblages hors-site fabriqués en usine est la cohésion de l’ installation. La production contrôlée de systèmes d’enveloppes, de murs et de toits est plus susceptible d’incorporer un système de gestion de la qualité tel que l’Organisation internationale de normalisation (ISO) 9001, Gestion de la qualité , afin de satisfaire aux exigences de performances spécifiées. Les PMI fournissent les trois fonctions clés de l’enceinte dans un seul composant pour une continuité thermique uniforme. Il n’ya pas de rebus de construction autres que des emballages et, à l’occasion, des coupes sur le terrain. Les PMI fabriqués hors site sont également plus économes en ressources que les constructions construites sur site.
La connexion de l’enveloppe du bâtiment aux jonctions mur / toit peut être un défi de conception et de performance à relever. Les performances globales de l’enceinte peuvent être optimisées lorsque les PMI sont utilisés pour les murs et le toit en tant que système intégré. Cependant, les panneaux peuvent également être conçus pour s’intégrer à d’autres systèmes de bâtiment lorsque plusieurs fabrications composent la conception du bâtiment.
MasterFormat répertorie les PMI sous 07 41 00 – Panneaux de toit et 07 42 00 — Panneaux muraux. Les assemblages sont composés d’un noyau isolant pris en sandwich entre deux peaux métalliques pré-revêtues, utilisant un joint scellé de verrouillage faisant office de système pare-vapeur et isolant étanche.
Les PMI offrent divers choix d’isolation, la plupart étant construits avec des noyaux en polyisocyanurate (polyiso), offrant l’une des valeurs R les plus élevées au pouce à des prix compétitifs. Le matériau est généralement un isolant en panneau de mousse rigide à cellules fermées considéré comme un «plastique mousse» thermodurcissable. Il s’agit d’une mousse de polyuréthane ou de polyiso plastique comprenant du polyol, de l’isocyanate, des retardateurs de flamme, des agents gonflants, des catalyseurs et des tensioactifs. Il est important de noter que certains polyiso sont maintenant exempts de retardateurs de flamme halogénés. Les options d’isolation PMI incluent la laine minérale pour les panneaux de feu PMI; sur une base spécifiée, le polystyrène expansé et extrudé (EPS et XPS) est également disponible. Les performances thermiques des PMI avec des noyaux polyiso vont généralement de R-7 à R-48 (Figure 4, à gauche).
Les peaux en acier métallique sont spécifiées en tant que calibre légers 24 et 26 avec des options comprenant le zinc, l’acier inoxydable et l’aluminium. En combinaison avec le noyau isolant, les PMI ont une largeur allant de 610 à 1067 mm (24 à 42 po) et des hauteurs allant de 2,4 m à 16,15 m (8 à 53 ft). capacité de portée supérieure à celle de nombreux autres systèmes et charges plus légères que les systèmes en béton ou en maçonnerie. Il s’agit également d’une réduction de l’impact sur les ressources nécessitant moins d’encadrement structurel.
Les PMI offrent des avantages importants dans le secteur des bâtiments métalliques préfabriqués, où les exigences en matière de code pour les valeur R augmentent. D’autres types d’isolants devront peut-être utiliser des matériaux à double couche ou plus coûteux et à plus haute densité pour répondre aux exigences du code thermique. Les PMI peuvent atteindre ces augmentations d’exigences de performance thermique spécifiéestel que l’illustre si bien la thermographie ci-contre.
Les valeurs R PMI testées incluent les joints conformément à la norme ASTM E1363, Standard Test Method for Thermal Performance of Building Materials and Envelope Assemblys by Means of a Hot Box Apparatus. Ce test nécessite au moins deux panneaux PMI avec des tests à travers le joint. Un modèle thermique d'un joint PMI démontre les performances thermiques à travers le joint. L'isolation continue est définie par ASHRAE 90.1, Energy Standard for Buildings Except Low-rise Residential Buildings, comme étant continue sur tous les éléments structuraux sans ponts thermiques (autres que les fixations et les ouvertures de service). La plupart des PMI fonctionnent bien car les joints latéraux ont un bris thermique naturel entre les parements métalliques extérieurs et intérieurs.
Les PMI se combinent avec un joint scellé à interconnexion modulaire conçu pour le contrôle de la pression (modération de la pression) offrant un contrôle de l’air et de l’humidité.
Fabrication hors-site
Les PMI sont fabriqués selon l’un des deux procédés suivants: lamination ou moussage sur place (également appelé ligne continue). Les PMI laminés se trouvent principalement dans les lignes architecturales personnalisées où de la mousse est injectée entre les peaux métalliques intérieures et extérieures, où elle se dilate pour remplir uniformément le noyau isolé conformément à la valeur R spécifiée. Le processus de lamination lie plutôt des panneaux rigides de polyiso pré-durcis et formés en usine aux peaux métalliques afin de répondre aux performances spécifiées.
Le processus de formation de mousse sur place est plus courant dans les applications industrielles commerciales et les produits architecturaux plats et lisses. En règle générale, les PMI en ligne continue sont conçus pour les commandes à volume élevé. Lorsque vous spécifiez des PMI, le processus de fabrication (ligne laminée ou continue) ne doit pas être appelé; la spécification devrait plutôt être basée sur les exigences de performance fonctionnelle et de conformité du projet. Quel que soit le processus utilisé dans la fabrication, la construction d’assemblage hors site devient l’un des principaux avantages des PMI avec le contrôle de la qualité en usine par rapport à la construction sur site par de multiples corps de métiers.
Tous les aciers en bobine utilisés dans les assemblages PMI sont généralement pré-galvanisés avec une couche d’apprêt et une couche de finition. Ces revêtements sont des colorants haute performance à base de polyester modifié siliconé (SMP) et de polyfluorure de vinylidène (PVDF). Ces revêtements ont un apprêt époxy cuit au four et une finition d’un liant acrylique à 100% séché à l’air avec un agrégat de silice naturelle, d’une épaisseur de film sec (DFT) d’au moins 305 µm (12 mils), et fini pour ressembler à du stuc pulvérisé. Ce revêtement est appliqué en usine sur des bobines prétraitées après la fabrication des panneaux. Toutes les autres bobines arrivent aux usines, prêtes à rouler sur la chaîne de production pour être assemblées. Les garanties de revêtement peuvent aller de 20 à 40 ans.
Les finitions hautes performances appliquées en production aux PMI nécessitent moins d’entretien que la plupart des revêtements ou des revêtements extérieurs appliqués sur le terrain avec des garanties de finition de 20 et 40 ans. Lors d’un exercice de détermination du coût du cycle de vie avec une durée de vie prévue de 60 ans, il peut être nécessaire de procéder à une finition extérieure deux fois. La plupart des fabricants dE PMI proposent des options de finition avec des indices de toit froid selon l’indice de réflectance solaire (ISR), qui augmentent également les performances en matière d’efficacité énergétique grâce à la réduction des îlots de chaleur.
Installation
Les assemblages PMI ont les vitesses de construction les plus rapides par rapport aux systèmes de clôture de toit et de murs traditionnels. Ceci est extrêmement important dans les climats froids lorsque la construction d’une voie rapide est nécessaire pour «sécher» l’enceinte afin que les travaux se poursuivent pendant les mois d’hiver. L’installation de PMI nécessite un sous-traitant au lieu de plusieurs métiers à rattacher à l’encadrement structurel.
Les systèmes de montage PMI utilisent des attaches dissimulées avec un joint de butyle intégré pour réduire les ponts thermiques et éliminer le recours aux attaches multiples, comme spécifié dans les systèmes à plusieurs composants. Les systèmes de fixation PMI contribuent également à la performance de la portée structurelle.
Le monteur assemble et lie les panneaux à un seul composant pré-conçus dans un processus séquentiel. En raison de la grande capacité de portée des PMI, les exigences en matière de charpente et de fondation peuvent être efficacement définies avec des avantages en termes de ressources et de coûts. Par exemple, un espacement entre les supports de 2438 à 3657 mm (8 à 12 pieds) peut être utilisé dans de nombreux projets en raison de la résistance relativement élevée du panneau et de l’intégrité structurelle. Cela crée d’autres économies et avantages du projet.
Des goujons peuvent être ajoutés à la face métallique intérieure et finis avec une cloison sèche ou un autre type de finition intérieure pour des options intérieures plus finies. Dans certains cas d’application, tels que le stockage à froid ou dans des climats extrêmes, un matériau de barrière radiante peut être ajouté (Figure 6). Du point de vue de la rapidité et de la rentabilité des bâtiments, les PMI peuvent également apporter des avantages à l’intérieur du bâtiment, tels que des entrepôts où la face métallique intérieure du PMI devient le mur fini.
Conclusion
L’utilisation croissante des PMI permet aux équipes de conception de projets de créer des enceintes extérieures intégrées aux bâtiments aux apparences époustouflantes et des options de conception flexibles alliant haute performance, basse consommation d’énergie et résilience. Les concepteurs ont le choix entre de nombreux profils et motifs, avec une large palette de couleurs et de finitions.
Si une finition en métal n’offre pas l’esthétique souhaitée, il existe des options dans lesquelles un rail de suspension est intégré au PMI afin que pratiquement tout matériau puisse être appliqué à l’extérieur. Les sélections comprennent les briques pleine taille, les briques minces, les céramiques, les panneaux composites en aluminium (ACM), les stratifiés haute pression (HPC) et d’autres parements à un seul métal.
La combinaison de ces options de façade permet au concepteur d’obtenir l’esthétique souhaitée tandis que les panneaux métalliques isolés remplissent les fonctions de contrôle et de support de mur attendues.
Paul R. Bertram Jr., CSC, FCSI, CDT, LEED AP, est directeur de l’environnement et du développement durable pour Kingspan Insulated Panels North America. Il représente la société auprès de divers groupes de la US Green Building Council (USGBC), de la Société américaine des ingénieurs en chauffage, en réfrigération et de la climatisation (ASHRAE), de l’ASTM, du Conseil international du code (ICC) et du National Institute of Building Science (NIBS). Bertram est également président sortant du Construction Specifications Institute (CSI).
