Au Canada et aux États-Unis, la construction modulaire utilise principalement des pièces de charpente en bois préfabriquées en usine qui sont ensuite transportées et assemblées au chantier. Comme le travail peut se faire en parallèle en usine et sur le chantier, il est possible de raccourcir l’échéancier des travaux et de générer des revenus plus tôt, plus particulièrement dans le cas de projets aux unités qui se répètent, comme c’est le cas pour les appartements et les hôtels. La construction modulaire permet aussi de diminuer le coût des travaux, ce qui améliore en retour la performance et l’abordabilité du logement.

Les modules volumétriques sont préfabriqués et les planchers, les murs et les plafonds sont installés en usine (Image 1). La charpente entre les modules est inévitablement doublée lors de l’installation sur le site (Image 2). Bien que ceci augmente la quantité de matériaux utilisés et les coûts, la résistance au vent, aux séismes et au feu s’en trouve améliorée. C’est un élément particulièrement important parce que la majorité des constructions modulaires sert à des populations vulnérables qui habite dans des logements de moins haute gamme. D’autre part, une plus grande résilience aux catastrophes naturelles permet potentiellement d’allonger la durée de vie des bâtiments, de diminuer l’entretien nécessaire et de réduire l’empreinte de carbone. Ensemble, ces facteurs peuvent faire diminuer les primes d’assurance et les autres coûts de fonctionnement.

Dans l’étude, les données sur la charpente de plancher des constructions modulaires examinées par l’étude répertorient les panneaux de bordure de murs d’extrémité, les panneaux de bordure de murs latéraux, les solives de plancher et les platelages de plancher pour les unités et pour les corridors. Les configurations courantes de panneaux de bordure des murs d’extrémité comprennent du bois de construction de dimensions courantes doublé de 5x30 cm tandis que celle des murs latéraux comprend du bois en placage stratifié de 30 cm. La configuration courante des solives de plancher comprend une combinaison de bois de construction de dimensions courantes de 5x30 cm espacés de 40 cm centre à centre et des poutres en treillis préfabriquées espacées de 60 cm centre à centre (Image 5). Les solives des planchers étaient doublées dans les murs des corridors et de chaque côté des murs des trémies. La configuration la plus commune du platelage était du contreplaqué de 2 cm avec un assemblage à rainure et languette collé et cloué 15 cm centre à centre à la charpente de plancher.

Mise en contexte

La fabrication en usine des modules pointe vers un contrôle de qualité plus serré et des joints et des assemblages sont précis. En 1993, la Federal Emergency Management Agency (FEMA) a publié l’étude Building Performance: Hurricane Andrew in Florida. L’étude évaluait la performance des constructions modulaires à la suite de vents violents de 265 km/h qui ont endommagé ou détruit 187 500 structures résidentielles. Selon l’agence, l’assemblage module à module des unités semblait être un système rigide par nature qui a surpassé les charpentes conventionnelles. D’autres études ont démontré que les constructions modulaires ont un plus haut niveau de contrôle de la déflexion et sont de ce fait plus à même de résister à la déformation provoquée par l’énergie du vent, plus particulièrement dans les immeubles à plusieurs étages. D’une manière générale, la géométrie des constructions modulaires est davantage compartimentée et symétrique, ce qui la rend meilleure pour distribuer uniformément la charge due au vent et ce qui réduit les zones de faiblesse par rapport aux immeubles d’habitation construits sur chantier (image 3).

Méthodologie

En 2024, des chercheurs de l’Université du Nebraska-Lincoln ont effectué une revue de la conception des constructions modulaires à partir de l’étude sur le terrain Modular Multifamily Construction’ réalisée par le U.S. Department of Energy (USDOE). L’étude se penchait sur 12 immeubles d’habitation modulaires construits entre 2021 et 2023 à Los Angeles (3), San Francisco (4), Philadelphie (3) et Seattle (2). Ceux-ci avaient en moyenne six étages, une superficie de plancher de 13 000 m2 et 130 unités d’habitation. Finalement, les modules employés ont été fabriqués par six différents fabricants nord-américains.

La revue de la conception a identifié les codes du bâtiment applicables, la vitesse du vent utilisée, la charpente et les assemblages structurels de chaque construction. Les données mentionnaient les planchers, les murs, les plafonds et la charpente du toit des extrémités extérieures et des murs latéraux, les murs des corridors intérieurs et des murs de raccordement entre les modules (Image 4). La charge admise pour les unités, les platelages de toit, les corridors et les espaces communs a été documentée, tout comme le ratio fenêtrage-mur et les autres données reliées à l’enveloppe.

L’évaluation de l’ossature murale a tenu compte des murs d’extrémité et latéraux, de l’ossature murale de jonction et de l’ossature murale des corridors au premier niveau, au niveau du milieu et au niveau du toit. La configuration la plus fréquente pour les murs d’extrémité et latéraux et pour la charpente des corridors était du bois de construction de dimensions courantes de 5x15 cm. Celle pour l’ossature murale de jonction était du bois de construction de dimensions courantes de 5x10 cm. La charpente du premier niveau était le plus souvent composée de montants doublés de 30 cm centre à centre (Image 6), tandis que la charpente des niveaux du milieu et du toit était le plus souvent composée de montants doublés de 30 cm centre à centre ou de 40 cm. Des poteaux de bois d’œuvre, des poteaux de bois en placage stratifié et (ou) des ensembles de montants étaient placés aux points porteurs à intervalle dans l’ossature murale, normalement aux coins des modules et aux points de jonction des corridors et des murs. La configuration la plus courante pour le revêtement mural des murs d’extrémité et latéraux, de l’ossature murale de jonction et de l’ossature murale des corridors au premier niveau, au niveau du milieu et au niveau du toit était constituée de panneaux à copeaux orientés de 1,25 cm ou de contreplaqué cloué de 15 cm centre à centre à l’ossature murale. Un revêtement mural continu du plancher au plafond servait de diaphragme ou de mur de contreventement pour presque tous les murs d’extrémité et latéraux, les murs de jonction et les murs de corridor.

Image 5

Figure 7

Image 6

Image 4

Image 3

Résultats

La vitesse du vent utilisée dans la conception des constructions modulaires de l’étude variait de 150 à 185 km/h. La charge de gravité était semblable pour tous les immeubles avec une charge de toit de 100 kg/m2, une charge par unité de 200 kg/m2 et une charge par corridor de 500 kg/m2. Le ratio fenêtrage-mur moyen était de 20 %. Quatre bâtiments étaient de type dalle sur le sol avec une charpente en bois modulaire de type III. Les huit autres avaient des charpentes en bois modulaire de type III sur une à quatre étapes de béton de type I ou un socle en acier.

Résumé

Comme montré, les méthodes et matériaux utilisés dans la construction modulaire d’immeubles multifamiliaux sont semblables à ceux utilisés dans la construction sur chantier. Parmi les différences observées, il y a l’ossature « double » des plafonds et planchers entre les unités modulaires nécessaires à la préservation de l’intégrité structurale pendant le transport et l’installation par grue, ainsi que pour l’installation en usine des systèmes mécaniques, électriques et de plomberie dans les plafonds, ainsi que les systèmes de finition. Il y a également le revêtement structurel pratiquement continu de tous les murs d’extrémité et latéraux, les murs de jonction et les murs de corridor. Bien que la quantité de revêtement soit nécessaire pour préserver l’intégrité structurale pendant le transport et l’installation par grue, les murs de contreventement sont en résultat plus résistants aux charges latérales que ce que l’on retrouve normalement dans le code du bâtiment sur chantier, ou ce qui est demandé par les codes du bâtiment.

De la même manière, la longueur relativement courte des assemblages des planchers, des plafonds et du toit combiné aux géométries symétriques et compartimentées des unités donne lieu à un système plus rigide qui est plus à même de distribuer latéralement la charge de vent et la charge sismique. En comparaison, il y a normalement une plus grande variabilité géométrique dans les constructions sur chantier, et moins d’uniformité structurale. En somme, la distribution de la charge de ces dernières est plus susceptible d’être inégale et les points faibles localisés sont plus fréquents, ce qui peut entraîner une détérioration des structures en raison de la charge.

Image 1