Avantages du cuivre dans l’architecture

Le cuivre a gagné une place respectée dans les domaines connexes de l’architecture, de la construction de bâtiments et du design d’intérieur. Des cathédrales aux châteaux et des maisons aux bureaux, le cuivre est utilisé pour divers éléments architecturaux, notamment les toits, les solins, les gouttières, les descentes pluviales, les dômes, les flèches, les voûtes, les revêtements muraux et les joints de dilatation.

L’histoire du cuivre dans l’architecture peut être liée à sa durabilité, sa résistance à la corrosion, son aspect prestigieux et sa capacité à former des formes complexes. Pendant des siècles, les artisans et les concepteurs ont utilisé ces attributs pour construire des systèmes de construction esthétiques et durables.

Au cours du dernier quart de siècle, le cuivre a été conçu dans une gamme beaucoup plus large de bâtiments, incorporant de nouveaux styles, des variétés de couleurs, et différentes formes et textures. Les murs revêtus de cuivre sont un élément de design moderne dans les environnements intérieurs et extérieurs.

Certains des architectes modernes les plus distingués du monde ont compté sur le cuivre. Les exemples incluent Frank Lloyd Wright, qui a spécifié des matériaux de cuivre dans tous ses projets de construction; Michael Graves, un médaillé d’or AIA qui a conçu plus de 350 bâtiments dans le monde entier; Renzo Piano, qui a conçu le cuivre plaqué pré-patiné pour le NEMO-Metropolis Museum of Science à Amsterdam; Malcolm Holzman, dont les bardeaux de cuivre patinés au Centre de communications télévisuelles de WCCO ont fait de l’établissement une vedette architecturale à Minneaoplis; et Marianne Dahlbäck et Göran Månsson, qui ont conçu le musée Vasa, une caractéristique importante de l’horizon de Stockholm, avec un revêtement en cuivre de 12 000 mètres carrés. L’énorme sculpture de poisson en cuivre de l’architecte Frank O. Gehry au sommet de la Vila Olimpica à Barcelone est un exemple de l’utilisation artistique du cuivre.

Le trait le plus célèbre de Copper est son affichage d’une couleur métallique brillante à marron iridescent à près de noir et finalement à une patine verdigris verdâtre. Les architectes décrivent la gamme de bruns comme le roux, le chocolat, la prune, l’acajou et l’ébène. La patine verte distinctive du métal a longtemps été convoitée par les architectes et les concepteurs.

Cet article décrit les avantages pratiques et esthétiques du cuivre dans l’architecture ainsi que son utilisation dans les applications extérieures, les éléments de design d’intérieur et les bâtiments verts.

Avantages

Résistance à la corrosion
En tant que métal architectural, le cuivre offre une excellente résistance à la corrosion. Les surfaces de cuivre forment des revêtements durs à base de pâte et de sulfate d’oxyde qui protègent les surfaces de cuivre sous-jacentes et résistent à la corrosion pendant très longtemps.

Le cuivre se corrode à des taux négligeables dans l’air non pollué, l’eau, les acides non oxydants désaérés et lorsqu’il est exposé à des solutions salines, à des solutions alcalines et à des produits chimiques organiques. La toiture en cuivre dans les atmosphères rurales se corrode à des taux de moins de 0,4 mm en 200 ans.

Contrairement à la plupart des autres métaux, le cuivre ne souffre pas de corrosion sous-jacente qui peut causer des défaillances prématurées de la toiture. Avec un toit de cuivre, les substrats de support et les structures échouent généralement bien avant le cuivre sur le toit.

Le cuivre architectural est, cependant, susceptible d’attaque corrosive dans certaines conditions. Les acides oxydants, les sels de métaux lourds oxydants, les alcalis, les oxydes de soufre et d’azote, l’ammoniac et certains composés de soufre et d’ammonium peuvent accélérer la corrosion du cuivre. La précipitation dans les zones ayant un pH inférieur à 5,5 peut corroder le cuivre, peut-être avant que la patine ou le film d’oxyde protecteur ait le temps de se former. La précipitation acide, connue sous le nom de pluie acide, est due aux émissions provenant de la combustion de combustibles fossiles, de la fabrication de produits chimiques ou d’autres processus qui libèrent des oxydes de soufre et d’azote dans l’atmosphère. La corrosion par érosion peut se produire lorsque l’eau acide provenant d’un toit sans cuivre qui ne neutralise pas l’acidité, comme les carreaux, l’ardoise, le bois ou l’asphalte, tombe sur une petite surface de cuivre. La corrosion de la ligne peut se produire si le bord d’égouttement d’un matériau de toiture inerte repose directement sur le cuivre. Une solution à ce problème pourrait être d’élever le bord inférieur des bardeaux avec une bande de dévers, ou de fournir une bande de renfort remplaçable entre les bardeaux et le cuivre. Une conception et des détails appropriés pour la déperdition d’eau, qui réduisent le temps de séjour de l’eau acide sur les surfaces métalliques, peuvent prévenir la majorité des problèmes de corrosion atmosphérique.

Le laiton, un alliage de cuivre et de zinc, a une bonne résistance à la corrosion atmosphérique, aux alcalis et aux acides organiques. Cependant, dans certaines eaux potables et dans l’eau de mer, les alliages de laiton contenant 20% ou plus de zinc peuvent subir une attaque corrosive.

Durabilité / longue vie
Les toits en cuivre sont extrêmement durables dans la plupart des environnements. Ils ont bien fonctionné pendant plus de 700 ans, principalement en raison de la patine protectrice qui se forme sur les surfaces de cuivre. Les tests effectués sur les toits en cuivre du 18ème siècle en Europe ont montré que, théoriquement, ils pouvaient durer mille ans.

Faible mouvement thermique
Des toits en cuivre bien conçus minimisent les mouvements dus aux changements thermiques. La faible dilatation thermique du cuivre, 40% inférieure à celle du zinc et du plomb, aide à prévenir la détérioration et la défaillance. En outre, le point de fusion élevé du cuivre garantit qu’il ne glisse pas ou ne s’étire pas comme certains autres métaux.

Sur les petits toits à pignon, le mouvement thermique est relativement mineur et n’est généralement pas un problème. Sur les bâtiments de grande envergure de plus de 60 mètres et lorsque de longs panneaux sont utilisés, une tolérance à la dilatation thermique peut être nécessaire. Cela permet au toit de « flotter » sur les sous-structures de soutien tout en restant sécurisé.

Faible entretien
Le cuivre ne nécessite pas de nettoyage ou d’entretien. Il est particulièrement adapté aux zones difficiles d’accès ou dangereuses après l’installation.

Poids léger
Lorsqu’il est utilisé comme couverture de toit entièrement supportée, le cuivre représente la moitié du poids (y compris le substrat) du plomb et seulement un quart des toits de tuiles. Cela permet généralement de réaliser des économies sur les coûts de structure et de matériaux. Le revêtement en cuivre offre des possibilités supplémentaires de réduire le poids des structures en cuivre (pour plus de détails, voir: Bardage en cuivre et revêtement mural).

Ventilation
Le cuivre ne nécessite pas de mesures de ventilation complexes. Il convient à la fois aux constructions de toit «froides» ventilées et «ventilées» non ventilées.

Blindage de radiofréquence
Les équipements électroniques sensibles sont vulnérables aux interférences et à la surveillance non autorisée. Ces produits nécessitent également une protection contre les hautes tensions. Le blindage par radiofréquence (RF) peut résoudre ces problèmes en réduisant la transmission de champs électriques ou magnétiques d’un espace à un autre.

Le cuivre est un excellent matériau pour le blindage RF car il absorbe les ondes radio et magnétiques. D’autres propriétés utiles pour le blindage RF sont que le cuivre a une conductivité électrique élevée, est ductile, malléable et facilement soudé.

Les enceintes de blindage RF filtrent une gamme de fréquences pour des conditions spécifiques. Des boîtiers en cuivre bien conçus et construits satisfont la plupart des besoins de blindage RF, des salles de commutation informatiques et électriques aux installations de tomodensitométrie et d’IRM de l’hôpital. Une attention particulière doit être accordée aux pénétrations potentielles des écrans, telles que les portes, les évents et les câbles.

Un bouclier peut être efficace contre un type de champ électromagnétique mais pas contre un autre. Par exemple, une feuille de cuivre ou un blindage RF écran aura une efficacité minimale contre les champs magnétiques à fréquence industrielle. Un blindage magnétique à fréquence industrielle pourrait offrir une faible réduction des champs de radiofréquence. La même chose est vraie pour différentes fréquences RF. Un écran de protection simple à grand maillage peut fonctionner correctement pour les basses fréquences, mais peut être inefficace pour les micro-ondes.

Faux galion de cuivre.
La feuille de cuivre pour le blindage RF peut être formée essentiellement dans n’importe quelle forme et taille. La connexion électrique à un système de mise à la terre fournit une enceinte RF efficace.

Protection contre la foudre
La protection contre la foudre minimise les dommages aux bâtiments pendant les terminaisons de foudre. Ceci est généralement accompli en fournissant plusieurs voies interconnectées de faible impédance électrique au sol.

Le cuivre et ses alliages sont les matériaux les plus couramment utilisés dans les protections contre la foudre résidentielles, mais dans les environnements industriels corrosifs, le cuivre peut avoir besoin d’être revêtu d’étain. Le cuivre facilite efficacement la transmission de l’énergie de la foudre au sol en raison de son excellente conductivité électrique. En outre, il se plie facilement par rapport aux autres matériaux conducteurs.

Lorsque la toiture en cuivre, les gouttières et les conduites de pluie sont reliées électriquement à une installation de terminaison de terre, une voie de faible impédance électrique à la terre est prévue, mais sans voies de conduction dédiées pour concentrer le canal de décharge, une surface dispersée peut ne pas être souhaitable .

Parce que le cuivre a une conductivité électrique supérieure à celle de l’aluminium et que son impédance est moindre pendant une interruption de foudre, le cuivre permet d’utiliser moins de surface transversale par longueur linéaire, dans sa voie de fils tissés que l’aluminium. En outre, l’aluminium ne peut pas être utilisé dans le béton coulé ou pour tout composant souterrain en raison de ses propriétés galvaniques.

Pour être efficaces, les systèmes de protection contre la foudre maximisent généralement le contact de la surface entre les conducteurs et la terre à travers une grille de masse de différentes conceptions. Pour compléter les grilles de mise à la terre en terre à faible conductivité, comme le sable ou la roche, de longs tubes creux en cuivre remplis de sels métalliques sont disponibles. Ces sels s’infiltrent à travers les trous dans le tube, ce qui rend le sol environnant plus conducteur et augmente la surface globale, ce qui diminue la résistance effective.

Les toits en cuivre peuvent être utilisés dans le cadre d’un système de protection contre la foudre dans lequel la peau de cuivre, les caniveaux et les conduites d’eau de pluie peuvent être reliés et reliés à une installation de terminaison de terre. L’épaisseur de cuivre spécifiée pour les matériaux de couverture est généralement suffisante pour la protection contre la foudre. Un système de protection contre la foudre dédié peut être recommandé pour une protection adéquate contre la foudre avec un système de toiture en cuivre installé. Le système comprendrait des bornes d’air et des conducteurs d’interception sur le toit, un système d’électrodes au sol et un système de conducteurs de descente reliant les composants du toit et du sol. Il est recommandé de coller le toit en cuivre au système de conducteurs. La liaison assure que les conducteurs et le toit restent à équipotentialité et réduisent le clignotement latéral et les dommages possibles au toit.

Large gamme de finitions
Il est parfois souhaitable de modifier chimiquement la surface du cuivre ou des alliages de cuivre pour créer une couleur différente. Les couleurs les plus communes produites sont des finitions brunes ou statuaires pour le laiton ou le bronze et des finitions vertes ou de patine pour le cuivre. Les traitements de surface mécaniques, les colorations chimiques et les revêtements sont décrits ailleurs dans cet article à: Finitions.

Continuité de conception
Les architectes se tournent souvent vers le cuivre architectural pour la continuité dans les éléments de conception. Par exemple, un système de couverture de cuivre peut être conçu avec des solins de cuivre, des intempéries, des évents, des gouttières et des tuyaux de descente. Les détails de la couverture peuvent inclure des corniches, des moulures, des fleurons et des sculptures.

Avec l’utilisation croissante du revêtement vertical, les surfaces verticales et les toitures peuvent se rencontrer les unes aux autres, assurant ainsi une continuité complète du matériau et des performances. Les écrans de pluie et les murs-rideaux (souvent liés aux traverses et aux meneaux) gagnent aussi en popularité dans la conception architecturale moderne.

Antimicrobien
Des tests internationaux ont prouvé que le cuivre et les alliages de cuivre non revêtus (laiton, bronze, cuivre, nickel, cuivre-nickel-zinc) ont de fortes propriétés antimicrobiennes intrinsèques contre un large éventail de bactéries, moisissures, champignons et virus résistants aux maladies. Après des années d’essais, les États-Unis ont approuvé l’enregistrement de plus de 300 alliages de cuivre différents (cuivre, laitasses, bronzes, cuivre-nickels et nickel-silvers) en tant que matériaux antimicrobiens. Ces développements créent des marchés pour le cuivre antimicrobien et les alliages de cuivre dans l’architecture d’intérieur. Pour répondre aux besoins de conception des surfaces de construction, des structures, des appareils et des composants, les produits à base de cuivre antimicrobiens sont disponibles dans une large gamme de couleurs, de finitions et de propriétés mécaniques. Les mains courantes en cuivre, les comptoirs, les couloirs, les portes, les plaques de poussée, les cuisines et les salles de bains ne sont que quelques-uns des produits antimicrobiens approuvés pour les hôpitaux, les aéroports, les bureaux, les écoles et les casernes. Voir: une liste de produits approuvés aux États-Unis

Durabilité
Bien qu’une définition universellement acceptée de la durabilité reste difficile à définir, la Commission Brundtland des Nations Unies a défini le développement durable comme un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à satisfaire leurs propres besoins. La durabilité, le maintien à long terme de la responsabilité, exige la conciliation des exigences environnementales, sociales et économiques. Ces «trois piliers» de la durabilité englobent la gestion responsable de l’utilisation des ressources. En outre, cela peut signifier que nous pouvons utiliser une ressource qui ne cessera pas d’être abondante malgré l’augmentation de l’apport.

Le cuivre est un matériau durable. Sa durabilité offre un long service avec peu d’entretien. Son efficacité énergétique électrique et thermique élevée réduit le gaspillage d’énergie électrique. Ses propriétés antimicrobiennes détruisent les micro-organismes pathogènes responsables de la maladie. De plus, sa haute valeur de rebut et sa capacité à être recyclé en continu sans perte de performance assurent une gestion responsable en tant que ressource précieuse.

Des informations sur l’inventaire du cycle de vie (ICV) sur les tubes, feuilles et produits en cuivre, utilisant les normes ISO et couvrant les secteurs de l’extraction minière et de la production de cuivre primaire (fusion et affinage) sont disponibles. Utilisés dans les évaluations du cycle de vie (ACV), en particulier dans le secteur du bâtiment et de la construction, les jeux de données du LCI aident les fabricants de produits contenant du cuivre avec des initiatives de conformité et d’amélioration volontaire. Ils soutiennent également les décideurs politiques dans l’élaboration de directives et de réglementations environnementales dans le but de favoriser le développement durable.

La longue durée de vie de la toiture et du revêtement en cuivre a un effet positif significatif sur les évaluations de la durée de vie du cuivre par rapport aux autres matériaux en termes de consommation d’énergie intrinsèque (énergie totale consommée durant chaque phase de chaque cycle de vie en MJ / m2). et coût.

Comparaison de la durée de vie, de l’énergie intrinsèque et des émissions de CO2 incorporées du cuivre, de l’acier inoxydable et de l’aluminium dans les matériaux de couverture et de revêtement. (Source: Ministère allemand des affaires environnementales, 2004)

Cuivre Acier inoxydable Aluminium
Épaisseurs typiques (mm) 0,6 0,4 0,7
Durée de vie (années) 200 100 100
Energie incorporée (MJ / m 2 ) 103,3 157.2 115,4
Émissions équivalentes de CO 2 (kg / m 2 ) 6.6 10,9 7,5

Recyclabilité
La recyclabilité est un facteur clé d’un matériau durable. Il réduit le besoin d’exploiter de nouvelles ressources et nécessite moins d’énergie que l’exploitation minière. Le cuivre et ses alliages sont recyclables à 100% et peuvent être recyclés à l’infini sans aucune perte de qualité (ie, le cuivre ne se dégrade pas après chaque boucle de recyclage comme la plupart des matériaux non métalliques, s’ils sont recyclables) . Le cuivre conserve une grande partie de sa valeur de métal primaire: les déchets de qualité supérieure contiennent normalement au moins 95% de la valeur du métal primaire provenant du minerai nouvellement extrait. Les valeurs de rebut pour les matériaux concurrents vont d’environ 60% à 0%. Et le recyclage du cuivre nécessite seulement environ 20% de l’énergie nécessaire pour extraire et traiter le métal primaire.

Actuellement, environ 40% de la demande annuelle de cuivre en Europe et environ 55% du cuivre utilisé en architecture proviennent de sources recyclées. Les nouvelles bobines et tôles en cuivre contiennent souvent 75% à 100% de matières recyclées.

En 1985, plus de cuivre était recyclé que la quantité totale de cuivre consommée en 1950. Ceci est dû à la facilité relative de réutilisation des déchets de traitement et de récupération du cuivre des produits après leur durée de vie utile.

Rentabilité
Les performances, la maintenance, la durée de vie et les coûts de récupération liés au recyclage sont des facteurs qui déterminent la rentabilité des composants du bâtiment. Bien que le coût initial du cuivre soit plus élevé que celui de certains autres métaux architecturaux, il n’a généralement pas besoin d’être remplacé pendant la durée de vie d’un bâtiment. En raison de sa durabilité, de son faible entretien et de sa valeur ultime de récupération, le coût supplémentaire pour le cuivre peut être insignifiant pendant la durée de vie d’un système de toiture.

La toiture en cuivre est considérablement moins chère que le plomb, l’ardoise ou les carreaux en argile faits à la main. Ses coûts sont comparables à ceux du zinc, de l’acier inoxydable, de l’aluminium et même de certains carreaux d’argile et de béton, compte tenu des coûts globaux de la toiture (y compris la structure).

Certaines études indiquent que le cuivre est un matériau plus rentable sur la base du cycle de vie que les autres matériaux de toit ayant une durée de vie de 30 ans ou plus. Une étude européenne comparant les coûts de couverture du cuivre avec d’autres métaux, carreaux de béton et d’argile, ardoise et bitume a montré qu’à moyen et long terme (pour les vies de 60 à 80 ans et 100 ans et plus), le cuivre et l’acier inoxydable étaient les matériaux de toiture les plus rentables de tous les matériaux examinés.

Les techniques d’installation telles que la préfabrication, le formage sur machine in situ, le sertissage mécanisé et le système à bande longue contribuent à réduire les coûts d’installation de la toiture en cuivre. En réduisant les coûts d’installation, ces techniques permettent aux concepteurs de spécifier le cuivre dans un plus large éventail de types de bâtiments, et pas seulement de grands projets prestigieux comme c’était le cas dans le passé.

Puisque les déchets de cuivre conservent une grande partie de leur valeur principale, les coûts du cycle de vie du cuivre sont réduits lorsqu’on tient compte de sa valeur de récupération. Pour plus d’informations, consultez la section Recyclabilité dans cet article.

Cuivre pur ou allié
Cuivre pur Contrairement à d’autres métaux, le cuivre est souvent utilisé sous sa forme pure (99,9% Cu) non alliée pour les applications de tôles et de bandes dans les toitures, les revêtements extérieurs et les solins.

Le revenu est une technique de traitement thermique utilisée pour augmenter la ténacité des métaux. Les tempéraments déterminent la ductilité du métal, et donc sa forme et sa forme sans soutien supplémentaire. Aux États-Unis, le cuivre est disponible en six tempéraments: 060 doux, 1/8 dur laminé à froid, 1/4 laminés à froid haut rendement, moitié dur, trois quarts dur et dur. Au Royaume-Uni, seules trois désignations existent: douce, semi-dure et dure. Le cuivre et ses alliages sont définis aux États-Unis dans les désignations standard pour les alliages de cuivre et de cuivre d’ASTM; en Europe par BS EN 1172: 1997 – «Alliages de cuivre et de cuivre en Europe»; et au Royaume-Uni par le Code de pratique standard britannique CP143: Part12: 1970.

La trempe au cuivre laminée à froid est de loin la plus populaire dans la construction de bâtiments aux États-Unis. Elle est moins malléable que le cuivre mou mais elle est beaucoup plus résistante. Le cuivre trempé à froid 1/8 est souvent recommandé pour les installations de toiture et de solin. Des feuilles de toit avec des températures plus élevées peuvent être spécifiées pour certaines applications.

Le cuivre trempé doux est extrêmement malléable et offre beaucoup moins de résistance que le cuivre laminé à froid aux contraintes induites par l’expansion et la contraction. Il est utilisé pour des travaux ornementaux complexes et dans les cas où un formage extrême est requis, comme dans des conditions de solin compliquées à travers les murs.

L’utilisation principale pour le cuivre à haut rendement est dans les produits de clignotant, où la malléabilité et la force sont toutes deux importantes.

L’épaisseur de la feuille et de la bande de cuivre est mesurée par son poids en onces par pied carré. Les épaisseurs couramment utilisées dans la construction aux États-Unis se situent entre 12 et 48 onces. Puisque l’industrie utilise souvent des numéros de jauge ou des épaisseurs réelles pour la tôle ou d’autres matériaux de construction, il est nécessaire de convertir entre les différents systèmes de mesure.

En Europe, le cuivre non arsenical phosphoreux désoxydé est utilisé sous la désignation C106. Le cuivre est laminé à des épaisseurs comprises entre 0,5 et 1,0 millimètres (1,5 – 3,0 millimètres pour les murs rideaux) mais une épaisseur de 0,6 – 0,7 millimètres est habituellement utilisée pour la toiture.

Cuivre allié Les alliages de cuivre, tels que le laiton et le bronze, sont également utilisés dans les structures de bâtiments résidentiels et commerciaux. Les variations de couleur proviennent principalement des différences dans la composition chimique de l’alliage.

Certains des alliages de cuivre les plus populaires et leurs numéros UNS (Unified Numbering System) associés développés par ASTM et SAE sont les suivants:

Alliage de cuivre Terme commun Composition Couleur naturelle Couleur altérée
C11000 / C12500 Cuivre 99,90% de cuivre Rouge de saumon Patine brun-rougeâtre à gris-vert
C12200 Cuivre 99,90% de cuivre; 0,02% de phosphore Rouge de saumon Patine brun-rougeâtre à gris-vert
C22000 Bronze commercial 90% de cuivre; 10% de zinc Or rouge Patine brune à gris-vert en six ans
C23000 Laiton rouge 85% de cuivre; 15% de zinc Jaune rougeâtre Patine brun chocolat à gris-vert
C26000 Cartouche en laiton 70% de cuivre; 30% de zinc Jaune Jaunâtre, gris-vert
C28000 Muntz métal 60% de cuivre; 40% de zinc Jaune rougeâtre Rouge-brun à gris-brun
C38500 Bronze architectural 57% de cuivre; 3% de plomb; 40% de zinc Jaune rougeâtre Russet brun à brun foncé
C65500 Bronze de silicium 97% de cuivre; 3% de silicium Vieil or rougeâtre Russet brun à finement marbré gris-brun
C74500 Argent nickel 65% de cuivre; 25% de zinc; 10% de nickel Argent chaud Gris-brun à finement marbré gris-vert
C79600 Nickelé au plomb 45% de cuivre; 42% de zinc; 10% de nickel; 2% de manganèse; 1% de plomb Argent chaud Gris-brun à finement marbré gris-vert

De plus amples informations sur les alliages architecturaux de cuivre sont disponibles.

Les critères de sélection
Les critères selon lesquels le cuivre et les alliages de cuivre sont choisis pour des projets architecturaux comprennent la couleur, la résistance, la dureté, la résistance à la fatigue et à la corrosion, la conductivité électrique et thermique et la facilité de fabrication. Des épaisseurs et des températures appropriées pour des applications spécifiques sont essentielles; les substitutions peuvent conduire à des performances inadéquates.

Le cuivre architectural est généralement utilisé dans la feuille et la bande. La bande mesure 24 pouces ou moins de largeur, tandis que la feuille mesure plus de 24 pouces de largeur, jusqu’à 48 pouces de largeur par 96 ou 120 pouces de longueur, plus sous forme de bobine.