Essais de charges dynamiques sur des couvertures

Essais de charges dynamiques sur des couvertures d’immeubles à usage commercial

par A. Baskaran
est agent de recherche principal au
sein du programme Enveloppe et structure du bâtiment, à l’Institut de
recherche en construction du Conseil national de recherches du Canada.

Les toitures monocouches ne se comportent
pas comme les multicouches. Il est donc nécessaire de mettre en place
une méthode d’essai simple pour s’assurer de la bonne tenue de ce type
de toiture lorsqu’elle est exposée à une charge dynamique due au vent.
La présente mise à jour décrit un nouveau protocole d’essai mis au
point dans le cadre d’un projet en consortium soutenu par l’industrie
et dirigé par l’Institut de recherche en construction du CNRC.

Incidences du vent sur les toits



Les dommages causés par le vent font l’objet de nombreuses
déclarations de sinistres de toitures, mais l’on ne possède pas
beaucoup de renseignements sur la résistance au vent des toits
monocouches souvent installés sur les immeubles à usage commercial ou
industriel à faible pente. Toutefois, il est connu que les toits
monocouches ne réagissent pas au vent comme les toits multicouches
classiques.

Le vent qui souffle sur un immeuble doté d’une toiture à faible
pente (figure 1a) exerce une pression positive sur le mur face au vent,
une pression négative (succion) sur le mur à l’abri du vent et sur les
murs parallèles à la direction du vent, et une succion sur la majorité
de la surface du toit. La succion produite sur n’importe quel point de
la toiture est assujettie à la vitesse et à la direction du vent, à
l’intensité de turbulence ou aux rafales, ainsi qu’à la topographie, à
la géométrie et aux caractéristiques architecturales de l’immeuble; en
outre, cet effet est variable dans le temps. Les toitures des immeubles
à usage commercial, au profil presque plat et dont le parapet est peu
élevé, sont susceptibles de subir de fortes pressions de succion
localisées le long de leur périmètre (figure 1b).



Figure 1a. Succion causée par le vent sur un toit



Figure 1b. Les toits d’immeubles à
usage commercial, à profil presque plat et à parapet peu élevé, peuvent
subir des pressions de succion localisées le long du périmètre du toit

Figure 2. Effet du vent sur les toitures monocouches à ancrage mécanique



Figure 3. Schéma des maillons de résistance des toitures monocouches

Des membranes étanches sont fixées au platelage par des dispositifs
de fixation (figure 2). Une autre couche de membrane chevauche les
points d’ancrage et les couches supérieure et inférieure sont soudées
l’une à l’autre. La succion causée par le vent soulève la membrane à
maintes reprises entre les points d’ancrage, ce qui cause l’étirement
et le gonflement de la membrane. L’intensité de la succion causée par
le vent et les propriétés élastiques de la membrane déterminent
l’amplitude du gonflement.

Chacun des composants de toit contribue à la résistance à la force
d’arrachement du vent comme l’illustre le schéma des maillons de
résistance à cette force (figure 3). Tous les maillons de résistance
doivent rester interreliés pour que le système de couverture soit
durable et reste en place. Il y a défaillance lorsque la force
d’arrachement du vent est supérieure à la résistance de l’un de ces
maillons, quel qu’il soit. Par exemple, il y a défaillance de la
toiture lorsqu’un dispositif de fixation (maillon 4) s’arrache du
platelage même si la membrane et ses joints sont en bon état. Dans le
même ordre d’idée, il est question de défaillance lorsqu’un joint
(maillon 2) cède sous l’effet de rafales, alors que les autres
composants restent intacts.

Essai et homologation des toitures monocouches



Lorsqu’il conçoit une nouvelle toiture, le concepteur consulte un
code du bâtiment pour déterminer la pression du vent admissible de la
région et sélectionne un type de couverture ainsi que des éléments (p.
ex., espacement des dispositifs de fixation) convenant aux charges
dynamiques climatiques de la région. Pour déterminer la fiabilité, les
fabricants de systèmes monocouches mettent des échantillons à l’essai
conformément aux méthodes uniformisées servant à certifier que les
systèmes peuvent résister aux surcharges admissibles dues au vent.
Cependant, les méthodes d’essai actuelles comportent des limites.

Méthodes d’essai nord-américaines

Les normes d’homologation actuellement utilisées en Amérique du
Nord pour déterminer les valeurs d’arrachement sous l’action du vent
des toitures monocouches comprennent celles qui sont utilisées par
Factory Mutual (FM)5
et Underwriters’ Laboratories7. Bien qu’elles soient faciles à mettre
en application, ces normes visent les couvertures multicouches et ne
simulent pas les charges dynamiques du vent qui causent la défaillance
des toitures monocouches fixées mécaniquement.

Méthodes d’essai européennes

La méthode d’essai courante en Europe (Union européenne pour l’agrément technique dans la construction – UEAtc)4
simule mieux les conditions réelles de vent que les méthodes
nord-américaines et, par conséquent, donne de meilleures estimations de
la résistance réelle des toits à l’arrachement sous l’action du vent.
La méthode européenne utilise un cycle de charges de pression basé sur
des données météorologiques de façon à simuler la charge dynamique du
vent et tient compte de la hauteur et des bords du bâtiment; toutefois,
la méthode est très chronophage. Par exemple, il faut près de trois
heures pour exécuter un cycle de l’UEAtc comportant 1 415 rafales et
l’étude complète des données peut prendre jusqu’à 50 heures.



Figure 4. Modèle de soufflerie



Figure 5. Répartition des pressions du vent mesurées en soufflerie sur toits grandeur nature





Le projet SIGDERS visait l’élaboration d’une méthode présentant les particularités suivantes :

• simuler les effets réels du vent
  
• reproduire les modes de défaillance observés dans des conditions réelles
  
• être plus facile à réaliser en laboratoire que cela ne l’est actuellement
  
• permettre des variantes dans la composition des toitures
  
• donner des résultats rapidement
  
• se conformer aux exigences de la plupart des codes du bâtiment nord-américains
  

Protocole d’essai SIGDERS



Pour élaborer une méthode d’essai plus efficace servant à homologuer
les toitures monocouches à ancrage mécanique, l’IRC a formé un
consortium appelé SIGDERS (Groupe d’intérêt spécial pour l’évaluation
dynamique des systèmes de couverture).

La première phase de la recherche consistait à faire des essais en
grandeur réelle sur des couvertures monocouches à membranes en PVC et
en EPDM non renforcé (figure 4) en soufflerie. Des conditions de vent
régulier et de rafales ont été simulées et les pressions ont été
mesurées à différents endroits de façon à relever les fluctuations de
la toiture monocouche.

La répartition moyenne type de la pression du vent de face et du
vent latéral est illustrée à la figure 5. Les pressions causées par le
vent sont négatives (succion) et plus élevées près des bords et des
coins que sur la surface du toit. Les essais ont démontré que les
membranes EPDM subissent une pression moyenne supérieure à celle subie
par les membranes en PVC exposées aux vents de face et obliques.

S’appuyant sur les résultats des essais en soufflerie, sur l’étude
des normes existantes et des simulations par ordinateur et grâce à
l’installation d’essai dynamique de systèmes de couverture de l’IRC,
les chercheurs de l’IRC ont mis au point une méthode d’essai qui permet
de soumettre les systèmes de couverture à n’importe quelle pression du
vent admissible. Cette méthode3
, représentée à la figure 6, comporte huit séquences de charge pendant
lesquelles un système de couverture est soumis à des rafales simulées.
Les séquences de charge sont regroupées en cinq niveaux différents (A à
E).



Figure 6. Cycle de charge aérodynamique du SIGDERS

Chaque niveau d’essai compte deux groupes de cycles : cycles du
groupe 1 simulant la succion causée par le vent sur une toiture et
cycles du groupe 2 simulant les effets des fluctuations du vent
combinées à une pression intérieure constante sur un immeuble. Chaque
groupe consiste en quatre séquences de charge dans lesquelles la
pression oscille entre zéro et une pression déterminée. Les variations
de pression interne permises sont explicitement indiquées dans les
normes nord-américaines sur les vents ainsi que dans le Code national
du bâtiment (CNB)1,6 , et sont prises en considération dans le protocole d’essai SIGDERS.

Chacune des séquences de charge est exécutée à une pression
correspondant à un pourcentage de la pression du vent admissible
stipulée par les codes du bâtiment et les normes applicables pour un
type d’immeuble donné à un endroit particulier. Au commencement, les
pressions sont les plus basses et augmentent graduellement d’un niveau
à l’autre. Par exemple, les essais du niveau A comprennent une séquence
de 400 cycles (rafales) à 25 % de la pression du vent admissible, une
autre séquence de 700 cycles à 50 % de la pression éolienne admissible,
et ainsi de suite pour un total combiné de 2 200 cycles.

Pour évaluer la résistance maximale du système de couverture, les
essais commencent au niveau A. Si tous les maillons de résistance
(figure 3) restent interreliés, on considère que le toit a « réussi »
l’essai et on lui attribue une cote. L’essai passe au niveau suivant,
niveau auquel la pression augmente (voir figure 6).

Avantages du protocole d’essai SIGDERS



Le soutien au projet SIGDERS apporté par les associations de
couvreurs a fait découvrir un besoin réel de nouvelles méthodes qui
garantissent que les systèmes de couverture résistent à de fortes
rafales de vent. Le nouveau protocole d’essai permet d’éliminer les
limites des méthodes d’essai actuelles. Le protocole a été présenté à
l’Association canadienne de normalisation afin qu’elle l’adopte comme
norme nationale au Canada. Il est probable que d’autres instances
nord-américaines profiteront également de ces travaux de recherche. Le
protocole d’essai fournit aux fabricants l’assurance que leurs produits
ont été efficacement mis à l’essai et aux propriétaires d’immeubles que
les toitures bénéficient d’une durée utile accrue.

SIGDERS a récemment publié un rapport2
décrivant les méthodes d’utilisation du cycles de charges dynamiques,
d’installation de toitures et d’établissement des rapports sur les
données d’essai. Lorsque le protocole d’essai SIGDERS sera devenu une
norme nationale, les fabricants seront en mesure de faire tester leurs
produits et, après les homologations nécessaires, les concepteurs
pourront préciser les toitures qui respectent les exigences SIGDERS.

Résumé



Le nouveau protocole d’essai SIGDERS a été mis au point par l’IRC en
collaboration avec les fabricants, les propriétaires d’immeubles et les
associations de couvreurs; il doit faciliter l’évaluation de la
résistance maximale d’un système de couverture à membrane souple exposé
à des charges dynamiques. Après avoir été mis en œuvre à titre de norme
nationale, le protocole devrait améliorer la prévisibilité et la durée
utile des couvertures.

Composition du consortium SIGDERS :



Fabricants

Atlas Roofing Corporation

Canadian General Tower Ltd.

Carlisle SynTec Incorporated

GAF Materials Corporation

GenFlex Roofing Systems

Firestone Building Products Company

IKO Industries Ltd.

Johns Manville

Sarnafil

Soprema Canada

Stevens Roofing Systems

Vicwest Steel

Propriétaires d’immeubles

Société canadienne des postes

Ministère de la Défense nationale

Travaux publics et Services gouvernementaux Canada

Associations

Association canadienne des entrepreneurs en couverture

Institut canadien de la tôle d’acier pour le bâtiment

Industrial Risk Insurers

National Roofing Contractors’ Association

Roof Consultants Institute





Ouvrages de reference



1. ASCE.
« Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures ». Norme ASCE
7-98, American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 1997, p. 13.

2. Baskaran,
A. et Nabhan, F. Méthode d’essai normalisée pour la résistance
dynamique à l’arrachement dû au vent des systèmes de couverture à
membranes attachées mécaniquement, Rapport interne IRC-IR 699, Conseil
national de recherches du Canada, Institut de recherche en
construction, Ottawa, 2000.

3. Baskaran,
A. et Chen, Y. « Wind Load Cycle Development for Evaluating
Mechanically Attached Single-Ply Roofs », Journal of Wind Engineering
and Industrial Aerodynamics, Vol. 77-78, 1998, p. 83-96.

DOI:10.1016/S0167-6105(98)00134-2

4. Baskaran,
A. et Lei, W. « A New Facility for Dynamic Wind Performance Evaluation
of Roofing Systems ». Débats du quatrième symposium international sur
les techniques de couverture, NRCA/NIST, Washington, DC, 1997, p.
168-179.

5. Factory Mutual Research, Approval Standard: Class I Roof Covers (4470), avril 1986.

6. Code
national du bâtiment du Canada 1995, Commission canadienne des codes du
bâtiment et de prévention des incendies, Conseil national de recherches
du Canada, Ottawa. Aussi, Commentaires sur le calcul des structures
(partie 4).

7. Underwriters’ Laboratories Inc., Standard for Uplift Pressure of Roof Assemblies (UL 560), 1996.


A. Baskaran, Ph.D., est agent de recherche principal au
sein du programme Enveloppe et structure du bâtiment, à l’Institut de
recherche en construction du Conseil national de recherches du Canada.

merci rachid pour les info

MERCI RACHID.

Je n'est pas encore lu ce que tu nous a écrit, mais c'est sur que c'est interressant, seulement moi je veux comprendre les éssais de charges sur un plancher donné pour vérifier la fleche au niveau des poutres est poutrelles.

Merci.

rahmane a écrit:MERCI RACHID.

Je n'est pas encore lu ce que tu nous a écrit, mais c'est sur que c'est interressant, seulement moi je veux comprendre les éssais de charges sur un plancher donné pour vérifier la fleche au niveau des poutres est poutrelles.

Merci.

merci rahmane .
ta question est pertinente , les essais des charges demandent des equipements etalonés pour assurer des resultats fiables .