Comprendre le coffrage thermique dans la construction d'acier à froid

L'acier formé à froid (CFS) est devenu la pierre angulaire du cadrage moderne de la jauge légère en raison de son rapport résistance-poids élevé, de sa stabilité dimensionnelle et de sa résistance à l'humidité, au feu et aux parasites. Son adoption dans les bâtiments commerciaux, multifamiliaux et institutionnels continue de croître. Cependant, un défi persistant qui affecte directement un bâtiment et ses fonctions énergétiques opérationnelles est la liaison thermique— le transfert de chaleur par des éléments conducteurs qui pénètrent dans la couche d'isolation.

Les détails de connexion utilisés pour rejoindre les membres du CFS sont souvent négligés lors de la modélisation de l'énergie ou de la conception d'enveloppes. Pourtant, ces connexions et mdash; qu'elles comportent des clips structuraux, des joints de voie à voie, des canaux de raccordement ou des armatures et mdash; peuvent soit atténuer ou exacerber les transitions thermiques.

La science du flux thermique par les liaisons en acier

Pour les assemblages CFS, la conduction à travers les éléments en acier est la principale préoccupation. Un assemblage mural CFS typique a une cavité remplie d'isolation, et les goujons eux-mêmes sont séparés de l'enveloppe intérieure et extérieure par une planche de gypse ou d'autres finitions. Mais aux points de raccordement et mdash; où un goujon rencontre une voie supérieure ou inférieure, ou où un clip fixe un angle de rayon à une colonne et mdash; la couche d'isolation est souvent interrompue par un acier continu. Cela crée un pont thermique qui permet à la chaleur de s'écouler directement de l'intérieur chaud à l'extérieur froid (ou vice versa) avec peu de résistance.

La gravité du pont thermique dépend de la conductivité thermique [ du matériau, de la surface transversale du pont et de la différence de température [ à travers l'ensemble. Un goujon en acier continu qui court de l'intérieur à l'extérieur sans rupture thermique peut réduire la valeur R effective d'un mur de 20 à 50 % ou plus, selon l'espacement des goujons et les éléments pénétrants. Les détails de connexion peuvent toutefois être conçus pour interrompre ce chemin. Par exemple, en utilisant un clip avec un espaceur non conducteur ou en étalant le raccordement de sorte que les éléments en acier ne s'alignent pas sur la couche isolante, on peut réduire sensiblement la perte de chaleur.

Les chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge et d'autres institutions ont quantifié ces effets en utilisant des tests à boîtes chaudes et des analyses d'éléments finis. Leur travail montre que la transmission [ linéaire[ (valeur Psi) d'une connexion peut atteindre 0,04 à 0,10 W/(m·K) pour les jonctions non traitées, tandis que les solutions de remplacement par rupture thermique peuvent réduire cette transmission de 60 à 80 %. L'incorporation de ces données dans les modèles énergétiques permet de prédire plus précisément les charges totales de chauffage et de refroidissement, ce qui est essentiel pour se conformer aux normes telles que ASHRAE 90.1 ou au Code international pour la conservation de l'énergie (CICE).

Types de détails de connexion du SFC et leur performance thermique

Connexions boulonnées et vissées

Dans un mur à encadrement typique, les vis pénètrent dans la bride de goujon et la bande de voie ou la bride. Parce que la vis elle-même est en acier conducteur, elle crée un petit pont thermique point. Cependant, l'impact global d'une seule vis est minime lorsqu'on considère isolément. Le problème se pose lorsque plusieurs vis sont utilisées le long d'une ligne d'acier continu, comme une piste qui fonctionne sans interruption pour toute la longueur d'un mur. Dans de tels cas, les vis fournissent une grille dense de chemins conducteurs qui réduisent collectivement la valeur d'isolation efficace de la cavité.

Pour y remédier, les concepteurs peuvent utiliser des rondelles de rupture thermique ou des bouchons à vis isolés en nylon ou en fibre de verre. Ces composants augmentent la résistance thermique au point de pénétration. Bien que l'amélioration par vis soit petite, l'effet cumulatif sur un grand assemblage peut être significatif. Certains fabricants offrent maintenant des pistes pré-punchées avec des fentes qui permettent aux vis de pénétrer à travers un grommet en plastique, ce qui réduit le contact entre la tige de vis et la piste en acier.

Connexions soudées

Les assemblages soudés sont moins courants dans les cadres CFS en champ mais apparaissent dans les panneaux préfabriqués et les fermes à jauge lourde. Une soudure crée une liaison métallurgique continue entre deux pièces d'acier, qui est un pont thermique presque parfait. Les joints soudés peuvent conduire la chaleur encore plus efficacement que les joints boulonnés parce qu'il n'y a pas de trou d'air ou de joint. Dans les assemblages où la performance thermique est primordiale, le soudage doit être évité au plan d'isolation.

Une stratégie consiste à concevoir la connexion de telle façon que la soudure soit placée à l'extérieur de l'enveloppe thermique primaire et du mdash; par exemple, sur le côté extérieur d'un angle de rayonnage qui est boulonné à une colonne par un espaceur isolé. Le contact acier-acier par la soudure est alors sur l'extérieur, tandis que le côté boulonné a une rupture thermique.

Clips et connecteurs avec ruptures thermiques intégrées

Les connecteurs CFS propriétaires avec ruptures thermiques intégrées sont maintenant largement disponibles.Ces produits sont généralement constitués d'un clip en acier attaché à un bloc ou une plaque non conducteur (généralement fabriqué en polyéthylène à très haute masse moléculaire, en polymère renforcé de fibre de verre ou en nylon).Le clip relie le composant principal à un composant secondaire et à un mdash; par exemple, un angle extérieur de la plaque qui supporte un placage en brique.Le matériau non conducteur brise le parcours continu de l'acier, de sorte que la chaleur doit traverser deux couches d'acier séparées par un élément de faible conductivité.

Les essais de l'industrie par le Cold-Formed Steel Research Consortium et d'autres ont démontré que ces clips peuvent réduire la transmission linéaire d'une connexion de 70 % par rapport à un support en acier solide. De plus, bon nombre de ces produits sont munis de joints intégrés pour l'étanchéité de l'air, traitant simultanément des fuites d'air et des liaisons thermiques.

Voies et canaux continus ou discontinus

Les voies supérieures et inférieures qui circulent continuellement le long du plancher et du plafond sont souvent en acier à gaine plus lourd et peuvent servir de bus de chaleur, transférant la chaleur intérieure au bord extérieur du mur. Pour lutter contre cette situation, les concepteurs ont développé des systèmes de voie discontinue où la voie est coupée en segments plus courts, chaque segment étant relié à un goujon et séparé par une brèche. Les trous sont ensuite remplis d'isolation rigide ou d'une bande de rupture thermique compressible.

Une autre approche consiste à utiliser une voie à rainure qui permet au stud de se déplacer verticalement (pour un déplacement différentiel entre les planchers) tandis que la voie elle-même est brisée thermiquement avec un insert en polymère renforcé par des fibres.Ces systèmes sont particulièrement courants dans les bâtiments à plusieurs étages où il faut s'adapter à la pile de mouvement sans compromettre l'enveloppe thermique.

Connexions de raccordement et de freinage

Les parois du CFS nécessitent souvent des ponts horizontaux ou des armatures diagonales pour résister aux charges sismiques et au vent. Les canaux de pont traditionnels passent en continu par des fentes dans des goujons, créant ainsi une autre longue trajectoire en acier à travers la cavité isolée. Il peut s'agir d'un pont thermique important, surtout dans les murs à goujons profonds (p. ex., profondeur de 8 pouces ou 10 pouces).

Pour les murs de cisaillement qui nécessitent des panneaux en acier massif (p. ex., tôles en acier de 18 ou 16 g attachées à des goujons), le panneau lui-même est une grande surface conductrice continue. Dans de tels cas, la seule façon d'atténuer la liaison thermique est de placer le panneau de cisaillement sur le côté chaud de l'isolation ou de l'envelopper avec une isolation extérieure continue d'une épaisseur suffisante pour réduire la perte de chaleur à travers l'acier.

Stratégies de conception pour optimiser l'efficacité énergétique par le biais de la connexion

1. Mettre en œuvre l'isolation continue (ci) sur l'extérieur

L'un des moyens les plus efficaces pour atténuer le pont thermique de tout détail de connexion est de placer une isolation continue[ à l'extérieur du cadre du CFS. Cette couche agit comme une rupture thermique pour tous les éléments d'acier qui pénètrent dans la cavité du goujon. L'épaisseur de la couche ci est généralement déterminée par la zone climatique et la valeur globale de R requise. Par exemple, dans la zone climatique 5 de la CEIC, une recommandation commune est d'au moins 1,5 à 2 pouces d'isolation rigide minéral-wool ou polyisocyanurate avec une résistance thermique de R‐5 à R‐14 par pouce.

Lorsque l'on utilise ci, l'impact thermique des raccords devient moins critique parce que l'isolation recouvre les embouts en acier. Cependant, les clips ou les supports qui fixent le revêtement ou le placage pénètrent encore dans la couche ci. Dans ce cas, le détail de l'assemblage doit être conçu pour minimiser la zone de pénétration.

2. Intégrer les systèmes de barrière aérienne aux points de connexion

Les goujons thermiques sont souvent aggravés par des fuites d'air à la connexion. Les écarts entre les éléments d'acier, en particulier aux chevauchements de voies ou aux attaches à clips, peuvent permettre à l'air conditionné de s'échapper et à l'air non conditionné de s'infiltrer. Il est essentiel de spécifier une barrière d'air liquide ou membranaire qui s'étend sur les brides de raccordement et est scellée à l'interface d'isolation.

L'étanchéité à l'air à la base du mur où la voie inférieure rencontre la dalle de sol est un autre endroit critique. L'écart entre la voie et la dalle doit être rempli d'un ruban de mousse compressible ou d'un joint élastomère qui fournit également une certaine valeur isolante.

3. Utiliser l'optimisation structurelle pour réduire la densité de l'acier

Le moins d'éléments d'acier qui pénètrent dans le plan d'isolation, le moins élevé de la liaison thermique efficace, est une façon de réduire la densité de l'acier, soit augmenter l'espacement des goujons de 16 pouces au centre à 24 pouces, en utilisant de l'acier à gaine supérieure pour maintenir la capacité structurale.

Une autre stratégie émergente est la conception de composites [ où les goujons en acier sont utilisés en combinaison avec des matériaux de gaine structurale (p. ex. OSB ou contreplaqué avec des sangles en acier) pour réduire le nombre de pièces en acier. En réduisant le nombre de points de raccordement, la transmission linéaire totale est réduite et la performance globale de l'enveloppe s'améliore.

4. Spécifier les systèmes de connexion à deux étages

Par exemple, un clip en acier se fixe à la structure principale en utilisant un boulon avec un manchon en nylon qui empêche le contact de l'acier à l'acier au trou. Ensuite, un support secondaire tient le revêtement ou l'isolation, et il est relié au premier clip par un support en polymère. Ces systèmes peuvent atteindre de très faibles valeurs Psi tout en transférant des charges. Ils sont particulièrement précieux pour les balcons, les toits surplombés et les planchers en cantilever où les grands ponts thermiques peuvent dominer les pertes d'énergie.

Les fabricants européens ont dirigé le développement de tels systèmes, et beaucoup sont maintenant disponibles en Amérique du Nord. Le coût initial est supérieur à un simple support en acier, mais les économies d'énergie sur le bâtiment et les conditions de vie, surtout dans les climats plus froids, peuvent fournir un retour rapide.

Mise en œuvre pratique et conformité du code

L'adoption de détails de connexion thermiquement efficaces ne nécessite pas une refonte complète des pratiques de conception. La plupart des stratégies décrites ci-dessus peuvent être mises en œuvre en modifiant les détails standard existants. Par exemple, remplacer un angle d'acier continu par une série de clips thermiquement cassés est un petit changement dans les dessins de l'atelier, mais donne une amélioration mesurable de la valeur R. De même, la spécification d'une piste à fentes avec un insert de rupture thermique plutôt qu'une piste standard ajoute un coût minimal.

Pour vérifier le rendement, les équipes de projet doivent demander des rapports d'essais thermiques des fabricants de raccordement. De nombreuses entreprises fournissent des valeurs Psi dérivées de modèles d'éléments finis ou de tests de boîtes chaudes gardées. Ces valeurs peuvent être branchées dans des logiciels de simulation d'énergie de construction globale (p. ex. EnergyPlus, IESVE ou WUFI) pour comparer l'impact énergétique des détails de raccordement alternatifs.

Il est également important de coordonner avec l'ingénieur de structure pour s'assurer que les matériaux de rupture thermique choisis ont la résistance et la rigidité adéquates. Les matériaux de polymères peuvent fluctuer sous une charge soutenue ou s'assouplir à des températures élevées, de sorte que la conception de la structure devrait tenir compte de ces facteurs.

Conclusion : Le rôle des détails de connexion dans les enveloppes à haut rendement

L'efficacité énergétique d'un bâtiment en acier formé à froid n'est pas uniquement déterminée par la valeur R de l'isolation ou de l'étanchéité à l'air de l'enveloppe. Les détails de connexion entre les composants en acier jouent un rôle tout aussi critique en contrôlant la liaison thermique aux interfaces où le flux thermique est le plus intense. En comprenant la physique de la conduction par l'acier, en catégorisant les types de connexion par leur performance thermique, et en appliquant des stratégies de conception éprouvées et de la mdash; tels que les clips cassés thermiquement, les voies discontinues, l'isolation extérieure continue et les barrières à l'air intégrées et la mdash; les concepteurs peuvent réduire considérablement les pertes d'énergie sans compromettre l'intégrité structurelle.

L'industrie du bâtiment se dirige vers des normes de performance plus élevées, et les détails de connexion ne sont plus une réflexion après coup. Ils font partie intégrante de la conception de l'enveloppe thermique. Les architectes, ingénieurs et entrepreneurs qui investissent du temps dans l'optimisation de ces connexions ne se contenteront pas d'obtenir des factures d'énergie plus faibles et des émissions de carbone réduites, mais créeront également des bâtiments plus résistants, confortables et durables.

Pour plus de renseignements sur la performance thermique des assemblages CFS, consultez la note technique de la SFIA et le chapitre 27 du Manuel des principes fondamentaux de l'ASHRAE.