Gonflements dûs au gel du sol des salles de patinage

Gonflements dûs au gel du sol des salles de patinage et des entrepôts frigorifiques

Publié à l'origine en septembre 1967.
W.G. Brown

On éprouve souvent, dans les entrepôts frigorifiques ou les salles
de patinage, des difficultés dues aux gonflements provoqués par le gel.
Il n'est pas rare de rencontrer des pistes de curling présentant 2 à 3
pouces de gonflements irréguliers, et on connaît des entrepôts
frigorifiques au centre desquels le sol présentait un gonflement haut
de plus d'un pied. Un gonflement uniforme ne gênerait guère les usagers
des pistes de patinage ou de curling, mais il importe d'éviter les
gonflements irréguliers et de hauteurs différentes. Seule une faible
partie de ces gonflements peut être corrigée en utilisant les
techniques de fabrication de la glace, et les bâtiments eux-mêmes
peuvent subir des dommages. Lorsqu'ils sont utilisés toute l'année, les
entrepôts frigorifiques ou les salles de patinage sont destinés, à
cause de la formation future de glace, à subir des dommages sérieux si
on permet au niveau de congélation d'atteindre un sol humide capable de
geler. On étudie dans le présent digeste les méthodes permettant
d'éviter ou de pallier ces difficultés. Il importe cependant de
remarquer que les inégalités de tassement du sol peuvent résulter d'une
mauvaise conception des bâtiments ou de l'emploi d'une main-d'oeuvre
incompétente. Il se forme dans les deux cas des inégalités des surfaces
du sol et de la glace, entraînant des dommages aux bâtiments.

Mécanisme des gonflements

Les difficultés dues aux gonflements surviennent généralement
lorsque les responsables de l'établissement des plans de bâtiments ne
connaissent qu'imparfaitement la nature des gonflements dûs au gel.
Sans parler de la nécessité de températures inférieures au point de
congélation, le gonflement ne peut se produire que si les deux
conditions suivantes, sont simultanément satisfaites:

1. existence d'un matériau à fine texture (sol) à travers lequel l'humidité peut cheminer;
   
2. existence d'une source d'eau.
   

Dans les sols à texture fine, tels que limons et argiles, l'humidité
est continuellement attirée vers le niveau de congélation où elle forme
des lentilles de glace. Ces lentilles soulèvent mécaniquement la terre
qui les recouvre, causant ainsi des gonflements à la surface du sol. Il
importe de noter que ce type de gonflement, dû à la formation de
lentilles de glace, est sans rapport avec le changement de volume,
considérablement plus faible, de l'eau qui gèle in situ. D'une manière
générale, contrairement aux sables à grosse texture et aux graviers,
les sables fins, les limons et les argiles sont susceptibles de se
gonfler. La susceptibilité d'un terrain au gel peut souvent être
déterminée en comparant son analyse au tamis à celle d'un sol connu
pour posséder cette propriété.</>




Figure 1. Gonflement dû au gel: valeur
maximale pouvant se présenter à la fin d'une période froide de 6 mois
(température moyenne hors-saison: 60°F)

Pour illustrer l'importance des gonflements dûs au gel pouvant naître
sous les patinoires, on a reporté dans la figure 1 les gonflements
maximaux possibles après six mois de service dans le cas d'un sous-sol
d'argile saturée, recouvert d'un remblayage d'épaisseur variable, bien
drainé et insensible au gel. Les deux courbes représentées concernent
des températures de la glace de 22 et 27 degrés F, la moyenne de
température hors-saison dans le bâtiment étant de 60°F. On ne saurait
trop insister sur le fait que les conditions supposées - extrême
susceptibilité du sol au gel et niveau élevé d'eau - ne se rencontrent
que rarement en pratique, et peut-être même jamais. Les gonflements dûs
au gel indiqués sur la figure 1 représentent donc seulement des limites
supérieures. La température de la saumure du réseau de réfrigération
est en outre ordinairement inférieure de 4 à 5 degrés F à la
température de la glace. Tenant compte de ce qui précède, on trouve
qu'il peut survenir un gonflement atteignant 5½ pouces sous une piste
de glace à 22°F, avec un sol épais de 3 pieds insensible au gel
surmontant des matériaux qui y sont sujets.

Méthodes de prévention des gonflements dûs au gel

Dans le cas où l'on peut choisir entre plusieurs emplacements il
convient d'en sélectionner un dont le sol soit insensible au gel.
D'autres considérations imposent cependant très souvent un certain
choix. Il s'impose alors de prendre les mesures nécessaires pour
prévenir la production de gonflements dûs au gel. Il existe deux
méthodes de base pour obtenir ce résultat. On peut remplacer par un
autre le sol sensible au gel. On peut aussi prévenir le gel par un
apport de chaleur ou la pose d'isolants. On peut enfin conjuguer
l'application de ces deux méthodes. Il faut de plus ne négliger aucun
effort pour assurer le drainage maximal.

On peut classer les pistes et les entrepôts frigorifiques en deux
catégories d'après leur genre d'utilisation: saisonnière ou continue.
Sous les bâtiments en utilisation continue la profondeur de pénétration
du gel peut atteindre des dizaines de pieds. Elle dépend de la
température prévue par les constructeurs à l'intérieur des bâtiments,
de la température moyenne de l'air extérieur, et de la surface d'assise
du bâtiment. Dans le cas du service saisonnier, le niveau du gel
s'abaisse normalement en hiver de plusieurs pieds à l'intérieur du sol,
pour remonter ensuite pendant l'été. Pour simplifier l'exposé, on
traitera ci-après les deux cas séparément.



Utilisation continue d'un bâtiment à des températures inférieures au point de congélation

La figure 2 indique la distribution de température qui se
présenterait, après plusieurs années de service, sous un bâtiment long
et étroit de largeur w. Dans le cas particulier étudié, on suppose que
la température moyenne annuelle du sol est de 48°F (Ottawa) et que la
température du bâtiment est maintenue à -10°F (entrepôt frigorifique)
ou 22°F (piste de patinage). Dans le cas de l'entrepôt frigorifique, le
niveau de congélation (32°F) se trouve à une profondeur de 1,16 w sous
le centre du bâtiment, et, pour la piste de patinage, a une profondeur
de 0,36 w. Il en résulte que, pour une largeur de bâtiment de 60 pieds,
la profondeur maximale du gel sous le centre serait de 70 pieds pour
l'entrepôt frigorifique et 22 pieds pour la patinoire. Pour d'autres
températures intérieures et extérieures, on pourrait aisément déduire
de la figure 2 la distribution des températures. Il suffirait de
remarquer qu'on a indiqué dix courbes de température constante, et que
la différence de température entre deux courbes quelconques est le
dixième de la différence entre la température du bâtiment (sol ou
glace) et la température annuelle moyenne du sol. Au point de vue
général des problèmes thermiques du sol, il est également utile de
noter que la chaleur s'écoule toujours perpendiculairement aux courbes
de température constante entre la surface du sol à l'extérieur et le
sol du bâtiment.




Figure 2. Régime des températures au
sol sous un entrepôt frigorifique maintenu à -10°F ou 22°F dans une
région où la moyenne annuelle de température au sol est de 48°F (les
flèches indiquent la direction du flux de chaleur)

Emploi d'isolants pour prévenir le gel du sol

Dans l'exemple précédent, il ne serait pas économique de remplacer
le sol des régions gelées par des matériaux insensibles au gel. On doit
donc viser à réduire les profondeurs nécessaires par l'emploi
d'isolants et par un apport de chaleur. On aura une idée des effets de
l'isolation en notant qu'en régime permanent, un pouce d'isolant
équivaut thermiquement à environ deux pieds de sol. On pourrait donc
éviter tout gel en utilisant 35 pouces d'isolant sous l'entrepôt
frigorifique, et seulement 11 pouces sous la patinoire. Les bords du
bâtiment exigent en fait une isolation moindre, de sorte qu'en
réalisant un profil effilé, on pourrait réduire respectivement à 24 et
7 pouces les épaisseurs moyennes nécessaires. On ne doit pas perdre de
vue que seuls des isolants de haute qualité, imperméables à l'humidité,
conviennent pour pose sous le niveau du sol; aussi les dépenses à
envisager interdisent-elles ordinairement leur emploi en d'aussi
grandes quantités.

Emploi de dispositifs de chauffage du sol

On peut prévenir la pénétration du niveau de gel dans le sous-sol
tout en maintenant à l'intérieur des bâtiments les conditions désirées,
en fournissant de la chaleur pour compenser celle que soustrait le
système de réfrigération. La quantité de chaleur nécessaire et le coût
d'installation du système de chauffage peuvent être réduits par la
pose, entre les conduites de chaleur et le sol des bâtiments, d'une
couche isolante ou d'une épaisseur équivalente de matériaux de
remblayage insensibles au gel. En combinant isolation et chauffage, on
peut quelquefois échapper à tout remplacement des sols sensibles au
gel. Mais tout en laissant dans de nombreux cas la place nécessaire
pour le système de chauffage, l'emploi d'un ou deux pieds de sol
insensible au gel procure généralement en outre un drainage convenable
du terrain. Les considérations économiques doivent guider le choix
final des plans à adopter.

Le tableau I donne les températures calculées des conduites et les
besoins en débits de chaleur pour un système à air chaud destiné à
prévenir le gel sous une couche d'isolant épaisse de 3 pouces. Les
canalisations, d'un diamètre de 8 pouces, sont espacées de 10 pieds,
les axes étant disposés à 1 pied sous la couche isolante. Un pouce
d'isolant équivalant thermiquement à deux pieds de sol, on obtiendrait
le même résultat en plaçant les conduites sous 6 pieds de remblayage.
Pour d'autres diamètres de conduites et modes d'espacement, le lecteur
appliquera la méthode de calcul donnée dans la publication NRC 5095;
c'est celle qu'on a suivie pour calculer les valeurs du tableau I

Tableau I. Températures de conduites et débit de chaleur
nécessaires pour prévenir le gel sous des bâtiments a basses
températures

(Plancher en béton d'une épaisseur de 4 pouces, couche isolante de 3
pouces (équivalant à 6 pieds de sol), conduites d'un diamètre de 8
pouces espacées de 10 pieds, axes situés 1 pied en-dessous du fond de
la couche isolante)




* Le débit de chaleur étant indépendant de la
dimension de la conduite, les chiffres indiqués s'appliquent à toute
conduite ou câble électrique.

Patinoires et utilisation saisonnière

La profondeur maximale du gel sous une piste dépend de la
température de la glace, de la durée de la saison de gel, de la
température moyenne de l'air dans le bâtiment pendant la période de
fermeture en été, et, à un degré moindre, des propriétés thermiques du
sol. La figure 3 résume les résultats du calcul. Elle donne, pour un
matériau moyen à texture grossière, et pour deux températures de la
glace (22 et 27°F) la profondeur maximale de pénétration du gel en
fonction de la durée de la saison de gel et de la température moyenne
hors-saison de l'air dans le bâtiment.




Figure 3. Pénétration du gel sous les patinoires

Il importe particulièrement de remarquer à la figure 3 que, pour les
conditions moyennes régnant au Canada, (température moyenne hors-saison
d'environ 60°F), la profondeur de gel pour une température de la glace
de 22°F se situe entre 7 pieds pour une saison de six mois et 12 pieds
pour une saison de huit mois. Pour une température de la glace de 27°F,
les profondeurs correspondantes sont respectivement 4 et 7 pieds.
L'importance des excavations et remblayages nécessaires dans le cas
d'un sol sensible au gel peut donc être réduite considérablement en
maintenant une température de la glace aussi élevée que possible.

Il n'est pas nécessaire que le niveau de gel ne pénètre jamais dans
un sous-sol sensible au gel. Il ressort par exemple de la figure 1
qu'en employant seulement 5 pieds de remblayage pour une piste à 22°F,
on observe seulement un gonflement maximal de 1,5 pied. Il convient de
se rappeler que la figure 1 correspond à des conditions d'une rigueur
inhabituelle.

Isolement et systèmes de chauffage du sol

On peut utiliser soit l'isolation, soit le chauffage du sol pour
prévenir ou limiter dans leur étendue les gonflements dûs au gel. Dans
chaque cas particulier cependant, comme on l'a indiqué à propos du
service continu d'un bâtiment à des températures inférieures au point
de congélation, les avantages économiques de chaque solution doivent
être pesés.


Réduction des difficultés causées par les gonflements dûs au gel et extension de la saison d'utilisation

En augmentant la température de la glace pendant les mois les plus
froids, on peut obtenir sur des pistes existantes une certaine
réduction des gonflements dûs au gel. La figure 3 montre en outre qu'on
peut réduire la pénétration du gel en augmentant la température dans le
bâtiment pendant la période hors-saison. Si, par exemple, les
gonflements dûs au gel se produisent dans le cas d'un remblayage de 5
pieds (ou 2½ pouces d'isolement), l'augmentation de 60 à 80°F de la
température moyenne de l'air hors-saison devrait éliminer les
gonflements. Il est également clair qu'on peut utiliser un chauffage
supplémentaire pour prolonger la période d'utilisation. C'est ainsi
qu'en portant à 80°F la température hors-saison, on peut obtenir, au
lieu de six mois, une durée d'utilisation de sept et demi à huit mois.
La meilleure méthode pour élever hors-saison la température moyenne de
l'air consiste probablement à fondre la glace et à chauffer en fin de
saison le sol gelé en faisant circuler de la saumure chaude dans les
canalisations.

Conclusion

A condition de comprendre le mécanisme des gonflements dûs au gel,
on peut, à un coût raisonnable, prévenir les difficultés qu'ils
entraînent. Pour les établissements en service continu à des
températures inférieures au point de congélation, il est probable que
la solution la plus satisfaisante consiste dans un apport de chaleur.
Dans le cas d'une utilisation saisonnière, l'emploi conjugué d'un
remblayage insensible au gel et de matériaux isolants semble être
préférable.