Bois comme matériau de construction

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Cet article traite du bois comme matériau de construction. Il en expose les avantages et les limites. Plus qu'un recueil de définitions, c'est un véritable recueil de savoirs, parfois presque perdus.

Définitions

• La moelle ou coeur se trouve au centre de l'arbre. Importante dans les jeunes pousses, elle disparaît souvent avec l'âge pour ne laisser qu'un canal de faible section. La moelle est un ensemble de tissus spongieux qui évoluent en vieillissant.
• Le duramen, bois parfait ou de cœur, constitue la partie centrale de l'arbre. Composé de cellules mortes, lignifiées et imprégnées de tanin ou de colorants selon les essences, il se distingue en général de l'aubier par une couleur plus foncée.
• L'aubier, constitué de cellules vivantes, est généralement plus clair que le duramen. Il est formé de couches concentriques de cellules non encore lignifiées formant un bois encore imparfait. Ces couches, dans lesquelles circulent les matières nutritives, se transforment en bois parfait après une période de 4 à 20 ans.
• Le cambium est une fine zone entre l'aubier et l'écorce, qui produit le bois. Le liber comporte un ensemble de vaisseaux dans lesquels circule la sève élaborée.
• L'écorce entoure l'arbre et le protège. Celle-ci est empreinte d'une substance imperméable, la "subérine" (liège), qui protège les couches internes.

Aspects constructifs

Le bois est un matériau solide et léger

L'épicéa pèse entre 430 et 470 kg/m³ lorsqu'il est sec à l'air il pèse soit cinq fois moins que le béton et dix-sept fois moins que l'acier. Une maison de deux étages et de 100m² au sol pèse 200 tonnes si elle est construite en matériaux durs, et seulement 70 tonnes en ossature bois! La résistance du bois par rapport à son poids le rend très attractif pour des réalisations légères. Le bois amortit les chocs.

Le bois est très résistant dans le sens longitudinal, en compression et en traction (il faudrait exercer une charge de 10 tonnes pour écraser un cube en bois de 5 cm d'arête) Il a aussi une assez bonne résistance à la flexion transversale. Mais même s'il ne casse pas, il peut plier, et c'est pourquoi les pièces soumises à la flexion (arbalétriers, poutres) doivent avoir une section relativement importante. En compression, le problème du flambement, lié à la souplesse du bois, doit être résolu par un rapport hauteur-largeur relativement petit.

Pour des pièces de résistance égale, le bois demande cependant une section plus grande que l'acier ou le béton.

Le bois est un matériau isolant

La conductivité thermique de l'épicéa, par exemple, est de ? = 0.11 W/m°C, donc quinze fois plus faible que celle du béton et quatre cent fois plus faible que celle de l'acier. Les objets en bois sont « subjectivement chauds », car l'effusivité thermique du bois est basse (Ef = 0.56). Un bâtiment à ossature bois se chauffe facilement. L'air y est sec et sain, non seulement grâce au bois mais aussi à l'isolant que l'on peut aisément placer entre les montants de l'ossature. La température des parois est proche de celle de l'air ambiant, ce qui augmente le confort thermique. Les ponts thermiques sont limités. Par contre, le bois accumule peu la chaleur, sa capacité thermique est moyenne (S = 1500 kJ/m³). Une maison en bois n'a pas de « volant thermique ». Il est donc nécessaire d'associer au bois une masse accumulatrice (S > 1900 kJ/m³) au centre du bâtiment, une cheminée en pierre ou un poêle en faïence par exemple.

• Dans les pays froids, le bois est très apprécié pour les qualités citées ci-dessus.
• Dans les pays chauds, le bois est moins agréable que la pierre car il accumule mal la fraîcheur de la nuit.

Le bois est une matière poreuse, constituée de fibres assez denses, orientées dans le sens de la croissance de l'arbre. C'est pourquoi, quelle que soit son essence, le bois a une conductivité thermique plus grande (donc un pouvoir isolant moindre) dans le sens de ses veines que dans la direction perpendiculaire. C'est pour cela que les sols en pavés de bois « debout » sont plus frais que des sols du même bois, d'épaisseur identique, en planches couchées ou en lames de parquet.

Le bois est chimiquement résistant

Certaines essences de bois ont une résistance à la corrosion élevée. Elles supportent bien les agressions chimiques, ce qui n'est pas le cas du béton ou de l'acier courant. C'est pour cela que le bois est fréquemment utilisé pour la construction des usines dont l'atmosphère est agressive. Les bois comme le teck, l'afzélia doussié, sont utilisés pour la fabrication de cuves contenant des produits chimiques. L'épicéa est régulièrement utilisé pour les silos à sel le long des autoroutes.

Certaines espèces de bois ont des composés chimiques qui peuvent réagir à certains matériaux ferreux (Western Red Cedar, Merbau, Afzélia, chêne, Oregon Pine...). Il est indispensable de les assembler avec des fixations en acier inoxydable.

Le bois est hygroscopique et anisotrope

Il subit un retrait au séchage et un gonflement en fonction de la température et de l'humidité relative de l'air. Le retrait et/ou le gonflement est plus grand dans la direction tangentielle que dans la direction radiale. Il est pratiquement nul dans le sens longitudinal. Ces différents retraits en fonction du sens envisagé peuvent causer des tensions dans le bois. Les bois de section réduite vont gauchir, tandis que les bois de forte section (poutres, bois ronds) risquent de se fendre lors d'un séchage trop rapide. Dans les bois de forte section particulièrement, ceci peut être accentué par un retrait inégal, suite au séchage plus rapide des extrémités, ayant pour conséquence des fentes du bois debout. On ralentit donc le séchage des extrémités en recouvrant celles-ci d'un produit cireux ou autre. Chaque essence de bois a un comportement différent.

Ne pas confondre retrait et mouvement :

• Le retrait est dû au séchage du bois depuis l'état fraîchement coupé jusqu'à l'état sec.
• Le mouvement est dû aux variations d'humidité relative de l'air, et ceci après séchage et mise-en œuvre.

Les espèces à mouvement élevé devraient être utilisées sur quartier, car dans ce sens le retrait est moins élevé que sur dosse. Le bois doit être utilisé avec un taux d'humidité correspondant à sa destination, surtout ceux qui ont un retrait élevé, sinon il existe le danger d'apparition de déformations due au mouvement. Des vices de croissance de l'arbre peuvent aussi engendrer du bois de réaction, qui se déforme plus que le bois normal dans le sens longitudinal, et moins dans les deux autres sens.

Il y a un décalage dans le temps entre le changement de l'humidité de l'air, et l'installation dans le bois du niveau d'humidité d'équilibre qui y est lié. Principalement dans le cas de bois de forte section, les valeurs extrêmes ne seront jamais atteintes, et le mouvement sera moins important.

Les pièces en contact avec l'humidité intermittente doivent être assemblées de manière à permettre le mouvement.

Le bois s'adapte aux sols difficiles

Le bois s'adapte à des sols difficiles par la pente, la faible portance, la sismicité, par sa légèreté et sa souplesse. Les affaissements sont d'une part plus faibles, d'autre part absorbés sans conséquences visibles (fissures) par les structures en bois. Pour les nouvelles constructions, les coûts des fondations sont réduits, particulièrement sur les terrains difficiles ou en pente. Les extensions, domaine particulier de l'architecture, engendrant trop souvent des désordres dus au tassement de la nouvelle construction, sont souvent réalisées en bois, car le faible poids de la structure entraîne un tassement plus faible, donc moins de risques de fissures.

Dans les pays à forte sismicité, on construit de préférence en bois, car sa souplesse absorbe les chocs sismiques au lieu de les transmettre. Au Japon, les assemblages sont à bords arrondis pour encore plus de souplesse.

Le bois est biodégradable

Le bois non protégé est, par un processus naturel, dégradé par les insectes xylophages, les champignons, le vent, la sécheresse, le soleil. La bonne façon de construire pour le préserver est différente d'une région à l'autre. En Belgique, on devra être particulièrement attentif à laisser le bois respirer. On dit que l'ennemi du bois est l'humidité, mais ce n'est pas tout à fait exact. Les planches à déjeuner que l'on nettoie à l'eau sont là pour le prouver. Au contraire, les chauffages centraux d'aujourd'hui, qui assèchent trop l'air, font se fissurer des poutres qui ont deux cents ans ! Le problème, c'est l'atmosphère humide et confinée qui, elle, attire les champignons.

Le bois est facile à mettre en œuvre

Le bois se prête à l'autoconstruction, à la préfabrication, à l'artisanat comme à l'industrie. Le système à ossature est très flexible, les bâtiments en bois sont faciles à transformer et à agrandir. Les méthodes d'assemblage sont nombreuses et s'adaptent à toutes les situations, du simple clouage au collage très performant, en passant par les broches, plaques, boulons, etc.

Le bois résiste au feu mieux que d'autres matériaux

Le bois est certes combustible mais il est plus résistant à l'incendie que d'autres matériaux de construction. le bois ne brûle que de 0,7 mm par minute (4,2 cm par heure) et la couche carbonisée forme une protection pour le cœur du bois. Il ne se dilate que peu et la structure reste stable, même si l'incendie dure longtemps. Enfin, les statistiques montrent que le risque d'incendie n'est pas plus élevé pour les maisons en bois que pour les maisons « traditionnelles ».

Le bois est durable

Du point de vue mécanique (durabilité), les maisons en bois sont d'une remarquable stabilité. Il est donc entièrement faux de penser qu'une habitation en bois sera moins durable qu'une habitation en briques ou en béton, bien au contraire. À titre de preuve, il existe beaucoup d'habitations à colombage datant de 1750 (notamment dans la région de Malmédy, Stavelot...) qui sont habitées et en très bon état. Certaines fermes du Pays de Herve datent de la fin du XVI^e. La France en possède quelques unes, notamment en Bretagne, en Normandie et dans l'est du pays. En Scandinavie et en Pologne, un certain nombres d'églises en bois, sans aucune restauration importante, existent depuis 600 ans. L'Égypte ancienne nous a donné de nombreux meubles et une barque solaire parfait état de conservation (environ 2500 ans). Des bateaux coulés en mer, y reposent depuis des siècles; récemment, une barque a été découverte dans la Somme (environ 900 ans). Actuellement, les fondations en bois d'une voie romaine subsistent sous une route moderne dans les Fagnes belges (région de Malmédy).

Aspects écologiques

Le bois est un matériau naturel, une matière première renouvelable. Il peut facilement être un matériau indigène car il est souvent disponible sur place.

L'arbre, pour pousser, absorbe du CO₂ et libère de l'oxygène. Lorsque l'arbre meurt, il subit une dégradation biologique par les insectes et les champignons. Cette dégradation utilise de l'oxygène et libère une quantité égale de CO₂ dans l'air que celle absorbée par l'arbre durant sa croissance. Le bilan est alors neutre. Par contre, si l'on coupe l'arbre à maturité et qu'on l'empêche de se dégrader en l'utilisant dans la construction, le gaz carbonique reste stocké. Il y a ainsi moins de CO₂ dans l'atmosphère et ceci contribue à réduire l'effet de serre.

L'utilisation du bois nécessite peu de matière et d'énergie, et ceci dans toutes les étapes d'une construction: la fabrication se fait naturellement, la transformation est faible, la mise en œuvre nécessite peu de produits annexes et reste généralement facile. La pollution des milieux physiques (air, sol, eau) est très faible, et les déchets peuvent parfois être recyclés dans d'autres constructions ou brûlés pour produire de l'énergie.

La consommation d'énergie grise pour la production de bois de construction (bois local, scié, raboté, prêt à l'emploi) est de 300kWh/tonne, contre 450 pour les maçonneries traditionnelles en terre cuite, 8000 pour l'acier, 250 à 300 pour le béton ordinaire (!), et de 100 à 1000 pour la pierre, selon le degré de finition.

Les panneaux

Le recyclage des sous-produits du bois est une bonne chose, mais il faut faire attention aux colles utilisées qui peuvent, elles, être polluantes.

Malgré la présence de produits chimiques (colles, mais aussi vernis, peintures, agents fongiques), le bois reste beaucoup plus facilement recyclable que d'autres matériaux de construction. Une plaque de plâtre, constituée de plusieurs couches difficilement séparables, est plus difficilement recyclable qu'un panneau de bois. Même brûlé, un élément de bois traité dégagera moins de pollution que la seule production de chaleur pour la refonte d'un élément d'acier.

Confort

Les matériaux qui nous entourent ont sur nous un impact physiologique non négligeable. Le bois naturel est très positif dans ce domaine :

• Le bois est hygroscopique. À condition de ne pas être recouvert d'une finition filmogène, il régule en partie la production de vapeur d'eau par les habitants. En effet, quand il y a trop d'humidité, le bois, qui a une grande capacité hygroscopique, absorbe ce trop pour le retransmettre à son environnement quand les circonstances l'exigent. Ceci est très agréable car un manque d'humidité (généré par le chauffage central) favorise les inflammations des voies respiratoires, la présence de germes pathogènes dans l'air, l'augmentation des charges électrostatiques..., tandis qu'un excès d'humidité perturbe les échanges de chaleur entre le corps et son environnement, sensibilise la cornée, diminue la résistance électrique de la peau, ce qui augmente le risque d'électrocution avec des appareils électriques défectueux, etc.

Le bois naturel ne contient pas de substances nocives et n'en produit pas en cas d'incendie. Mais certains produits de traitements, contenant des substances nocives, sont dangereux tant pour la santé des habitants que pour l'environnement. Les produits peuvent se dégager sous forme de gaz dans l'atmosphère intérieure, être délavés par la pluie et polluer les rivières, ou être transformés en fumées dangereuses lorsqu'on le brûle. Il convient donc d'être attentif à la nature de ces produits.

Le bois est électriquement neutre, mais il est un conducteur électromagnétique. Les géobiologistes louent sa perméabilité aux « bonnes ondes », mais le bois conduirait aussi les ondes nocives créées par l'électricité. Il pourrait donc être utile de prévoir un système de coupage général de l'électricité (biorupteur) dans les habitations en bois.

Le bois est le moins radioactif de tous les matériaux de construction.

Grâce à la mise en œuvre à sec, les constructions en bois possèdent une atmosphère saine et un pouvoir isolant dès la fin du chantier, au contraire des procédés de construction par voie humide, qui mettent plusieurs mois à sécher, interdisant la mise en œuvre des finitions, produisant une atmosphère humide, froide et désagréable.

Par contre, le bois est un piètre isolant phonique. Il ne peut opposer de masse importante à la transmission des bruits aériens. On corrige ce défaut en ajoutant des matériaux isolants dans la composition de la paroi. Néanmoins, le bois absorbe les sons et il est utilisé pour répondre aux exigences des salles de concert.

La hausse du prix du pétrole et la crise énergétique qui s'en est suivie ont contribué à amener chez les gens un réflexe de calfeutrage le plus parfait possible. On emballe les taches d'humidité, on bourre d'isolant, on arrête l'air par des boudins sous les portes… Ces réflexes doivent être abandonnés dans une construction en bois, dont l'isolation est d'ailleurs souvent bonne. Le calfeutrage conduit au confinement des bois, et engendre pourriture et champignons.

Les panneaux

La plupart des panneaux sont assemblés avec des colles qui, après polymérisation, peuvent dégager du formaldéhyde ou aldéhyde formique (CH<_>2O). Il s'agit d'un gaz qui, en concentration importante, peut irriter les yeux et la gorge, provoquer des bronchites chroniques. Chez certaines personnes extrêmement sensibles, des incommodations graves ont été signalées. En juin 2004, le formaldéhyde a été classé comme « cancérigène certain » par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC), qui dépend de l'Organisation mondiale de la santé (OMS). Pourtant il entre dans la composition des colles, des vernis industriels, des produits désinfectants pour grandes surfaces (sols des hôpitaux…) , des isolants thermiques des canalisations, des isolants électriques, des interrupteurs, et de certains plastiques. Le formaldéhyde est aussi émis par la fumée de cigarette, les flammes des fourneaux à gaz… Mais les principales sources d'émission dans les constructions sont les panneaux agglomérés. Lors d'un incendie, le taux de formaldéhyde dégagé est très important.

Le taux d'émission d'un panneau décroît avec le temps mais augmente dans des conditions d'humidité et de température élevée. Il est donc conseillé de ne pas le placer près d'une source de chaleur ou de prévoir une finition étanche à l'air.

Les panneaux classés « E1 » ont un taux d'émission de formaldéhyde très bas (moins de 9 à 10 mg par 100g de panneau sec). Les contre-plaqués ont une émission faible et la plupart des OSB ainsi que nombre de MDF sont E1. Préférez ceux qui ont un agrément technique, reconnaissables au marquage sur la face ou le côté, par exemple ATG/H.701 C E1.

Aspects économiques

La préfabrication permet de raccourcir fortement la durée du chantier, et la construction est sèche, ce qui permet d'effectuer plus vite les finitions et d'y habiter tout de suite. Cette rapidité permet de réduire fortement la durée de paiement d'un « double loyer ».

La légèreté du bois permet de se passer de gros engins de chantier, ce qui réduit aussi les nuisances (bruit, poussières), et les coûts pendant la construction.

Mais la préfabrication en atelier, le recours à des équipes de montage polyvalentes représentent un véritable bouleversement des métiers du bâtiment et supposent une nouvelle forme d'organisation du chantier.

Lors de la construction, le bois ne s'avère pas toujours moins cher que les matériaux traditionnels, notamment parce que les intervenants sont très nombreux (bûcheron, débardeur, transporteur, sécheur, stockeur, scieur, grossiste, détaillant, charpentier), prenant chacun leur bénéfice, et parce que les spécialistes capables de bien le travailler sont encore difficiles à trouver.
Il manque à la filière bois en Belgique une économie d'échelle.

À qualités mécaniques égales et isolation thermique améliorée, les murs en bois sont de 15 à 20 cm moins épais que des parois en maçonnerie. Le gain de surface est évalué à 10% pour une maison individuelle.

L'avantage le plus important est la réduction possible des coûts de chauffage à long terme, favorisé par la réduction des ponts thermiques et la facilité de mise en œuvre d'une forte épaisseur d'isolant entre les montants de l'ossature.

Les panneaux

Savez-vous qu'il est possible de réaliser des éléments de charpente en panneaux de bois? A condition qu'elles soient bien calculées, les charpentes réalisées avec des panneaux sont relativement économiques.

Le problème du feu

Le bois est certes combustible mais il est plus résistant à l'incendie que d'autres matériaux de construction.
La température d'ignition du bois (c'est-à-dire la température qu'il faut atteindre pour qu'il s'enflamme) est de 250°C (480°F) pour la plupart des résineux et de 350°C (660°F) pour les feuillus. Lorsque les armatures du béton armé se déforment et font basculer la structure, le bois ne brûle que de 0,7 mm par minute (4,2 cm par heure) et la couche carbonisée forme une protection pour le cœur du bois. Dans cette couche, le flux de chaleur est réduit de plus de moitié. Le bois est mauvais conducteur de la chaleur, ne se dilate que peu. Qu'un incendie évolue à 500 ou 1200°C, le bois reste intact à partir d'un cm sous sa surface carbonisée, et la capacité portante de la section intacte reste préservée.

Lors d'un incendie, le bois ne produit pas de fumées toxiques, au contraire du PVC (ex : châssis) qui, en brûlant, dégage du cyanure.

L'acier perd ses capacités porteuses à 450°C (840°F), comme on a pu le voir pendant les attentats de New-York, où après avoir brûlé quelques minutes les tours se sont effondrées brusquement. Pour protéger l'acier du feu on l'a longtemps floqué avec de l'amiante, qui cause les cancers que l'on sait.

Les panneaux : Lors d'un incendie, le taux de formaldéhyde dégagé est très important.

Protection du bois

voir Protection du bois

Voir aussi

• Le bois
• les insectes et champignons du bois
• L'artisanat
• Construire son habitat
• Bois soudé

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