Constructions hybrides : définition et raison de leur expansion croissante dans le secteur du bâtiment

Les structures hybrides construites avec plusieurs matériaux sont de plus en plus répandues dans les zones urbaines, où la demande de bâtiments à plusieurs étages ne fait qu’augmenter.
Les ingénieurs et architectes attentifs à l’optimisation des processus de construction et à l’éco-durabilité ont identifié les structures hybrides comme la solution idéale pour répondre aux besoins du marché.
Les bâtiments hybrides, tels que les gratte-ciels en bois avec soubassement et noyau en béton, sont le fruit d’une méthode de construction qui vise la réalisation d'édifices à plusieurs étages et de structures hautes performances.

Le principe à la base de la construction hybride est simple et consiste à associer différents matériaux en exploitant leurs meilleures caractéristiques. Le béton est apprécié pour sa grande disponibilité et sa rigidité, le bois pour son éco-durabilité et sa légèreté, l’acier pour sa résistance. L’association de plusieurs matériaux répond aux exigences du génie des structures moderne, qui prend en considération la fonctionnalité du bâtiment et les performances standardisées, par exemple pour la résistance au feu, tout en cherchant à réduire l’impact environnemental, en limitant les émissions de CO2.

Structures mixtes bois-béton : les plus répandues

En Europe et dans le reste du monde, l’association bois-béton est l’une des solutions les plus utilisées. Une construction en bois implique toujours l’utilisation de deux matériaux, puisque les fondations sont en béton. Le concept de bâtiment hybride cependant est habituellement associé aux gratte-ciels en bois que les entreprises générales du bâtiment et les administrations publiques font réaliser.

Bien qu’il soit possible de construire des bâtiments principalement en bois, le choix de l’associer au béton offre des avantages importants en termes de sécurité et de durabilité et permet d’augmenter le nombre d’étages. EN particulier, la technologie bois-béton exploite les planchers renforcés. Dans ce cas, les deux matériaux travaillent ensemble pour optimiser les performances structurelles. Le béton résiste à la compression et augmente la capacité de charge, tandis que le bois offre une bonne résistance à la traction, grâce à sa capacité de flexion.

Ascent MKE : le bâtiment en bois le plus haut du monde est une construction hybride

La tour de Milwaukee, qui est considérée comme la structure en bois la plus haute du monde, se caractérise par sa nature hybride. Elle s’élève à une hauteur de 86,5 mètres sur un soubassement de 7 étages en béton armé, destiné à des espaces commerciaux. Les 18 étages restant construits en bois massif pour un usage résidentiel reposent sur le béton armé.

Le système structurel contre les forces latérales est lui aussi composé de deux noyaux en béton, qui ont une fonction à la fois structurelle et fonctionnelle. En effet, ils augmentent la stabilité de la structure en bois, tout en abritant un ascenseur et une cage d’escalier.

L’Ascent est considéré comme le gratte-ciel en bois le plus haut du monde, mais sa réalisation n’aurait pas été possible sans un noyau en béton armé. D’un autre côté, la légèreté du bois a permis une construction rapide, tout en optimisant les espaces d’habitation et de travail. Les murs extérieurs en bois sont en effet 40 % plus fins par rapport à ceux réalisés dans d’autres matériaux de construction, tout en assurant les mêmes performances en matière d’isolation thermique. De plus, le bois massif améliore le confort de vie, grâce à ses propriétés d’isolation thermique et acoustique et à la rapidité d’assemblage.

Structures mixtes acier-bois : légèreté et résistance

Une autre association gagnante est celle de l’acier et du bois. Dans cette configuration, l’acier est employé pour l’ossature verticale, tandis que le bois est utilisé pour les structures horizontales. La construction à sec est l’un des principaux avantages de ce type d’hybride. En effet, l’absence de béton réduit les délais de réalisation et évite la libération d’humidité, prévenant ainsi les risques de stagnation et les problèmes au niveau des finitions en bois.

L’association de l’acier et du bois permet d’obtenir des bâtiments hybrides plus légers et flexibles, en réduisant le poids total sans mettre à risque la sécurité. Ce système de construction optimise la répartition des charges, ce qui améliore la stabilité structurelle et augmente la durabilité environnementale du bâtiment.

Le Sara Kulturhus de Skellefteå en Suède est un bon exemple de bâtiment hybride associant bois et acier. Avec ses 20 étages et ses 80 mètres de hauteur, c’est l’un des bâtiments en bois les plus hauts d’Europe.

Bâtiments hybrides en béton-acier-bois

Certains bâtiments hybrides sont fabriqués en utilisant les trois matériaux afin d’optimiser la répartition des charges. Le béton sert alors de noyau structurel rigide, tandis que l’acier et le bois sont associés pour assurer la légèreté, l’isolation et la résistance aux sollicitations sismiques.

Structures hybrides : tous les avantages

Selon une étude menée par le CTBUH* fin 2022, sur les dix bâtiments en bois les plus hauts du monde, neuf étaient des structures hybrides, ce qui confirme le rôle croissant de cette technologie dans le secteur du bâtiment moderne.

Les avantages techniques de la construction hybride sont indiscutables :

1. Une plus grande résistance structurelle

L’utilisation combinée de matériaux ayant des propriétés complémentaires permet d’obtenir des bâtiments plus résistants :

Acier : excellente résistance à la traction et à la flexion.

Béton : grande rigidité, performances à la compression optimales, idéal pour les fondations et les noyaux rigides.

Bois : très bon rapport résistance/poids et capacités de dissipation des connexions en acier idéales pour les zones sismiques.

2. Efficacité sismique

• Les assemblages bois-acier améliorent l’absorption des forces sismiques.

• Les structures hybrides bois-béton augmentent la résistance latérale.
  

3. Réduction du poids total

L’utilisation du bois et de l’acier diminue la charge sur les fondations et simplifie la conception des bâtiments à plusieurs étages, en permettant une répartition du poids plus uniforme. Cela permet de réduire l’emploi de matériaux lourds tels que le béton, avec des bénéfices sur le plan de l’éco-durabilité et une diminution du coût total de construction.

4. Accélération des temps de construction

Les solutions modulaires alliant l’acier et le bois préfabriqué réduisent les délais de montage par rapport aux constructions en béton armé. La préfabrication permet de diminuer les délais de construction sur place et d’améliorer la précision dans la réalisation des structures, en réduisant les risques d’erreurs et les frais d’entretien.

5. Une plus grande éco-durabilité

• Le bois massif améliore l’isolation thermique.

• Les structures mixtes acier-bois réduisent les ponts thermiques.

• L’intégration des technologies intelligentes au sein des bâtiments hybrides optimise l’efficacité énergétique, en diminuant la consommation d’énergie et en augmentant le confort de vie.

*https://www.ctbuh.org/research/projects/the-future-potential-of-steel-timber-hybrid-buildings

Coût des bâtiments hybrides : un investissement à long terme

L’un des obstacles principaux au développement des structures hybrides est le coût initial, généralement plus élevé de 5-10 % par rapport à une construction traditionnelle en acier ou en béton. Toutefois, sur le moyen long terme, les économies d’énergie et les frais d’entretien plus faibles compensent l’investissement initial.

Selon une recherche menée par le CTBUH, la réduction des consommations énergétiques et la plus grande efficacité sur le site de construction permettent de récupérer l’investissement supplémentaire en 10-15 ans. De plus, l’utilisation d’éléments préfabriqués permet de réduire les coûts de construction, grâce à des économies d’échelle.

Un autre facteur influençant les coûts est la disponibilité croissante de solutions technologiques avancées pour la conception et la gestion des édifices hybrides. Des logiciels tels que Building Information Modeling (BIM) permettent une conception plus précise et moins sujette aux erreurs, ce qui réduit les gaspillages et améliore l’efficacité de la construction.

L’évolution des normes

Jusqu’à récemment, les codes de construction étaient fortement orientés vers l’utilisation de matériaux traditionnels comme le béton et l’acier, tandis que le bois était majoritairement employé dans des structures peu élevées. Aujourd’hui, l’évolution des techniques de construction et l’innovation dans les matériaux ont entrainé une révision des normes de construction, qui permettent maintenant d’utiliser du bois dans des immeubles à plusieurs étages.

L’introduction de la norme Eurocode 5 pour les structures en bois a marqué une étape fondamentale dans ce processus, en fournissant les bases pour la conception de bâtiments en bois plus complexes et à plusieurs étages. Dans le même temps, l’attention croissante portée à la durabilité environnementale et à la réduction des émissions de dioxyde de carbone a poussé les gouvernements à encourager l’adoption de solutions écologiques, dont font partie les constructions hybrides. En 2027, avec l’adoption de l’Eurocode 8 (la deuxième génération des normes européennes), de nouveaux paramètres seront établis pour les structures en bois et hybrides, en ouvrant la voie à une conception encore plus avancée.

La contribution de Rothoblaas à la construction hybride

Rothoblaas fournit des solutions de pointe pour la réalisation de bâtiments hybrides dans les différentes configurations : bois-acier, bois-béton et bois-acier-béton.

Le système TC FUSION en est un exemple. Il permet de travailler avec la préfabrication et de réaliser des planchers rigides en CLT, en assurant des standards élevés en termes de résistance et de stabilité.

Pour soutenir la construction hybride, Rothoblaas produit des connecteurs et des fixations qui optimisent les assemblages entre différents matériaux et qui répondent aux nécessités de projets complexes. ALUMEGA par exemple se distingue par sa polyvalence dans les assemblages poutre-poutre et poutre-poteau, ainsi que par sa capacité à suivre la rotation du poteau, tout en conservant la résistance au cisaillement pour des charges gravitationnelles provenant du plancher. Avec ALUMEGA, il est possible d’accoler plusieurs modules et de résoudre tous les assemblages sur bois, béton et acier.

Les connecteurs RADIAL et RING sont idéaux pour la préfabrication et l’assemblage/le démontage des modules.

Pour les fixations haute résistance, les rondelles tournées HUS sont idéales pour augmenter la résistance axiale des assemblages avec vis à tête fraisée HBS.

Grâce à ces solutions, et à d’autres (pour la fixation, l’isolation thermique et l’isolation acoustique), Rothoblaas fournit les outils nécessaires aux concepteurs et constructeurs pour réaliser des bâtiments hybrides efficaces, résistants et éco-durables, en répondant ainsi aux défis du monde moderne.

L’hybride est au centre de la conception structurelle actuelle et offre une opportunité de développement. C’est pourquoi Rothoblaas promeut la formation professionnelle avec des cours spécialisés et soutient la recherche avec des initiatives telles que le concours BUILD THE (IM)POSSIBLE, dédié à la conception de bâtiments hybrides. Le défi dans ce cas consiste à trouver de nouvelles solutions pour la conception et la construction de bâtiments hybrides, où l’ingénierie du bois rencontre différents matériaux. Sur le site du concours est disponible la brochure PRODUITS POUR CONSTRUCTIONS HYBRIDES qui peut être utile à tous ceux qui croient dans l’optimisation des processus de construction : TÉLÉCHARGER