Les puits de lumière, ces magnifiques éléments architecturaux qui invitent la lumière naturelle dans nos bâtiments, sont plus que de simples conceptions esthétiques. Ce sont des symboles d’innovation, d’efficacité et de génie artistique. Au cœur de cette innovation se trouve l’utilisation d’unités scellées, qui constituent l'essence même de la fonctionnalité et de l’attrait des puits de lumière. Aujourd'hui, nous allons explorer le role essentiel des unités scellées dans les lanterneaux, en approfondissant leurs différents aspects, compositions, évolution historique et importance dans l'architecture moderne d'aujourd'hui.
Un peu d'histoire
Le verre feuilleté a été inventé en 1903 par le chimiste français Édouard Bénédictus, inspiré par un accident de laboratoire : un flacon de verre avait été enduit de nitrate de cellulose, une matière plastique, et lorsqu'il était tombé, il avait volé en éclats mais ne s'était pas brisé en morceaux. En 1909, Bénédictus dépose un brevet, après avoir entendu parler d'un accident de voiture où deux femmes avaient été gravement blessées par des débris de verre. En 1911, il crée la Société du Verre Triplex, qui fabrique un composite verre-plastique pour réduire les blessures dans les accidents de voiture. La production du verre Triplex est lente et minutieuse, et donc coûteuse. Le verre Triplex n'est donc pas immédiatement adopté par les constructeurs automobiles, mais le verre feuilleté est largement utilisé dans les lentilles oculaires des masques à gaz pendant la Première Guerre mondiale. En 1912, le procédé est concédé sous licence à la société anglaise Triplex Safety Glass Company. Par la suite, aux États-Unis, Libbey-Owens-Ford et Du Pont avec Pittsburgh Plate Glass ont produit du verre Triplex.
Le type de matériau utilisé pour le laminage était plutôt fragile à basse température, donc plus ou moins efficace. En revanche, vers 1927, un Canadien a créé le polyvinylbutyral, communément appelé PVB. Ce dernier est encore aujourd'hui l'intercalaire le plus utilisé dans le domaine de l'architecture et dans le domaine automobile. Ce n’est qu’une trentaine d’années plus tard, dans les années 1960, que le verre feuilleté est devenu un standard dans l’industrie automobile. Certains fournisseurs de verre, comme Laminate Glass Corporation, ont commencé à produire du verre feuilleté pour l'industrie de la construction dans les années 1970. On peut donc se demander à quoi étaient destinés ces verres puisqu'il n'existait à cette époque aucune norme en matière de conception du verre au Canada et aux États-Unis. Il faut dire que les propriétés du verre étaient bien connues depuis les années 1960, car des milliers de verres avaient été testés pour déterminer leurs propriétés. Ces tests ont révélé deux caractéristiques importantes du verre. La première étant que le verre est un matériau fragile au comportement élastique jusqu'à la rupture et la seconde étant que le verre présente une résistance très variable. Dans la figure 2.1, vous pouvez voir la répartition des résultats de 740 essais.
La résistance du verre a donc été établie sur la base d'une probabilité de bris de 8/1000. Cela signifie donc que si l'on respecte la contrainte maximale établie selon ce principe, en effectuant un test sur 1000 verres, il devrait y en avoir environ 8 qui se briseraient. Cela s'avère acceptable pour les vitrages soumis aux charges de vent, et c'est sur cette base que la norme américaine a été établie. En revanche, qu’en est-il d’une application au-dessus d’une zone de circulation? La possibilité que du verre brisé tombe au sol est-elle acceptable? À cette possibilité de bris sous charges combinées, il faut ajouter la possibilité de bris spontanée provoquée par des défauts à l'intérieur des verres (inclusions de sulfure de nickel). Il est bien connu dans l’industrie que le verre trempé est plus sujet aux bris spontanés. C’est pourquoi certains fournisseurs proposent aujourd’hui un traitement thermique secondaire pour réduire ce risque : Heat Soak Test.
Donc, si on résume, on a un matériau fragile à résistance variable et présentant des risques de bris spontané. Il faut également mentionner que malgré la croyance populaire, le verre trempé ne se brisera pas forcément en une multitude de petits morceaux (voir figure 2.7).
Il pourrait donc y avoir des morceaux d'une certaine masse qui pourraient tomber au sol s'il n'y a pas de protection. C’est aussi pour cela que les garde-corps en verre monolithique sont placés à une certaine distance de l’extrémité d’une dalle en béton. En cas de bris, les morceaux de verre entrent en contact avec l'extrémité de la dalle et se fragmentent. C'est pourquoi une étude de risques était et reste encore aujourd'hui nécessaire lors de la conception d'éléments en verre impliquant la sécurité des personnes.
D’ailleurs, la notion de redondance est connue depuis les années 80 et même avant. Ce concept nécessite que la conception du verre structurel soit faite en supposant qu'un ou plusieurs verres peuvent se briser et que ses charges puissent être reprises par d'autres éléments. C’est également selon ce principe fondamental qu’a été établie la norme CGSB-12.20.
En fait, dès le XIXe siècle, ingénieurs et architectes avaient commencé à travailler sur des solutions pour empêcher les débris de verre de tomber sur les utilisateurs des bâtiments dotés de lanterneaux en verre. C'est pourquoi des filets métalliques ont été installés sur le bâtiment du World's Columbian Exposition en 1893. Il s'agit d'un bâtiment de Chicago sur lequel il y avait du verre au niveau du toit. Après la chute de plusieurs verres, les autorités ont installé des filets métalliques pour protéger et sécuriser les usagers. Les filets métalliques présentaient cependant des inconvénients, car ils pouvaient parfois laisser tomber quelques particules de verre en plus d'avoir des problèmes de corrosion. C’est pourquoi le verre armé (avec un treillis métallique placé dans le verre) a été développé à la fin des années 1800. En effet, certains états des États-Unis (Pennsylvanie et New York) ont commencé à exiger des verres armés au niveau des lanterneaux à partir de la fin des années 1800, vers 1899 pour être précis.
Introduction aux vitrages isolants modernes
Les vitrages isolants, ou plus communément appelés unités scellées, sont une pierre angulaire des systèmes de vitrage modernes. Ils sont constitués de deux ou plusieurs panneaux de verre séparés par un intercalaire isolant et scellés au périmètre. Cette configuration crée un espace rempli d'air ou de gaz entre les verres, offrant ainsi une isolation supérieure contre la chaleur et le bruit. Dans le cas des unités scellées spécifiquement conçues pour les puits de lumière, au Canada, selon la norme CAN/CGSB-12.20-M89, la vitre intérieure doit être laminée.
Matériaux intercalaires clés pour les verres laminés
Les intercalaires les plus populaires pour les verres laminés de lanterneaux sont le polyvinylbutyral (PVB) et le SentryGlas Plus (SGP). Regardons de plus près:
Polyvinylbutyral (PVB)
Un choix populaire pour les applications où les bords ne sont pas exposés aux intempéries, certains PVB bloquent plus de 99 % des rayons UV et propose une version acoustique pour améliorer les indices STC. Cet intercalaire est souple et malléable. D'un autre côté, le module de Young est faible et fortement affecté par la température.
SentryGlas Plus (SGP)
SGP a été initialement développé pour les vitrages anti-ouragan. Fabriqué à partir de la technologie des polymères ionoplastes, il surpasse le PVB en termes de propriétés mécaniques (module de Young) et offre une résistance supérieure à la déchirure et à l'humidité. Il s'agit d'une option plus sûre pour le verre fixé par points au-dessus des aires de circulation et convient mieux aux applications extérieures. Cet intercalaire est beaucoup plus rigide que le PVB et moins affecté par la température. Par contre, cet intercalaire est plus dispendieux que le pvb.
Applications des unités scellées avec vitrage laminé
Voici quelques exemples d'applications pour les unités scellées avec vitrage laminé:
- Vitrage isolant incliné
- Verre isolant décoratif
- Serre et Solarium
- Puits de lumière et auvents
Une attention particulière à l'épaisseur et au type de verre est cruciale, tel que décrit dans la norme CAN/CGSB-12.20-M89. Les choix en matière de verre feuilleté peuvent avoir un impact sur les considérations de sécurité, en particulier dans les zones occupées par des personnes.
L'impact environnemental des unités scellées dans les puits de lumière
En réduisant le transfert de chaleur, les unités scellées contribuent de manière significative au maintien d’une température intérieure constante. Cela se traduit par une consommation d’énergie moindre pour le chauffage ou le refroidissement, réduisant ainsi l’empreinte carbone d’un bâtiment.
Attrait esthétique : possibilités de conception avec les unités scellées
Les unités scellées dans les puits de lumière offrent une multitude de possibilités de conception. Diverses options d'intercalaires et potentiels de personnalisation permettent aux architectes et aux concepteurs de créer des structures visuellement époustouflantes qui se fondent dans le thème de conception du bâtiment.
Compositions possibles des vitrages dans les lanterneaux
Simple vitrage
Simple et économique mais offre une isolation minimale. Habituellement réservé à la verrière. Le verre devra être laminé.
Double vitrage
Composé de deux panneaux séparés par de l'air ou du gaz, il est couramment utilisé autant dans les lanterneaux commerciaux que résidentiels. La vitre intérieure devra être feuilletée (laminée) et la vitre extérieure sera généralement trempée pour résister aux chocs.
Triple vitrage
Trois vitrages aux performances thermiques supérieures, adaptés aux climats plus froids ou aux projets hauts de gamme. La vitre intérieure devra également être feuilletée (laminée) et la vitre extérieure sera généralement trempée pour résister aux chocs.
Verre spécialisé
Le verre teinté, les revêtements réfléchissants et les revêtements à faible émissivité (low-E) sont des exemples de verre spécialisé, permettant aux architectes de contrôler le gain de chaleur solaire et l'esthétique. Les mêmes règles que celles mentionnées ci-dessus s'appliqueront à ces verres spécialisés.
Comment déterminer la composition du verre laminé et le traitement thermique
Les charges de neige sur un toit ou sur une partie de toit dépendront de différents facteurs. L'emplacement du bâtiment a un grand impact, mais la géométrie du toit a un impact encore plus important. Selon la figure 4.1.6.5.-A du CNB (voir ci-dessous),
lorsqu'il y a une hauteur différente dans la configuration du toit, la neige formera une congère, donc s'il y a un puits de lumière près de la partie supérieure du toit, les charges de neige peuvent être 3 fois supérieures aux charges de neige standard, voire plus. Le concepteur doit toujours se référer aux dessins de structure pour connaître les charges de neige. Les surcharges doivent être mentionnées sur la vue en plan du toit et si elles ne sont pas mentionnées, un ingénieur doit les calculer pour la conception du puits de lumière.
D'autres charges doivent également être prises en compte. Si le puits de lumière est très large, il est possible que l'équipe de maintenance doive marcher sur les vitrages pour le nettoyage et l'entretient. Si tel est le cas, cette information cruciale doit être mentionnée dans les spécifications car elle affectera probablement l'épaisseur du verre extérieur.
La question est donc: maintenant que nous avons les charges, comment déterminer l'épaisseur et le traitement thermique du verre pour une unité scellée dans un lanterneau?
Ok, alors maintenant que nous avons les charges, qu'est-ce qu'on fait? Dans le passé, vous deviez embaucher un ingénieur spécialisé en calcul de verre pour analyser votre projet et proposer une composition de vitrage sécuritaire selon la norme canadienne CAN/CGSB-12.20-M89, mais bientôt cela pourrait ne plus être le cas. Saviez-vous que notre équipe chez LSVM travaille sur une application qui permettra à vous, architectes, vitriers et autres intervenants de déterminer la composition de vitrage à être utilisée dans les puits de lumière pendant la phase de pré-conception du projet? Vous aurez naturellement toujours besoin d'un ingénieur pour réviser et sceller les dessins d'atelier, mais vous pourrez effectuer une validation préliminaire pour ajuster les prix pendant le processus de devis ou de soumission. Ceci permettra d'optimiser les épaisseurs et éviter les mauvaises surprises plus tard.
Rappelez-vous ma précédente affirmation selon laquelle la majorité des devis concernant les vitrages isolants dans les lanterneaux sont incorrects. Je suppose que c'est cette déclaration qui a retenu votre attention et vous a poussé à continuer votre lecture. Je tiens à préciser que je ne l'ai pas dit simplement pour créer un titre accrocheur, mais parce qu'il s'agit bel et bien d'une réalité. La majorité des devis que nous rencontrons sont en fait incorrects. Voici à quoi ils ressemblent la plupart du temps:
- Verre extérieur: 6mm d’épaisseur trempé
- Espaceur: 13mm avec argon
- Verre intérieur: 2 x 6mm d'épaisseur trempé avec pvb
Qu'est-ce qui ne va pas? En fait, l'épaisseur du verre doit être déterminée en fonction des charges. La plupart d'entre nous connaissons ce fait, donc le problème n’est pas l’épaisseur. Si vous vous souvenez bien, nous avons évoqué précédemment le fait que le PVB était souple, malléable et plus affecté par la température. Comme le verre trempé se brise généralement en petits morceaux équivalents à l'épaisseur du verre, lorsque vous le laminez avec du PVB, vous obtenez un assemblage malléable une fois brisé (voir photo ci-dessous).
Il se comportera alors comme une serviette mouillée. Le pvb n'étant pas assez rigide, associé à du verre entièrement trempé, le comportement après rupture n'est pas sécuritaire.
Alors, quelles sont les solutions? Eh bien, il y en a généralement deux :
Première option, vous combinez du verre renforci à la chaleur avec du PVB. Pour les moins familiers, le verre renforci à la chaleur est une sorte de verre semi-trempé. Il reçoit un traitement thermique, mais moins sévère qu'un verre entièrement trempé. Le résultat est un verre moins résistant qu’un verre trempé, mais deux fois plus résistant qu’un verre recuit. Et le motif de rupture est similaire à celui du verre recuit. Ainsi, une fois brisé, comme les éclats de verre sont bien plus gros que ceux du verre trempé, le verre aura une bien meilleure résistance post-bris, donc moins de chances de se détacher du cadre.
La deuxième option consiste à utiliser du verre trempé combiné au SGP (SentryGlas). Comme le module de Young du SGP est bien supérieur à celui du pvb, avec le verre brisé, le SGP sera capable de supporter la tension générée par les charges sur le verre. Il en résultera une très bonne résistance post-bris, encore meilleure que celle de la première option.
Conclusion : les révolutions et innovations dans les puits de lumière
Les vitrages isolants ont en effet révolutionné la conception et la construction des lanterneaux. Grâce à des matériaux intercalaires innovants tels que le PVB et le SGP, ils offrent une sécurité, une efficacité énergétique et une flexibilité de conception améliorées.
Les lanterneaux, à travers le temps, ont symbolisé la créativité humaine, la recherche du confort et la quête de la beauté. Qu'il s'agisse du charme historique des verreries ornées ou de la sophistication moderne des vitrages économes en énergie, les puits de lumière continuent d'illuminer nos vies, racontant une histoire d'innovation aussi intemporelle que le soleil lui-même.
Comprendre les diverses propriétés et applications de ces matériaux est essentiel pour prendre des décisions éclairées en matière de conception et de construction de puits de lumière. Que ce soit à des fins résidentielles ou commerciales, l'implantation réfléchie des unités scellées contribue à créer des espaces non seulement fonctionnels mais aussi visuellement captivants, ajoutant une touche d'élégance céleste à notre environnement.
Maintenant, si vous souhaitez savoir quand notre application pour les unités scellées de lanterneaux sera disponible, communiquez avec nous sans tarder.
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