ANALYSE D'ECLAIRAGE NATUREL
CAGE D'ESCALIER CENTRALE - OUVERTURE ZENITHALE
Dans la « mirror box » le premierfacteur que nous avons décidé de changer est la couleur des murs. Cela en choisissantdes papiers de couleurs dont les coefficients de réflexion varientsuffisamment. Le blanc, le beige, le brun et le miroir. Le deuxième facteurqu’on change tout au long de l’exercice est l’ouverture du toit. On change letype d’ouverture, une coupole, un shed puis une rehausse, tout en gardant lamême surface d’ouverture qui est de 2.25m 2. Ce critère nous permetde voir quelle ouverture laisse entrer un maximum de lumière. Nous avonségalement décidé de changer l’escalier, qui est l’élément principal de lapièce. En passant d’un escalier ajouré léger, sans contre marche et sans gardecorps à un escalier plein et lourd comprenant des contre marches et un gardecorps plein. Le dernier élément que nous avons décidé de changer est le carréau sol dans l’espace central. En utilisant du papier blanc, du plexi, du miroiret de l’eau. Les pièces connexes restent quant à elles inchangées : murs,sols et plafonds blancs, sans ouvertures.
Etudié en situation montréalaise (latitude :45° 30' N), l’espaceétudié est une cage d’escalier de trois étages des plus standard, avec commeseule source de lumière naturelle, une ouverture zénithale. Nous ne lui avonspas donné d’orientation précise vu que l’on se trouve au sein d’un projetgénérique. Ses dimensions sont de 3mx3m de base sur 9m de haut. Trois piècessuperposées - de 3mx6m, sur 3m de haut - sont adjacentes à un côté de la cage,nous les imaginons comme des salles de bain. Leur seule source de lumièrenaturelle provient d’un éclairage indirect via une fenêtre haute donnant dansla cage d’escalier.
OBJECTIFS
L’éclairement lumineux recommandé d’une caged’escalier doit être de 150lux. Il peut baisser à 100 lux si celle-ci n’estutilisée que rarement ou que l’activité qui s’y déroule ne demande pas derapidité d’exécution ou de précision, ce qui est possiblement le cas pour cesdeux dernières caractéristiques. La référence peut à l’inverse monter à 200luxsi les performances visuelles de l’occupant sont anormalement basses, parexemple pour des personnes âgées. Le niveau d’éclairement lumineux recommandé pour une salle de bain estidentique à celui demandé pour la cage d’escalier (référence : sanitaires,vestiaires). Nous pensons néanmoins que la valeur de 150lux devrait être lavaleur minimale à atteindre pour ces pièces.
Au vu de la disposition formelle de la cageétudiée (parois verticales opaque, grande hauteur), aucune vue, et donc aucunprolongement de l’espace vers l’extérieur, ne sera possible. La seule« vue » possible sera celle du ciel lors de la configuration aveccoupole, et quelques « entre-vues » lors des dispositions avec shed ouréhausse. La pièce semblera donc dans la plupart des cas comme refermée surelle même.
Nos objectifs serons donc les suivants :
Nos objectifs serons donc les suivants :
- éclairer le plus profondément possible
- faire descendre la lumière le long des parois et utiliser leurpossibilité de réflexion
- éviter les ombres trop marquées
- avoir une certaine unicité de la lumière (avoir le moins le sentimentde séparation d’un étage à un autre)
A propos des pièces adjacentes, notre objectifprincipal est de leur donner un maximum de lumière du jour sans qu’il y ait devues possible entre ces mêmes pièces et la cage d’escalier.
- faire descendre la lumière le long des parois et utiliser leurpossibilité de réflexion
- éviter les ombres trop marquées
- avoir une certaine unicité de la lumière (avoir le moins le sentimentde séparation d’un étage à un autre)
A propos des pièces adjacentes, notre objectifprincipal est de leur donner un maximum de lumière du jour sans qu’il y ait devues possible entre ces mêmes pièces et la cage d’escalier.
CONFIGURATIONS
Comme configuration de base nous avons décidéde travailler avec une coupole, des murs blancs, un sol blanc ainsi qu’unescalier ajouré léger. Une configuration qui semblait laisser passer un maximumde lumière jusqu’au fond de la cage d’escalier. Le coefficient de réflexion dupapier blanc utilisé à l’intérieur est inconnu mais devrait être proche de 80%,son coefficient de transmission est inconnu mais n’est pas nécessaire dansnotre cas d’étude, et sa surface est brillante. Le carton mousse noir utilisépour l’extérieure de la maquette a un coefficient de réflexion proche de 0, nepermet pas de transmission de lumière et est de surface mate.
PLANS
MAQUETTE ET EXPERIENCE
CHOIX DE L'ECHELLE DE LA MAQUETTE ET DES MATERIAUX UTILISES
Le matériau principal de la maquette est le carton mousse noir de 5mm d’épaisseur. Ce carton a été choisi pour ses capacités à ne pas laisser passer la lumière ni refléter celle-ci. Les raccords en seront donc meilleurs. Les murs, planchers, et plafonds des salles adjacentes sont collés à la colle blanche, puis les raccords entourés d’épais tape noir. La cage d’escalier sera quant à elle uniquement collée au tape noir pour faciliter les changements de configuration. Tous les trous effectués dans le carton pour laisser passer les fils seront colmatés par le même tape noir.
Tous les matériaux simulant les revêtements de sol, murs, ou plafonds sont collés à même le carton noir soit par colle blanche, soit par « double-face ». Les portes seront simulées par le papier noir recouvrant le carton mousse.
Le plan d’eau sera magnifié soit par un réceptacle en plexi collé à la colle blanche puis au scotch transparent, et rempli d’eau du robinet ; soit par du plexi déposé sur le même carton blanc que les autres surfaces ; soit par un miroir.
CHOIX DE L'ECHELLE DE LA MAQUETTE ET DES MATERIAUX UTILISES
L’échelle de la maquette s’est faite de sorte à atteindre la valeur limite de 60-65cm de hauteur, valeur fixée par les caractéristiques du laboratoire de lumière de l’Université. L’échelle de la maquette est donc non conventionnelle et est de 1/15.
Le matériau principal de la maquette est le carton mousse noir de 5mm d’épaisseur. Ce carton a été choisi pour ses capacités à ne pas laisser passer la lumière ni refléter celle-ci. Les raccords en seront donc meilleurs. Les murs, planchers, et plafonds des salles adjacentes sont collés à la colle blanche, puis les raccords entourés d’épais tape noir. La cage d’escalier sera quant à elle uniquement collée au tape noir pour faciliter les changements de configuration. Tous les trous effectués dans le carton pour laisser passer les fils seront colmatés par le même tape noir.
Tous les matériaux simulant les revêtements de sol, murs, ou plafonds sont collés à même le carton noir soit par colle blanche, soit par « double-face ». Les portes seront simulées par le papier noir recouvrant le carton mousse.
Le plan d’eau sera magnifié soit par un réceptacle en plexi collé à la colle blanche puis au scotch transparent, et rempli d’eau du robinet ; soit par du plexi déposé sur le même carton blanc que les autres surfaces ; soit par un miroir.
RESULTATS
sous la mirrorbox
sous le soleil
ANALYSE
Tableau FLJ
DISCUSSION DES RESULTATS QUANTITATIFS
Le second élément est le coefficient deréflexion des parois verticales. Il influence assez grandement la quantité delumière arrivant au rez-de-chaussée, surtout que nous avons pris le parti dedétacher les volées des murs, celles-ci portant de palier à palier. Bien quenous aurions plus croire le contraire, l'escalier ajouré ou plein n'influencepas grandement la quantité de lux reçue pour le capteur 4 situé au centre. Lesescaliers ont cependant un effet plus marqué pour les capteurs 2 et 3 situésrespectivement sous un pallier au RDC et 1er étage.
La simulation de l'eau en maquette par unplexiglas ou un miroir se rapproche très fortement de la réalité lorsqu'on yplace de l'eau (cette affirmation est vraie pour notre cas d'étude, il seraitintéressant de réaliser le même test avec des surfaces plus importantes pouvantinfluencer plus fortement les réflexions). La simulation se rapprochant le plusde l'eau est le miroir avec un coefficient de réflexion approchant des 100%.
DISCUSSION SUR LES RESULTATS QUALITATIFS
L’expérience nous permit également deremarquer que le décalage des volées par rapport aux murs pour faire descendrela lumière le long des parois n’a d’influence réelle qu’avec les paroisblanches (fort coefficient de réflexion), du moins pour le niveau 0, les autrestypes absorbent déjà trop la lumière en hauteur.
Au vu de ces appréciations, il semble trèscompliqué d’arriver à une certaine unicité de la lumière entre les étages, saufpeut-etre dans la configuration de base ou les différences seront déjà moinsmarquées (ou ses homologues avec surface de sol changé).
Au niveau du soleil, le shed et la réhaussenous ont donné des résultats intéressants en terme d’ombrage. Vu que nous avonsfait les essais dans le labo de soleil artificiel ou seul le soleil est simulé,les ombres était effectivement tout de même fortement marquées, surtout sous lacoupole qui laissait « tout » entrer. C’est néanmoins cette dernièrequi s’avéra la plus efficace en terme de pénétration en profondeur de lalumière, surtout lorsque nous avons essayé avec une paroi entière en miroir.
CONCLUSION
Par ailleurs, prenant en compte les photos prises sous lesoleil artificiel, il semble difficile que les rayons parviennent à pénétrerdans les salles adjacentes à la cage d’escalier (sauf pour celle au +2 selon lemoment de l’année et l’orientation de la cage). Celles-ci seront doncprobablement sombres la plupart du temps si on ne leur rajoute pas d’ouverturesur au moins une de leurs faces.
Compte tenu des résultats et interprétations effectués précédemment,dans un environnement « naturel » (ciel + soleil), c’est sûrement laconfiguration avec coupole et murs blancs qui fonctionnerait le mieux en termed’éclairement, mais attention aux éblouissements et aux surchauffes !
Nous allons baser nos observations sur deuxtableaux principalement, qui sont le facteur lumière jour (tableau 4) ainsi quesur le tableau de l'éclairement naturel moyen à Montréal de 40000lux (tableau6).
Parlons tout d'abord de la version de base (configuration2) étant composée de murs et sols blancs, prise de lumière via une coupole de 2,25m² ainsi qu'un escalier sans contre-marche de type à clair voie. Cetteconfiguration permet d'amener une quantité de lumière raisonnable dans le fond(capteur 4) représentant un facteur de lumière jour dit modéré de 2%. Pour lespièces connexes, selon le même tableau, il semblerait qu'uniquement la premièrepartie de l'espace situé au 2e étage soit habitable recevant un éclairementmodéré de 2%. Toutes les autres parties sont très faiblement éclairées avec des résultats de moins de 1%.
Si l'on se base sur le tableau de valeurmoyenne de quantité de lumière à Montréal ainsi que sur des tableaux donnantdes valeurs en lux pour certaines fonctions de pièces – comme défini dansl’ouvrage de Reiter et De Herde[1]- une valeur de 150 lux dans une cage d’escalier ou une salle de bain est unevaleur moyenne acceptable comme éclairement. La pièce située au rez-de-chausséeest donc trop peu éclairée naturellement. Par contre celles des niveaux 1 et 2sont habitables recevant des quantités de lumière allant de 114 lux (capteur 7)à 940 lux (capteur 10).
DISCUSSION SUR L'IMPORTANCE RESPECTIVE DES FACTEURS ETUDIES
Parlons tout d'abord de la version de base (configuration2) étant composée de murs et sols blancs, prise de lumière via une coupole de 2,25m² ainsi qu'un escalier sans contre-marche de type à clair voie. Cetteconfiguration permet d'amener une quantité de lumière raisonnable dans le fond(capteur 4) représentant un facteur de lumière jour dit modéré de 2%. Pour lespièces connexes, selon le même tableau, il semblerait qu'uniquement la premièrepartie de l'espace situé au 2e étage soit habitable recevant un éclairementmodéré de 2%. Toutes les autres parties sont très faiblement éclairées avec des résultats de moins de 1%.
Si l'on se base sur le tableau de valeurmoyenne de quantité de lumière à Montréal ainsi que sur des tableaux donnantdes valeurs en lux pour certaines fonctions de pièces – comme défini dansl’ouvrage de Reiter et De Herde[1]- une valeur de 150 lux dans une cage d’escalier ou une salle de bain est unevaleur moyenne acceptable comme éclairement. La pièce située au rez-de-chausséeest donc trop peu éclairée naturellement. Par contre celles des niveaux 1 et 2sont habitables recevant des quantités de lumière allant de 114 lux (capteur 7)à 940 lux (capteur 10).
DISCUSSION SUR L'IMPORTANCE RESPECTIVE DES FACTEURS ETUDIES
Le facteur le plus déterminant par rapport àl'éclairement de la cage d'escalier est évidemment le toit. Etant donné les caractéristiques du ciel dans la mirror box et de notre maquette d’étude, toutela lumière arrive du haut. La coupole est donc le système le plus efficace.Ensuite par ordre de fermeture par rapport à la verticale, le shed et larehausse sont quasiment équivalents dans le ciel parfait.
Le second élément est le coefficient deréflexion des parois verticales. Il influence assez grandement la quantité delumière arrivant au rez-de-chaussée, surtout que nous avons pris le parti dedétacher les volées des murs, celles-ci portant de palier à palier. Bien quenous aurions plus croire le contraire, l'escalier ajouré ou plein n'influencepas grandement la quantité de lux reçue pour le capteur 4 situé au centre. Lesescaliers ont cependant un effet plus marqué pour les capteurs 2 et 3 situésrespectivement sous un pallier au RDC et 1er étage.
La simulation de l'eau en maquette par unplexiglas ou un miroir se rapproche très fortement de la réalité lorsqu'on yplace de l'eau (cette affirmation est vraie pour notre cas d'étude, il seraitintéressant de réaliser le même test avec des surfaces plus importantes pouvantinfluencer plus fortement les réflexions). La simulation se rapprochant le plusde l'eau est le miroir avec un coefficient de réflexion approchant des 100%.
DISCUSSION SUR LES RESULTATS QUALITATIFS
A propos de l’ambiance au niveau 0, nousremarquons facilement grâce aux photographies dans la mirrorbox que celle-cisuit logiquement la même courbe que celle des résultats quantitatifs.L’importance respective des facteurs reste exactement la même. Pour une mêmesurface de vitrage, l’ambiance est profondément changée suivant le typed’ouverture.
Le type d’escalier n’a que peu d’influence auniveau 0 (l’ambiance est tout de même plus claire avec l’escalier àclaire-voie) mais fait plus fortement varier le niveau d’éclairement auxniveaux 1 et 2 : l’escalier à claire voie permet une meilleure pénétrationde la lumière au niveau 1 mais le niveau d’éclairement au +2 est plus faibleque celui de l’escalier lourd avec garde-corps plein (qui réfléchi la lumièreet donc augmente le niveau d’éclairement au + 2). Le +1 subit quant à lui la lourdeur de l’escalier plein etvoit son ambiance s’assombrir.
L’expérience nous permit également deremarquer que le décalage des volées par rapport aux murs pour faire descendrela lumière le long des parois n’a d’influence réelle qu’avec les paroisblanches (fort coefficient de réflexion), du moins pour le niveau 0, les autrestypes absorbent déjà trop la lumière en hauteur.
Au vu de ces appréciations, il semble trèscompliqué d’arriver à une certaine unicité de la lumière entre les étages, saufpeut-etre dans la configuration de base ou les différences seront déjà moinsmarquées (ou ses homologues avec surface de sol changé).
Au niveau du soleil, le shed et la réhaussenous ont donné des résultats intéressants en terme d’ombrage. Vu que nous avonsfait les essais dans le labo de soleil artificiel ou seul le soleil est simulé,les ombres était effectivement tout de même fortement marquées, surtout sous lacoupole qui laissait « tout » entrer. C’est néanmoins cette dernièrequi s’avéra la plus efficace en terme de pénétration en profondeur de lalumière, surtout lorsque nous avons essayé avec une paroi entière en miroir.
CONCLUSION
Au vu des tableaux effectués, nous remarquonsque les FLJ et les résultats sous un ciel de 10000lux (Belgique) sont trèsfaibles, les valeurs espérées ne sont pas atteintes partout. Alors que sous unciel de 40000lux (Montréal), la plupart des capteurs dans la majorité desconfigurations atteignent ou frôlent la valeur minimum de 100 lux (certains ladépasse même largement sauf pour les capteurs 5 et 6 qui sont toujours bien endeça et 7 et 8 qui sont mitigés, mais c’était prévisible). Ces différentesconfigurations ont donc bien plus de chance d’être vivables à Montréal qu’enBelgique. On remarque ainsi que les facteurs lumière du jour ne sont pasapplicables partout dans le monde de la même façon, il faudrait trouver uncoefficient de multiplication en fonction de l’endroit où l’on se trouve.
Par ailleurs, prenant en compte les photos prises sous lesoleil artificiel, il semble difficile que les rayons parviennent à pénétrerdans les salles adjacentes à la cage d’escalier (sauf pour celle au +2 selon lemoment de l’année et l’orientation de la cage). Celles-ci seront doncprobablement sombres la plupart du temps si on ne leur rajoute pas d’ouverturesur au moins une de leurs faces.
Compte tenu des résultats et interprétations effectués précédemment,dans un environnement « naturel » (ciel + soleil), c’est sûrement laconfiguration avec coupole et murs blancs qui fonctionnerait le mieux en termed’éclairement, mais attention aux éblouissements et aux surchauffes !
