Influence de la modénature sur les échanges thermiques dans la … · 2017. 1. 4. · 2 ENSAPM – Département Transitions – Séminaire de recherche – Année 2016-2017 1. Introduction

1 ENSAPM – Département Transitions – Séminaire de recherche – Année 2016-2017

Influence de la modénature sur les échanges thermiques dans la construction en pierre

Tugdual LOYER* *Etudiant à l’ENSAPM, 14 rue Bonaparte, 75006

Résumé : La construction en pierre permet de retrouver une dimension « classique» dans l’architecture avec l’utilisation de matériaux nobles et authentiques, ayant une grande pérennité. La pierre a également des avantages du point de vue du développement durable, au cœur des préoccupations actuelles. L’utilisation de la pierre « régionale » permet de limiter le transport, et l’empreinte carbone. Depuis quelques années ce matériau fait l’objet de recherches portant sur la construction en pierre massive sous différents climats. La pierre de calcaire a la particularité de pouvoir stocker des calories, de les accumuler, cela induit une restitution douce (principe de l’inertie). Un bon point pour le confort thermique, et pour l’utilisation de la pierre dans la construction neuve. Les intentions de ma recherche visent à travailler sur la conception de murs de façade en pierre, de manière à répondre au mieux aux caractéristiques thermiques et climatiques sous différentes latitudes. Mes recherches porteront sur l’optimisation de la géométrie de façade pour augmenter les apports d’énergies solaires. J’ai choisi d’étudier deux villes : Paris (climat à prédominance océanique) et Palerme (situé au cœur de la méditerranée), ce qui me permettra de déduire s’il est opportun et comment construire en pierre de taille dans ces régions, et mettre au point de nouveaux systèmes pouvant améliorer les échanges thermiques selon les saisons. MOTS CLÉS : Durable / Résistante / Ecologique / Recyclable


1. Introduction – Construire en Pierre

La pierre est un matériau qui vient de la Terre, de tout temps et sous toutes les latitudes, elle a été utilisée dans la construction par les hommes. A l’aube de la COP 21, alors que le métier d’architecte est passé du dessin à la main à l’usage de logiciels sophistiqués, que nous maitrisons des techniques constructives complexes, que nous utilisons des nouveaux matériaux sophistiqués provenant de l’industrie, j’ai souhaité m’interroger sur la manière dont nous pourrions envisager de revenir à construire en pierre, tout naturellement. L’activité de construction qui implique les Architectes est responsable d’une bonne partie des émission de CO2 dans l’atmosphère, il est donc important pour nous de trouver des solutions limitant ces émissions [1]. Afin de concevoir des projets d’architecture à développement durable, il nous faut mener une réflexion sur l’environnement, les matériaux, les économies d’énergies, les performances climatiques, la tenue dans le temps et l’utilisation de matériaux locaux pour limiter les coûts de transport, l’empreinte écologique de nos interventions, et assurer à la fois leur durabilité et leur modularité (réutilisation au cours du temps). Il est question de privilégier l’emploi de pierres extraites à proximité de leur site de réemploi, pour réduire l’empreinte carbone. La pierre a de nombreux attributs positifs du point de vue du développement durable : un cycle de vie long, une bonne résistance, une grande facilité d'entretien et de recyclage, et des pratiques d'extraction et de fabrication avancées générant de faibles coûts en termes d'énergie et de pollution. Compte tenu des caractéristiques positives de la pierre, ce rapport vise à encourager un rapprochement de l'architecture contemporaine et de la pierre de taille, afin de répondre aux normes environnementales et à la qualité de vie de ceux qui utilisent les édifices que nous produirons. Depuis de nombreuses années, les logiciels de modélisation 3D et l’automatisation robotique du façonnage de la pierre permettent de faciliter la conception et la mise en œuvre de formes complexes et variées [2]. La méthode constructive, la rapidité de montage d’un édifice en pierre limitent la pollution habituellement émise sur des chantiers. La pierre est présente pratiquement partout dans les sous-sol terrestre : l’utilisation de la pierre « locale » permet de limiter le transport, et l’empreinte carbone.


Une approche sur la thermicité

La pierre de calcaire a la particularité de pouvoir stocker des calories, de les accumuler, cela induit une restitution douce (principe de l’inertie). Un bon point pour le confort thermique qui peut être exploité dans la construction neuve en réalisant un mur à accumulation de chaleur. La réalisation de projets en pierre massive sans isolation thermique est toujours en cours de test, plusieurs prototypes ont déjà été réalisés dans le sud et le nord de la France [3]. La qualité d’inertie d’une paroi en pierre sous un climat tempéré peut en effet être suffisante sans qu’il soit nécessaire d’ajouter de la résistance thermique. Bien que deux fois plus résistante que le béton ordinaire, la pierre n’est pas le meilleur isolant. Son mode d’assemblage et de mise en œuvre sera étudié, pour atteindre les objectifs thermiques imposés par une règlementation de plus en plus exigeante, au vu des enjeux de réduction de consommation énergétique ambitieux fixés au niveau mondial.

Quelle pierre sous quel climat Comment les monuments et constructions historiques traversent les variations du climat et de l’environnement Des essais spécifiques sont faits en fonction des contraintes particulières imposées au matériau, elles peuvent varier en fonction du climat et du lieu de la construction.

Climat méditerranéen en contexte urbain

La très forte inertie des murs en pierre calcaire massive, et d’autres dispositifs permettant d’obtenir un confort adapté au climat contrasté du sud de l’Europe permet aux architectes de construire en pierre massive sans ajout de résistance thermique, l’épaisseur totale du mur est de 40-50cm Monastère de Solan - Gilles Perraudin - pierre de Vers Pont du Gard

Climat continental en contexte urbain

Il conviendra d’étudier les caractéristiques des constructions dans une région au climat atlantique, plus doux et tempéré. Les bâtiments en pierre massive se construisent en région parisienne, additionné à une couche de chaux intérieure, l’épaisseur totale du mur est de 25-35 cm. Les constructions en pierre situées dans les régions au nord de l’Europe vont le plus souvent nécessiter une épaisseur de résistance thermique, BPI


(Bloc Pierre Isolée) – procédé mis au point par l’entreprise BONNEL, l’épaisseur totale d’un mur BPI peut atteindre 40 cm. 2. Etude de cas – Architecture ancienne et contemporaine Architecture contemporaine Maison en pierre à Madrid [4] Etudier la capacité structurelle et thermique d’un prototype de maison « solar » en pierre réalisée par Mr Brocato et Mme Zarcone à Madrid pour comprendre les méthodes d’assemblage, et comment réagit la pierre calcaire sous un climat méditerranéen. Il est question de comprendre le fonctionnement du déphasage de la pierre en été et en hiver, le climat méditerranéen présentant d’importants écarts de température entre le jour et la nuit. Bâtiment en pierre massive à Paris L’entreprise BONNEL est un spécialiste des chantiers de gros œuvre complexe et de restauration d’édifices en pierre de taille, basée en Maine-et-Loire. Elle vient de signer un important contrat de recherche et développement autour de la thématique de la construction éco responsable en pierre massive et pierre naturelle isolée. Elle exécute en ce moment un chantier à Paris comportant des façades porteuses en pierre massive, d’épaisseur 30 cm avec une couche d’enduit à la chaux intérieur de 12 cm. Ce procédé est thermiquement performant, il respecte les normes actuellement applicables en France. Projet contemporain réalisé en pierre de taille [5] La construction en pierre massive est depuis quelques années en forte croissance : domaines viticoles, maisons individuelles, logements sociaux, établissements scolaires, et mêmes hôpitaux, dans de nombreuses régions de France, participent au renouveau de ce système constructif. L’architecte Gilles Perraudin est l’une des figures qui défend activement la construction en pierre massive. Il a déjà participé à l’élaboration de plusieurs chantiers réalisés en pierre de taille et il pousse de nombreux architectes et étudiants à suivre cette voie.


Exemple de projet réalisé en pierre massive Lycée Marc Bloche Serignan 34 - architectes François Fontès Monastère de Solan - Gilles Perraudin - pierre de Vers Pont du Gard Domaine Thunevin Calvet - pierre de Vers Pont du Gard - Maury (66) Fayolle Pilon, architectes - Chavanay (42) Eliet & Lehmann - Bry-sur-Marne - pierre de Noyant Millau - Jean-Paul Foucher - pierre du Pont du Gard Jean-Paul Foucher – villa – Dijon Collège de Morières les Avignon (84) - pierre massive Pont du Gard Pierre Bois Habitat - Jean-Jacques Montangon - Frédéric Baranger Architecture Ancienne [6] Depuis l’antiquité des constructions en pierre sont érigées autour du globe, cette technique constructive est très utilisée autour de la méditerranée notamment. Les bâtiments ont des architectures comparables, les procédés constructifs de la conception du bâtiment à leur système de protection, et épaisseur de mur restent assez proches. L’architecture traditionnelle de cette région utilise des procédés constructifs adaptés, en maçonnerie une grande épaisseur de mur pour garder une forte inertie, il y a le moins de fenêtre possible pour éviter la surchauffe et des espaces de cour ouverte sur l’extérieur pour favoriser la circulation de l’air. Les loggias permettent d’avoir une exposition solaire contrôlée sur la façade, et une partie de la façade non exposée au Rez-de-chaussée. La forme du bâtiment a su s’adapter selon les besoins d’ensoleillement et de rafraîchissement afin de minimiser le stockage de chaleur en été, et inversement en hiver. On trouve de nombreux exemples de constructions en pierre pendant la période antique et la renaissance. Les Architectes de cette époque prenaient déjà en compte les facteurs climatiques en apportant des systèmes constructifs adaptés à leurs méthodes de construction.


3. Type de pierre répondant aux critères structurels et thermiques Selon un climat précis le type de pierre applicable au bâtiment change en fonction de critères techniques de résistance physique et thermique. L’histoire nous a permis de comprendre quels sont les différents emplois de la pierre dans la construction. - Les murs de façade, corniche, bandeaux... sont réalisés en pierre tendre, plus facile à travailler, et isolante. - Les soubassements, appuis, escalier... sont construits en pierre plus dure, elle apporte une meilleure résistance en compression d’où son utilisation en structure porteuse. Pour qu’un bâtiment construit en pierre perdure dans le temps il est primordial de choisir le type de pierre adapté à chaque partie de la construction. Les calcaires Les calcaires appartiennent aux roches sédimentaires biogènes carbonatées. La composante principale est la calcite à laquelle s'ajoute de la dolomite et, souvent, des fossiles de différents organismes vivants marins ou terrestres. La résistance aux agents atmosphériques est généralement bonne, mais, à cause du haut contenu en calcium, ces calcaires sont sensibles aux attaques des acides. Il faut noter que la variation à l'intérieur d'un même banc est très grande et donc les caractéristiques doivent être déterminées dans chaque cas particulier. Epaisseur de la pierre de calcaire dans la construction Paris – 25-35 cm / Résistance thermique 10-15 cm - Renaud Bonnel Sud de la France – 40-50 cm d’épaisseur - Gilles Peraudin Utilisation de la pierre selon les saisons En été Protéger la pierre avec un système de brise soleil disposé en façade, cela permettra d’éviter de surchauffer la pierre et limitera les transferts de chaleur vers l’intérieur. Les flux de chaleur à travers la pierre sont peu importants à cette période de l’année, la température intérieure et extérieure étant assez proche. En hiver Utiliser la capacité thermique de la pierre une fois chauffée en journée : 5 à 7h lui sont nécessaires pour restituer la chaleur pendant la nuit (cycle fermé). Ce système permet de favoriser les apports solaires, la température extérieure pouvant varier plus fortement entre la journée et la nuit.


Pour mon expérimentation je vais utiliser des pierres de calcaire local. Paris France - Pierre de Noyant

Palerme Italie – Calcaire Jaune

Résistance de la pierre aux intempéries [7] Gélivité de la pierre Le gel a une forte influence sur la capacité thermique de la pierre. En France le gel est plus présent dans les régions montagneuses où les températures sont les plus faibles. Dans la construction, la pierre doit respecter des normes de résistance au gel afin de pouvoir résister aux intempéries. Les normes se trouvent sur le site internet du Centre des Zones de Gel en France. NFB10-601


Humidité Les transmissions sont plus importantes lorsque la pierre est humidifiée, pour une résistance contrôlée il est important de bien protéger la pierre en façade par des débords plus importants en toiture pouvant ainsi la protéger de la pluie. Capillarité de la pierre La capillarité de la pierre la rend plus ou moins étanche à l’humidité, l’épaisseur de la pierre peut influer sur les échanges d’humidité, par exemple un mur de 20 cm commence à être étanche à l’humidité. Visite de la carrière de Noyant J’ai eu l’occasion de visiter la carrière de Noyant qui fait partie des carrières du Bassin Parisien. C’est une carrière souterraine, les galeries s’étendent sur plus de 2 km de leur point d’entrée. Des blocs de 6 m x 6 m portent la couche de terre au dessus, ceux-ci permettent de pouvoir circuler librement et extraire des blocs massifs à plus de 20 mètres sous terre. Le choix de l’extraction de la pierre se fait donc dans une certaine altimétrie pour qu’elle puisse répondre aux critères de résistance requis.

Extraction par sciage de la pierre Intérieur de la carrière


Atelier de découpe Bâtiment en pierre massive à Paris. [8] J’ai eu l’opportunité de visiter un chantier en cours de construction à Paris rue Oberkampf. L’équipe des architectes Barrault & Pressacco a été missionnée pour réaliser un immeuble de logements sociaux constitué de 17 appartements, et d’un local commercial à rez-de-chaussée. Le bâtiment développe une surface constructible de 1.242 m2 surface de plancher pour un budget de 3.100.000 € HT. La façade de cette construction est en pierre massive, elle répond aux conditions économiques et règlementaires actuelles. Compte tenu des problématiques écologiques et énergétiques, la pierre s’avère être un choix pertinent dans le renouvellement de la pensée constructive. L’architecture est constituée par un ensemble de matériaux traditionnels, la pierre massive est utilisée comme élément porteur sur chaque façade, des structures en acier sont encastrées dans la pierre afin de reprendre les charges de planchers en bois massif. La pierre massive seule ne répondant pas aux exigences thermiques de la RT 2012, le BET en charge du projet décide d’ajouter une couche de béton à la chaux projetée à l’intérieur du bâtiment, afin d’atteindre le confort thermique requis. (Epaisseur du mur : 30cm pierre calcaire et 12cm de béton à la chaux)


Modélisation du projet par Barrault & Pressacco

Détails techniques constructifs


Planchers, structure Mur de maçonnerie en pierre de taille Ce projet donne une situation contemporaine à l’architecture traditionnelle. Les architectes Barrault & Pressacco vont travailler avec l’entreprise Bonnel, spécialisée dans la taille de pierre.


4. Protocole expérimental Etude de l’impact climatique sur les échanges thermiques dans la construction en pierre Il s’agit dans mes recherches d’utiliser les capacités de captage et de restitution de chaleur de la pierre massive pour améliorer le confort thermique. J’ai effectué un travail d’étude sur des logiciels climatiques (ladybug et honeybee - plugin de grasshopper / Mathematica / Castem) ce qui m’a permis de simuler des diagrammes d’apport solaire et des flux d’échanges thermiques sur des murs en pierre. Je cherche à optimiser la disposition et la forme des pierres naturelles en façade, en fonction des apports solaires, sous différents climats. Ces recherches auront un rapport direct à l’architecture, mais plus précisément aux sciences des matériaux et à la construction massive en pierre naturelle de taille. Par ses dimensions et son épaisseur un mur massif est autoporteur et peut donc être considéré comme une structure. De plus la pierre a la capacité de stocker de la chaleur, un bon point pour le confort thermique. Mon objectif est d’étudier les possibilités d’utiliser la pierre massive dans la construction courante, en privilégiant l’utilisation d’une pierre locale, et d’évaluer les échanges thermiques pour améliorer le confort thermique dans le bâtiment. La diversité géologique nous permet en effet de travailler la pierre naturelle dans de nombreuses régions. La recherche se concentre sur des problématiques climatiques dans des villes et périodes saisonnières précises. 1ère recherche : Etude de la construction en pierre de manière générale 2e recherche : Etat de l’industrie et exploitation de la pierre naturelle dans différents lieux 3e recherche : Impact climatique sous deux climats différents, afin de comparer les possibilités de construire en pierre 4e recherche : Définition de la forme optimale et des inclinaisons captant le maximum de radiation en période hivernale 5e recherche : Calculs numériques sur les apports de radiation et les transferts de flux thermique 6e recherche : illustration d’une façon de traiter le problème constructif, comment appliquer ce procédé de façade à un bâtiment


Quel aspect formel donner à la pierre pour améliorer sa captation de chaleur dans un climat donné. L’étude de l’impact des radiations solaires à Paris pendant la journée du 20 juin m’a permis de définir la forme optimale pour capter au mieux les radiations. Les plans inclinés peuvent capter jusqu’à deux fois plus de radiations qu’un mur vertical. Cette première approche a dirigé mes recherches vers des formes de façades inclinées s’adaptant à l’incidence du soleil d’hiver, afin de capter plus de rayonnement pendant les périodes les plus froides.


5. Analyse de données climatiques entre Paris et Palerme CLIMAT PARIS - France - LATITUDE 48.8

Impact des radiations solaires sur différents plans inclinés en façade sud

On remarque qu’en hiver l’intensité de radiation augmente peu si l’on change l’inclinaison de la façade alors qu’en été on va presque doubler les apports.


CLIMAT PALERME - Italie - LATITUDE 38.1

Impact des radiations solaires sur différents plans inclinés en façade sud

On remarque que l’intensité de radiation augmente plus fortement qu’à Paris pendant les deux saisons lorsque l’on modifie l’inclinaison de la façade.


6. Définition de la forme optimale en fonction des facteurs climatiques et contextuels Paris – Pierre de Noyant


Découpe de deux blocs en pierre de Noyant – carrière du bassin Parisien

30.00

30.00

3.063.06 8.87

10.00

10.00

10.00

0.96

8.87

30.00

15.00

15.00

30.00

15.00

30.00

15.00

15.00

30.00

15.00

30.00

162.2¬∞

107.8¬∞107.8¬∞

162.2¬∞

162.2¬∞

162.2¬∞AXONOMETRIE AXONOMETRIE

VUE DE HAUT VUE DE HAUT

VUE EN COUPE VUE EN COUPE

BLOC 1 BLOC 2

DETAILS DECOUPE PIERRE DE NOYANT - CARRIERES DU BASSIN PARISIEN


Palerme – Pierre calcaire Jaune


7. Comparaison de l’incidence des radiations solaires sur la pierre - logiciel LADYBUG et MATHEMATICA Calcul numérique de radiations – logiciel LADYBUG Paris - Hiver - 20 décembre de 9h à 17h

Bloc vertical : 0.13 kWh/m2 Bloc incliné : 0.21 kWh/m2 Paris - Eté – 21 juin de 6h à 22h

Bloc vertical : 2.84 kWh/m2 Bloc incliné : 5.68 kWh/m2


Palerme - Hiver - 20 décembre de 9h à 17h

Bloc vertical : 0.43 kWh/m2 Bloc incliné : 0.68 kWh/m2 Palerme - Eté – 21 juin de 6h à 22h

Bloc vertical : 1.94 kWh/m2 Bloc incliné : 4.53 kWh/m2


Calcul numérique des radiations directes et diffuses Logiciel – Mathematica

Données annuelles Paris

Bloc vertical - Inclinaison 90° - Rad Max = 798 W/m2

Bloc incliné - Inclinaison 72,5° - Rad Max = 893 W/m2


Données annuelles Palerme

Bloc vertical - Inclinaison 90° - Rad Max = 810 W/m2

Bloc incliné - Inclinaison 61,5° - Rad Max = 956 W/m2


8. Transmission de chaleur à travers les différentes parois en pierre – Logiciel CAST3M Echanges de chaleur en hiver à Paris

Echanges de chaleur en été à Paris

Echanges de chaleur en hiver à Palerme


Echanges de chaleur en été à Palerme

Equation du transfert de flux thermique

Résultats récupérés sur le logiciel Cast3m Transfert de flux thermique sur les différents blocs de pierre en été et en hiver à Paris

Transfert de flux thermique sur les différents blocs de pierre en été et en hiver à Palerme


9. Prototype d’un bloc de façade - échelle 1/2 J’ai réalisé un prototype de boite thermique en vue d’effectuer des tests de transfert thermique sur deux blocs de pierre de Noyant à Paris. Avant de réaliser ce prototype j’avais été mis en relation avec le responsable commercial de la carrière de Noyant (Mr Olivier LEROY) à qui j’ai exposé mon projet de recherche dans le cadre de mon mémoire. Ayant déjà lui même effectué un prototype de Maison en pierre massive [9] dans la carrière de Noyant afin de vérifier la résistance de la pierre en région parisienne, Mr LEROY était intéressé par mon projet et m’a donc proposé de découper différents blocs de pierre nécessaires à mes recherches, pour effectuer des tests sur un prototype réalisé par la suite. La carrière de Noyant m’a fourni deux blocs de pierres découpés avec une géométrie qui répondait aux recherches que j’avais menées au préalable sur différents logiciels climatiques, afin de trouver la forme optimale répondant aux exigences solaires : - un premier bloc vertical, pour vérifier le transfert thermique à travers une paroi de forme habituellement utilisée dans la construction. - un second bloc avec des éléments verticaux et des inclinaisons à 72,5° afin de voir s’il y a une variation sur les transferts thermiques lorsque la pierre reçoit plus de radiations solaires, du fait de son inclinaison. En vue de réaliser des tests sur ses différents blocs de pierre j’ai construit un prototype de boite fermée, en bois avec différents couches de résistance thermique (fibre de verre et polyisocyanurate), une double enveloppe pour garantir une différence de température entre l’extérieur et l’intérieur de la boite.

Modélisation du prototype


Détails constructifs du prototype


Expérimentation du prototype Pour effectuer les tests j’ai dû dans un second temps fabriquer une boite pour protéger le matériel emprunté à l’école, un ordinateur avec le logiciel pour récupérer les données de température, et le dispositif connecté à l’ordinateur comprenant les thermocouples. J’ai mis en place le prototype pendant deux jours sur une toiture terrasse à Paris afin de pouvoir effectuer mes expérimentations sur les deux blocs de pierre. Cette étude m’a permis de récupérer les données de températures des deux typologies des blocs de pierre. En disposant quatre thermocouples à l’extérieur et à l’intérieur du bloc de pierre, placé à l’intérieur de la boite, j’ai pu récupérer des données exprimant les variations de température entre la journée et la nuit. Mon objectif était de comprendre comment la pierre utilise son inertie pour restituer la chaleur. Les phases de test se sont déroulées pendant 10 heures sur chacun des deux blocs en pierre de Noyant, dans le but de comparer les différences de variation de transfert de flux thermique selon les deux géométries.

Photo du dispositif

°C extérieure

°C Intérieure

°C Surface Inté-°C Surface Exté-

Ordinateur

Ni MaxInstruments


Relevés sur le bloc de pierre incliné Dans un premier temps j’ai expérimenté la résistance thermique du bloc de pierre avec une inclinaison de 72,5° pendant 10h, de 11h à 21h. J’ai retranscrit les relevés de température en courbes de température sur l’échelle temps. Météo à la date du 1er novembre 2016

La météo ce jour était ensoleillée cela m’a permis de vérifier si les radiations solaires ont un impact sur les transferts thermiques à travers le bloc de pierre incliné en hiver.

Courbes de températures


Superposition des courbes de température mesurées sur le bloc de pierre incliné Analyse des courbes de température La courbe de température extérieure varie entre 12 et 15.5°C pendant la journée alors que la courbe de température à l’intérieur de la boite stagne autour de 17°C, et la chaleur va augmenter après la tombée de la nuit en avoisinant les 18°C. Cela montre que la pierre restitue de la chaleur à l’intérieur du prototype après la tombée de la nuit. Le courbe de température sur la surface extérieure montre de nombreuses variations en début de journée lorsque la pierre est soumise aux rayons du soleil, elle va varier entre 15 et 19°C. La courbe de température de la surface intérieure va stagner autour de 17 et 18 °C tout au long de la journée, et continuer à rester stable une fois la nuit tombée.


Relevés sur le bloc de pierre vertical Dans un deuxième temps j’ai expérimenté la résistance thermique du bloc de pierre vertical pendant 10h de 11h à 21h. J’ai retranscrit les relevés de température en courbes de température sur l’échelle temps. Météo à la date du 2 novembre 2016

La météo ce jour était ensoleillée cela m’a permis de vérifier si les radiations solaires ont un impact sur les transferts thermiques à travers le bloc de pierre incliné en hiver.

Courbes de températures


Superposition des courbes de température mesurées sur le bloc de pierre vertical Analyse des courbes de température Ce test effectué sur un bloc de pierre vertical montre un certain rapprochement entre les variations de température intérieure et extérieure. Lorsque la température extérieure augmente et que la pierre est exposée aux radiations solaires pendant le début de la journée, la température à l’intérieur du prototype suit les mêmes variations. Apres la tombée de la nuit la température extérieure va baisser lentement et la température à l’intérieur de la boite commence elle aussi à diminuer. On remarque des variations de température sur la surface extérieure, mais celles ci n’affectent pas énormément la surface intérieure de la pierre, qui va suivre la même courbe à quelques degrés de différence. Ces relevés montrent qu’un bloc vertical peut stocker de la chaleur lorsqu’il est exposé au soleil, mais son potentiel de stockage va se dissiper lorsque la nuit tombe et que la pierre n’est plus exposée aux radiations. Comparaison du comportement des deux blocs Si l’on compare le comportement des deux blocs, on peut conclure que : 1/ la température extérieure et les radiations solaires ont un impact plus important sur le bloc incliné que sur un bloc vertical 2 / l’impact des radiations sur un plan incliné permet une meilleure restitution de chaleur à l’intérieur de la boite tout au long de la journée et pendant la nuit. Les tests ont été effectués sur deux journées ayant la même exposition solaire mais avec un léger écart de température. Pour avoir un résultat tout à fait probant, il aurait fallu effectuer les tests sur les deux blocs le même jour - cela aurait nécessité de réaliser 2 prototypes complets et doubler les instruments de mesure.


10. Application dans l’architecture Application du système en façade sud d’un bâtiment à Paris

Hiver Eté Application du système en façade sud d’un bâtiment à Palerme

Hiver Eté En hiver l’inclinaison solaire plus basse permet d’avoir une exposition optimale tout au long de la journée et de récupérer le maximum de chaleur. En été les protections solaires (brise soleil) sont installées pour protéger la pierre afin d’éviter des apports de chaleur trop importants.


Mur capteur à double peau Le système de façade inclinée en pierre de taille pourrait être utilisé dans un bâtiment bénéficiant d’une façade double peau. Disposé derrière une façade vitrée, la pierre pourrait accumuler un maximum de chaleur en hiver et donc réchauffer les espaces intérieurs. En été le mur, protégé par un débord de toiture et un balcon, conservera la température intérieure ambiante et évitera les surchauffes. Contrairement au mur trombe une façade double peau permet d’avoir une façade extérieure percée de fenêtres et ouvertures, qui laissera passer les rayons solaires en hiver et les bloquera en été, avec des systèmes adaptés selon la latitude. Le mur trombe est plus complexe à mettre en œuvre et nécessite des systèmes de ventilations entre la surface vitrée et le mur. En bas du mur l’air frais doit pouvoir passer, et en haut l’air chaud s’échapper. L’utilisation d’un mur capteur double peau est une solution optimale dans le but d’avoir un bâtiment écologique qui s’adapte aux différentes saisons. Application du système en façade sud d’un bâtiment à Paris

Hiver Eté


11. Conclusion Mes intentions sont d’optimiser la forme des façades de bâtiments en pierre selon le climat, afin de contrôler les transferts de chaleurs. La forme adaptative permettrait de construire en pierre massive tout en réduisant l’épaisseur de l’isolation thermique requise, voire la supprimer sous un climat océanique (à Paris). Dans les régions du sud de l’Europe (en méditerranée), on pourrait réduire l’épaisseur du mur en pierre lui-même. Mon étude vise à rechercher l’optimisation de la valeur de captation de chaleur, les modalités de conception d’une façade en pierre, en vue de l’adapter aux différentes saisons, de la protéger des rayonnements solaires en été - avec l’ajout de système de brise soleil, et inversement en hiver d’être exposé tout au long de la journée pour capter le maximum de chaleur. Les tests effectués à Paris sur les différents blocs de pierre provenant de la carrière de Noyant nous montrent que les transferts thermiques sont plus importants sur un bloc incliné que sur un bloc vertical. Cette géométrie permet de récupérer plus de chaleur, et donc de la restituer plus tard durant la nuit. Cette étude démontre que la géométrie d’une façade en pierre peut jouer un rôle sur les transferts thermiques, ce qui constitue une piste dans la conception de constructions neuves en pierre massive. Les tests ayant été effectués sur un intervalle de deux jours, les résultats ne peuvent être certifiés. Pour aller plus loin, il serait intéressant de réaliser un prototype à plus grande échelle, qui nous donnerait des résultats plus précis et convaincants. _______________________________________________________ Je tiens à remercier toutes les personnes qui m’ont soutenu lors de mes recherches dans le cadre de ce mémoire. Dan un premier temps, Mr R Leroy et Mr L Couton, en tant que directeurs de mémoire, ils m’ont guidé et aidé à trouver des solutions afin de faire avancer, puis conclure mes recherches. Je remercie également Mme R Zarcone, Mr R Bonnel, Mr O Leroy et Mr D Latron, qui m’ont fourni des données précises, des techniques de calculs et permis d’avoir une approche plus concrète de la conception et la réalisation de constructions en pierre de taille.


12. Bibliographie [1] Perraudin, G. La pierre : matériau écologique, Paris, Presses du Réel, 2013 Perraudin, G. Construire en pierre de taille aujourd’hui, Paris, Presses du Réel, 2013 [2] SNBR Stone : Restauration de monuments anciens – Maconnerie – Taille de pierre – Sculpture – Terazzo Piano Renzo, Padre Pio Pilgrimage Church, In the Name of the Padre, the Guardian, 2002 [3] CTMNC / UNTEC, Le guide pratique de la Pierre Naturelle, Paris, 2016 CTMNC, Etude thermique d’une maison en pierre de taille à Nîmes, ctmnc.fr [4] Zarcone, R. & Brocato, M. Solar Prototype, Paris, ENSAPM, 2016 [5] Pierreactual, Construire en pierre massive, Paris, Le Mausolée, 2014 Zerbi, S. Construction en pierre massive en Suisse, Lausanne, Thèse de doctorat, EPFL, 2011 [6] Zarcone, R. L’architecture traditionnelle méditerranéenne : l’exemple de Palerme. Clés pour la ville durable de demain? Cahiers thématiques n°15 (2016), 145-152. [7] Entretiens avec Olivier Leroy – Responsable commercial de la carrières de Noyant – Carrières du Bassin Parisien. [8] Bonnel, R. De la construction en pierre massive à la construction Perdurable, 2014 [9] Palenzuela Daniel, CTMNC – Les performances énergétiques du mur en pierre, 2010 Autres ouvrages consultés - Mazria, E. Le guide de la maison solaire, Paris, Parenthèses, 2nd éd, 2005 - Laurent, J-M. Construction et restauration des bâtiments en pierre, Paris, Vial, 2007 - Zarcone, R. Brocato, M. BERNARDONI, P. VINCENZI, D. Building integrated photovoltaic system for a solar infrastructure : Liv-lib’ project SHC 2015, International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, Istanbul, Dec. 2015 - Dernie, D. New Stone Architecture, London, Laurence King, 2003 Pouillon Fernand, Les Pierres Sauvages, Paris, Seuil, 1964 - Caruso, A. The stones of Fernand Pouillon – An alternative Modernism in French Architecture, Montréal, GTA 201.

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