La paille porteuse comme panneau sandwich
Introduction
Contexte
La construction en Paille Porteuse (PP) est un système constructif dans leqeul les murs porteurs sont constitués de bottes de paille superposés en quinconce, précomprimés entre deux lisses en bois puis enduites, généralement d’enduits fibrés à base de terre ou de chaux. La paille dans la construction constitue un savoir vernaculaire et ce système précis est apparu aux États-Unis vers la fin de XIXème siècle dans le Nebraska [1], puis a connu un regain d’intérêt scientifique et technique en Europe au début des années 2000. En France on peut retrouver plusieurs travaux de l’École Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC) [2], l’École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE) [3] et le Réseau Français de la Construction en Paille (RFCP) sur la construction en PP. De nombreux essais ont également été menés jusqu’à très récemment cette année pour caractériser ce système constructif.
Les Règles Professionnelles de Construction en PP [4] est aujourd’hui, en France, un des premiers documents règlementaire et un des plus complets sur la construction en paille intégrant les aspects mécaniques porteurs de celle-ci. Il contient notamment des définitions précises des matériaux utilisés pour la PP, des méthodes de dimensionnement à la main et un socle de données expérimentales directement utilisable. Néanmoins son contenu reste limité pour être véritablement à l’aise dans le calcul numérique et la justification des structures en PP auprès des bureaux de contrôle.
Hypothèses de ce travail
L’hypothèse centrale de ce document est que le système de PP enduite se comporte mécaniquement comme un panneau sandwich. Les enduits forment les peaux rigides et résistantes.La paille constitue le noyau central léger et donnant de l’inertie au mur. C’est une hypothèse qui existe depuis près de 20 ans et que l’on peut notamment retrouver dans certains articles scientifiques sur ce système constructif [2].
Objectif de ce document
L’objectif de ce document est donc d’établir la base scientifique et normative qui permet de traiter la PP en se basant sur des documents consensuels:
- Cellular Solids: Structure and Properties de Gibson et Ashby [5]. C’est un livre central sur les matériaux cellulaire (i.e. les mousses et autres) qui composent le noyau des panneaux sandwich. Ce document est la base de dizaine de milliers d’articles scientifiques. Les lois définies dans cet ouvrage ont pu être exploités pour être appliqués au bois, au liège ou à de nombreux matériaux naturels. Notre objectif est donc d’appliquer ce document à la paille en faisant une analogie entre la mousse et notre matériau cellulaire.
- Le projet d’Eurocode sur les structures composites, Design of Fibre-Polymer Composite Structures [6]. Ce document est la première ébauche d’un Eurocode sur les matériaux composites et est déjà une norme applicable depuis 2022. Il est particulièrement intéressant puisqu’il établie des règles européennes pour les panneaux sandwich sans pour autant les limiter aux cas usuels. L’objectif est d’intégrer notre solution de PP enduite aux limites de cet Eurocode afin d’ancrer notre système dans un cadre règlementaire consensuel et durable.
Les matériaux composant le système Paille Porteuse
La paille comme matériau fibreux
Gibson et Ashby [5] définissent, dans Cellular Solids, un matériau cellulaire comme “un solide constitué d’un réseau interconnecté de montants ou de plaques solides qui forment les arêtes et les faces des cellules”.
La coupe réalisée par tomodensitométrie de la Figure 1 d’une botte de paille [7] permet d’observer la même structure de tiges végétales creuses distribuées de manière quasi-aléatoire dans la botte.
La paille n’est donc pas exactement un solide cellulaire mais un matériau fibreux, à l’instar du papier ou de la ouate, exemples cités dans Cellular Solids [5]. Ces matériaux sont consitutés d’un “enchevêtrement aléatoire de fibres, dont les points de contact peuvent être liés entre eux”, comme le montre la Figure 2.
a
b
c
d
Figure 2: Matériaux fibreux [5].
a: feutre
b: papier
c: ouate
d: tuile de navette spatiale
Gibson et Ashby expliquent que ces matériaux ont de nombreux points communs thermiques et mécaniques avec les matériaux cellulaires et que les méthodes développées dans Cellular Solids peuvent s’appliquer à ceux-ci, et donc à notre paille. En particulier, le comportement mécanique des mousses semble proche de celui des bottes de paille. Les deux autours donne des intervalles de valeurs pour la densité, le module d’Young et la résistance de certaines familles de solides cellulaires. En mettant en perspective les valeurs typiques de la paille dans la Figure 3 on observe cette proximité mécanique.
Cette idée que la paille se comporte de façon similaire à une mousse se confirme en comparant les courbes contraintes-déformations typiques des deux matériaux.
Figure 4: Courbes contraintes-déformations.
a) théorique d’une mousse [8]
b) réelle d’une botte de paille de [9] fds
Comme présenté dans la Figure 4, la courbe contrainte-déformation de la mousse est constitué de trois régimes successifs: un régime élastique linéaire (flexion des parois des cellules), un plateau plastique (flambement ou plastification des parois des cellules), puis une densification des cellules [5], [8]. Les courbes expérimentales de bottes de paille typiques (autour de ) en compression reproduisent cette séquence en trois phases distinctes.
Pour aller encore plus loin on peut appliquer les lois données par Gibson et Ashby [5] pour les mousses à la paille. Par exemple, on peut relier le module d’élasticité du matériau à sa densité:
où et sont les modules d’Young et densité du matériau composant les cellules de la mousse et est une constante dépendant principalement de leur forme.
Le mémoire de Master de Desille [3] regroupe les résultats des essais de mesure de module d’Young de bottes de paille de plusieurs articles scientifiques. Lorsque l’on trace ces modules d’Young en fonction de la densité des bottes mesurées on obtient une allure croissante, comme le montre la figure Figure 5.
Figure 5: Essais de mesure du module d’Young de bottes de paille selon leur densité et régression avec un modèle de loi carré [3]
Une régression polynomiale en permet de mettre en évidence la relation de l’Equation 1 entre le module d’Young et la densité des bottes.
Néanmoins par soucis de précision il est aujourd’hui nécessaire de mesurer sur chantier le module d’Young moyen des bottes de paille utilisés dans le futur mur en PP parce qu’il peut fluctuer selon différents facteurs extérieurs.
Tout cela constitue des indices évidents de la proximité entre notre matériau paille et les mousses utilisées dans les panneaux sandwich.
Les enduits terres et chaux fibrés comme matériaux composites
Les enduits de terres ou de chaux généralement utilisés dans la construction en PP sont constitués d’une matrice principale formé de terre (ou de chaux), de sable et d’eau à laquelle on ajoute des fibres naturelles, usuellement des fibres de paille coupées.
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