Introduction : Les familles de matériaux
Les matériaux de construction se classent en trois grandes familles selon leur origine : minéraux (béton, pierre, terre crue), métalliques (acier, aluminium) et organiques (bois, biosourcés). Chaque famille possède des propriétés spécifiques qui conditionnent son usage en structure, enveloppe ou finition.
Impact RE2020 : Depuis 2022, l'indicateur Ic_construction impose de limiter l'empreinte carbone des matériaux. Le bois et les biosourcés stockent le CO₂ (Ic négatif), tandis que le béton et l'acier sont émetteurs. Seuil 2031 : 415 kgCO₂eq/m² pour une maison.
1. Le Béton (Eurocode 2 - NF EN 1992)
Le béton est un matériau composite constitué de ciment (liant), granulats(sable + graviers), eau et adjuvants. Il résiste très bien en compression mais mal en traction (10× moins), d'où l'association avec des armatures acier (béton armé).
1.1 Classes de résistance (NF EN 206)
// Notation des classes : C_fck/fck,cube
C25/30 signifie :
fck = 25 MPa (résistance sur cylindre 15×30 cm)
fck,cube = 30 MPa (résistance sur cube 15 cm)
// Résistance de calcul (Eurocode 2)
fcd = αcc × fck / γc = 0.85 × 25 / 1.5 = 14.2 MPa
// Résistance en traction
fctm = 0.3 × fck^(2/3) = 0.3 × 25^(2/3) = 2.6 MPa
// Module d'élasticité
Ecm = 22 × (fcm/10)^0.3 = 22 × (33/10)^0.3 = 31 000 MPa
| Classe | fck (MPa) | fctm (MPa) | Ecm (GPa) | Usage courant |
|---|---|---|---|---|
| C16/20 | 16 | 1.9 | 29 | Béton de propreté, massifs |
| C25/30 | 25 | 2.6 | 31 | Fondations, dalles, poteaux |
| C30/37 | 30 | 2.9 | 33 | Poutres, voiles, préfabriqué |
| C40/50 | 40 | 3.5 | 35 | Ouvrages d'art, précontraint |
| C60/75 | 60 | 4.4 | 39 | BHP, tours, BFUP |
1.2 Bétons bas carbone
Ciments bas carbone
- • CEM II : 6-35% additions (calcaire, laitier)
- • CEM III : 36-95% laitier (sidérurgie)
- • CEM V : mélange cendres + laitier
- • Gain : -30 à -70% CO₂ vs CEM I
Solutions techniques
- • Granulats recyclés (jusqu'à 30%)
- • Béton de chanvre (non porteur)
- • Activation alcaline (géopolymères)
- • Carbonatation accélérée
Impact carbone béton (FDES INIES) :
• Béton C25/30 standard : 200-250 kgCO₂eq/m³
• Béton CEM III optimisé : 130-160 kgCO₂eq/m³ (-35%)
• Objectif RE2020 2031 : privilégier CEM III/V ou mixte bois-béton
2. L'Acier (Eurocode 3 - NF EN 1993)
L'acier est un alliage fer-carbone (<2% C). Excellent en traction ET compression, il est utilisé pour les charpentes métalliques, les armatures béton armé et les assemblages.
2.1 Nuances courantes (NF EN 10025)
// Notation : S_fy (limite élastique en MPa)
S235 : fy = 235 MPa, fu = 360 MPa
S275 : fy = 275 MPa, fu = 430 MPa
S355 : fy = 355 MPa, fu = 510 MPa
// Propriétés communes à toutes nuances
Module E = 210 000 MPa (constant)
Module G = 81 000 MPa (cisaillement)
Coefficient Poisson ν = 0.3
ρ = 7 850 kg/m³
// Résistance de calcul (Eurocode 3)
fy,d = fy / γM0 = 235 / 1.0 = 235 MPa (section)
fu,d = fu / γM2 = 360 / 1.25 = 288 MPa (assemblage)
| Nuance | fy (MPa) | fu (MPa) | Allongement A% | Usage |
|---|---|---|---|---|
| S235 JR | 235 | 360 | 26% | Construction courante |
| S355 J2 | 355 | 510 | 22% | Structures fortement sollicitées |
| S460 M | 460 | 540 | 17% | Grandes portées, tours |
| FeE500 (armatures) | 500 | 540 | 5% | Béton armé (HA6 à HA40) |
2.2 Profilés courants
IPE (I Profil Européen)
- • Poutres en flexion
- • IPE 200 à IPE 600
- • Semelles étroites
- • Iy/Iz élevé (porteur)
HEA/HEB (H large)
- • Poteaux, poutres fortes
- • HEA 100 à HEA 1000
- • Semelles larges
- • Meilleure inertie Iz
Tubes / Creux
- • Contreventement, treillis
- • Carré, rectangulaire, rond
- • Résistance au flambement
- • Esthétique (architecte)
Attention ponts thermiques ! L'acier a une conductivité λ = 50 W/m·K (2500× plus que l'isolant). Un poteau métallique traversant l'enveloppe crée un pont thermique Ψ = 0.5 à 1.5 W/m·K. Solutions : rupteur thermique, déport extérieur, structure bois.
3. Le Bois (Eurocode 5 - NF EN 1995)
Matériau biosourcé renouvelable, le bois stocke le carbone (≈250 kgCO₂/m³). Ses propriétés sont anisotropes : différentes selon le sens des fibres.
3.1 Classes de résistance (NF EN 338)
// Notation : C_fm (résineux) ou D_fm (feuillus)
C24 : fm,k = 24 MPa (flexion // fibres)
// Propriétés C24 (résineux classé visuellement)
fm,k = 24 MPa (flexion)
ft,0,k = 14 MPa (traction //)
ft,90,k = 0.4 MPa (traction ⊥)
fc,0,k = 21 MPa (compression //)
fc,90,k = 2.5 MPa (compression ⊥)
fv,k = 4.0 MPa (cisaillement)
// Modules
E0,mean = 11 000 MPa (// fibres)
E90,mean = 370 MPa (⊥ fibres)
Gmean = 690 MPa (cisaillement)
ρmean = 420 kg/m³
| Classe | fm,k (MPa) | fc,0,k (MPa) | E0 (GPa) | ρ (kg/m³) | Usage |
|---|---|---|---|---|---|
| C18 | 18 | 18 | 9 | 320 | Structure légère |
| C24 | 24 | 21 | 11 | 420 | Ossature, charpente courante |
| GL24h (lamellé) | 24 | 24 | 11.6 | 420 | Poutres grandes portées |
| GL32h (lamellé) | 32 | 29 | 14.2 | 480 | Structures exceptionnelles |
3.2 Produits bois techniques
Bois massif reconstitué (BMR)
- • BLC : Bois Lamellé Collé (poutres 30m+)
- • CLT : Cross Laminated Timber (dalles, murs)
- • LVL : Lamibois (poutres, planchers)
- • BMC : Bois Massif Contrecollé
Panneaux dérivés
- • OSB : Oriented Strand Board (contreventement)
- • MDF : Medium Density Fiberboard (finition)
- • Contreplaqué : plis croisés (structural)
- • Particules : ameublement (non porteur)
Carbone biogénique (RE2020) :
• 1 m³ de bois stocke ~250 kg de CO₂ (moyenne)
• Le bois construction a un Ic négatif dans les FDES
• Maison bois : Ic = 400 kgCO₂eq/m² vs 700 pour maçonnerie traditionnelle
• CLT : stockage 700-800 kgCO₂/m³ (densité plus élevée)
3.3 Classes d'emploi (durabilité)
| Classe | Humidité | Risque biologique | Exemple |
|---|---|---|---|
| 1 | < 20% | Insectes | Intérieur chauffé, charpente |
| 2 | < 20% (occasionnel >20%) | Insectes + champignons | Ossature sous bardage |
| 3 | > 20% fréquent | Champignons | Bardage, fenêtres |
| 4 | Permanent > 20% | Champignons + pourriture | Poteaux en terre, terrasse |
4. Comparatif Thermique et Carbone
4.1 Propriétés thermiques
| Matériau | λ (W/m·K) | ρ (kg/m³) | cp (J/kg·K) | Effusivité | Rôle thermique |
|---|---|---|---|---|---|
| Béton armé | 2.0 | 2400 | 880 | 2060 | Inertie thermique (masse) |
| Acier | 50 | 7850 | 450 | 13300 | Pont thermique ! |
| Bois résineux | 0.13 | 450 | 1600 | 306 | Structure + isolation |
| Laine de verre | 0.032 | 25 | 1030 | 29 | Isolation thermique |
| Polyuréthane | 0.022 | 35 | 1400 | 33 | Isolation haute performance |
| Fibre de bois | 0.038 | 160 | 2100 | 113 | Isolation + confort été |
4.2 Impact carbone comparé (FDES)
| Matériau | Ic (kgCO₂eq/m³) | Ic (kgCO₂eq/kg) | Tendance RE2020 |
|---|---|---|---|
| Acier profilé | 15 000 | 1.9 | A limiter |
| Béton C25/30 | 220 | 0.09 | Optimiser (CEM III) |
| Béton CEM III | 145 | 0.06 | Privilégier |
| Bois massif | -250 | -0.6 | Recommandé (stockage) |
| CLT (Cross-Lam) | -700 | -1.4 | Très recommandé |
5. Matériaux Innovants et Biosourcés
Biosourcés (végétal)
- • Paille : λ = 0.052, R = 7.5 pour botte 37cm
- • Chanvre : béton de chanvre, laine isolante
- • Lin : isolation en panneau souple
- • Ouate cellulose : papier recyclé, λ = 0.038
- • Liège : imputrescible, λ = 0.040
Géosourcés (minéral local)
- • Terre crue : pisé, BTC, adobe
- • Pierre locale : calcaire, granite
- • Terre-paille : enduit, remplissage
- • Inertie excellente, régulation hygrométrique
- • Impact carbone quasi nul (pas de cuisson)
BFUP - Béton Fibré Ultra Performant
- • Résistance fc > 150 MPa (6× béton standard)
- • Ductilité grâce aux fibres métalliques ou organiques
- • Épaisseurs réduites : coques 3-5 cm
- • Exemples : Passerelle MuCEM (Marseille), Pont du Diable (Hérault)
- • Applications : préfabrication architecturale, réhabilitation
Résumé
- 1Le béton C25/30 : fck = 25 MPa (compression), fctm = 2.6 MPa (traction 10×moins)
- 2L'acier S235/S355 : fy = 235-355 MPa, E = 210 GPa, crée des ponts thermiques (λ=50)
- 3Le bois C24 : fm,k = 24 MPa, anisotrope, stocke 250 kgCO₂/m³ (Ic négatif)
- 4RE2020 : privilégier bois, béton CEM III, biosourcés pour réduire Ic_construction
Mini-Quiz
1. Quelle est la résistance en compression d'un béton C25/30 ?
→ fck = 25 MPa sur cylindre (30 MPa sur cube)
2. Pourquoi l'acier crée-t-il des ponts thermiques ?
→ Car sa conductivité est très élevée : λ = 50 W/m·K (vs 0.035 pour isolant)
3. Combien de CO₂ stocke 1 m³ de bois ?
→ Environ 250 kg de CO₂ (jusqu'à 700 kg pour CLT)
4. Quelle nuance d'acier a une limite élastique de 355 MPa ?
→ S355 (notation S_fy, résistance rupture fu = 510 MPa)
5. Quelle classe de bois utilise-t-on en ossature courante ?
→ C24 (fm,k = 24 MPa, E = 11 GPa, résineux classé)
6. Comment réduire le carbone du béton de 35% ?
→ Utiliser du CEM III (36-95% laitier) au lieu de CEM I standard
