Charges de neige sur les toitures

Charges de neige sur les toitures

Publié à l'origine en novembre 1964.

B. Peter et W. R. Schriever

La neige, le principal ingrédient des hivers canadiens, touche tout
le monde depuis les skieurs, qui y trouvent leur joie, jusqu'aux
propriétaires qui ont la pénible obligation de la pelleter. Quelles que
soient les réactions personnelles, on doit tenir compte de la neige,
laquelle constitue un facteur important de la vie canadienne. Les
architectes savent bien que les charges de neige jouent un grand rôle
dans l'établissement des plans des bâtiments et dans de nombreux cas,
ces charges constituent la principale préoccupation en ce qui concerne
les toitures. On doit donc faire une estimation très soigneuse de la
charge de neige afin de réduire les coûts de construction et les
risques de rupture.

Les charges de neige sur les toitures varient selon les climats des
diverses régions. Elles varient aussi selon l'exposition au vent et
selon la forme des toits. Pour ce qui est des charges de neige sur les
toitures, le Canada peut être divisé en quatre régions principales. Les
régions côtières (celle de l'Atlantique et celle du Pacifique) sont
généralement caractérisées par des charges de neige qui fondent
fréquemment durant l'hiver et qui sont souvent causées par une seule
tempête. Les régions montagneuses de la Colombie-Britannique et de
l'Alberta connaissent les charges de neige les plus fortes du pays:
elles durent tout l'hiver et elles varient considérablement selon
l'altitude. La région des Prairies et celle du Nord ont des hivers très
rigoureux mais, annuellement, leurs chutes de neige sont faibles. Des
vents fréquents et violents produisent dans ces régions un déplacement
considérable de la neige sur les toitures et sur le sol. Finalement, la
région centrale qui comprend l'Ontario et le Québec est caractérisée
par des variations dans les vents et dans les chutes de neige et par
des températures assez basses en bien des endroits pour permettre à la
neige de s'accumuler tout l'hiver. Dans cette région il se produit de
fortes charges uniformes ainsi que d'importantes charges dues au
déplacement de la neige.

Quelques propriétés de la neige

Les flocons de la neige qui tombe sont formés de cristaux de glace
dont la structure est, comme on le sait, très complexe. Du fait que ces
cristaux ont une grande surface pour leur poids ils tombent au sol
relativement lentement et ils sont facilement déplacés par le vent.

La neige fraîchement tombée est très légère et très floconneuse; sa gravité spécifique va d'environ 0.05 à 0.1 (1/20e à 1/10e
d'eau). Immédiatement après être arrivés au sol, cependant, les
cristaux de neige commencent à changer: les fines projections en forme
d'aiguilles commencent à se sublimer et graduellement les cristaux
deviennent comme de petits grains aux formes irrégulières. Ceci a pour
résultat le tassement de la neige et après quelques jours la gravité
spécifique atteint généralement environ 0.2. Le tassement continue et
des gravités spécifiques d'environ 0.3 sont souvent atteintes après
environ un mois, même à des températures inférieures au point de gel.
Lorsqu'il fait chaud longtemps ou lorsque de la pluie tombe sur la
neige (une possibilité dont on doit tenir compte dans le calcul des
charges) cette densité est encore accrue.

Une méthode simple permettant d'estimer les charges à partir des
profondeurs de neige consiste à donner à la gravité spécifique une
valeur située entre 0.2 et 0.3. En d'autres termes, chaque pouce de
neige représente une charge d'environ 1 à 1½ livres par pied carré.

Accumulation de la neige sur les toits

Si le temps était parfaitement calme la neige qui tombe déposerait
sur les toits et sur le sol une couverture uniforme. Si le temps
restait calme la neige resterait bien en place et la prédiction des
charges de toiture serait relativement simple; la charge de neige
prévue serait considérée comme uniforme et égale à une valeur maximum
appropriée de la charge de neige au sol.

Les conditions assurant des charges vraiment uniformes, cependant,
sont rares. On a remarqué qu'elles existent dans certaines régions
montagneuses de la Colombie-Britannique et à l'occasion dans des
localités où les toitures sont bien abritées de tous les côtés par des
arbres élevés (figure 2). Dans la plupart des régions les chutes de
neige sont accompagnées ou suivies par des rafales de vent. Les flocons
de neige qui ont une grande superficie pour leur poids sont alors
transportés horizontalement par le vent. En conséquence, étant donné
que de nombreux toits sont très exposés au vent peu de neige s'accumule
sur eux.



Figure 2. L'effet possible du vent et de la forme du bâtiment sur la charge de neige.

Sur certaines parties du toit la vitesse du vent sera ralentie
suffisamment pour que la neige tombe et s'accumule. On peut imaginer
cela en songeant à l'action des barrières de neige qui obligent la
neige à s'accumuler. Ces parties des toits pourraient s'appeler "zones
d'ombre aérodynamique". On les trouve surtout derrière les projections
verticales des toits.

Un exemple de zone de ce genre est celle qui se trouve derrière les
pavillons construits sur les toits plats des grands immeubles où de la
neige déplacée par le vent s'accumule souvent. Naturellement, étant
donné que la direction du vent n'est pas toujours la même, les
accumulations de neige peuvent se produire tout autour de ces pavillons.

(a) Toitures inférieures comme les toitures situées
au-dessous de toits adjacents plus élevés sont particulièrement
susceptibles de recevoir de grosses charges de neige car des toits plus
élevés peuvent provenir de grandes quantités de neige. Les auvents, les
balcons et les porches peuvent également recevoir beaucoup de neige
pour la même raison. Les toitures inférieures peuvent, selon les
dimensions des toitures supérieures, recevoir des charges bien
supérieures aux charges que l'on trouve sur le sol. La distribution de
la charge dépend de la forme des accumulations de neige qui vont d'une
section triangulaire (la plus grande épaisseur se trouvant près du toit
le plus élevé) à une section d'épaisseur plus ou moins uniforme.

(b) Toits plats ayant des éléments en saillie comme des
pavillons ou des parapets. Ils reçoivent souvent des accumulations
angulaires qui atteignent le sommet du pavillon ou du parapet mais
généralement la charge est inférieure à celle dé la catégorie (a).

(c) Toits pointus et courbés assujettis à des vents soufflant
presque à angle droit par rapport au faîte ce qui constitue une zone
d'ombre aérodynamique sur la pente qui n'est pas frappée par le vent.
Ceci donne lieu à de lourdes charges "non équilibrées" étant donné que
la plupart de la neige de la pente frappée par le vent est amenée sur
l'autre pente ce qui produit des charges excédant parfois la charge au
sol. Les toitures incurvées ont des accumulations semblables, parfois
encore moins équilibrées (un peu de neige au sommet et de fortes
accumulations de neige près de la base de la courbe (figure 2)). Par
ailleurs, il est vrai qu'un grand nombre de petits toits pointus très
exposés reçoivent généralement (mais pas toujours) peu de neige comparé
à ce qu'on trouve sur le sol.

Radiations solaires et perte de chaleur

Divers autres facteurs, à côté du vent, modifient les charges de
neige quoique certains de ces facteurs ne soit efficaces que dans
certaines conditions. On a remarqué, par exemple, que les radiations
solaires ne peuvent pas beaucoup réduire les charges lorsqu'il fait
froid. De même, lorsqu'il fait froid, la chaleur provenant du toit
n'est pas très efficace pour faire fondre la neige, en particulier à
cause du fait qu'aujourd'hui les toits sont mieux isolés et mieux
ventilés. On ne peut donc pas compter sur ces deux facteurs pour
réduire de façon importante les charges de neige durant les périodes
froides lorsque l'on peut s'attendre aux plus grosses accumulations de
neige de l'hiver. Durant les périodes de dégel et vers la fin de
l'hiver, cependant, lorsque la température de l'air se rapproche du
point de gel les radiations solaires et la chaleur des maisons
contribuent vraiment à la fonte de la neige des toits.

Redistribution de la charge

La redistribution de la charge de neige peut se produire autrement
que par l'action du vent. Sur les toitures en pente il y a deux
problèmes ayant trait à la fonte de la neige à des températures
légèrement inférieures au point de gel. Premièrement l'eau de la fonte
peut regeler sur les gouttières et provoquer de fortes charges de glace
(également l'eau qui remonte sous les bardeaux). On peut cependant
résoudre ce problème en partie en prenant des mesures pour réduire les
pertes de chaleur dans les parties supérieures du toit. Deuxièmement,
si un toit est en pente et se déverse sur un toit plus bas l'eau de
fonte quelquefois s'accumule et regèle sur le toit inférieur où elle
est gardée dans la neige.

Étant donné que les toits plats, en général, ne permettent pas un
drainage aussi bon que celui que l'on obtient naturellement avec des
toits en pente, la neige et la glace resteront sur les toits plats plus
longtemps que sur les toits penchés. Sur les grands toits plats des
bâtiments industriels et commerciaux de lourdes charges sont observées
près des éléments en saillie comme les conduites d'air (qui parfois
jouent un rôle de barrière de neige). Lorsque cette neige fond elle
s'écoule dans les parties les plus basses au centre (c'est-à-dire les
parties de fléchissement maximum) alors que généralement les tuyaux de
drainage sont situés à l'emplacement des colonnes (situation élevée).
Cette redistribution des charges provoque d'autres fléchissements et
peut donner lieu à une situation très dangereuse.


Ruptures dues à une charge de neige

Malheureusement, le nombre des ruptures de bâtiment résultant d'une
charge de neige est relativement élevé au Canada. Il faut reconnaître
qu'un grand nombre de ces ruptures se produisent dans les constructions
plus anciennes et de moins bonne qualité et qu'il vaudrait mieux s'en
prendre aux fautes de construction qu'aux charges de neige elles-mêmes.
Les effondrements se produisent le plus fréquemment dans les vieux
bâtiments, les bâtiments de ferme et les chalets ainsi que dans
certains bâtiments communautaires comme les arènes lorsqu'ils sont
construits à bon marché et sans surveillance. Des ruptures partielles,
cependant, se produisent assez fréquemment dans les parties des
toitures qui accumulent de fortes charges de neige amenées par le vent,
par exemple les auvents, les porches et les toits inférieurs. Ces
ruptures partielles montrent que les plans doivent être mieux faits.
Quoique de nombreuses ruptures soient probablement évitées chaque hiver
par l'enlèvement de la neige on ne devrait jamais compter sur ce fait
et surtout ne jamais réduire la charge prévue à cause de lui.

Charges prévues dans le Code national du bâtiment

Dans le passé, les charges de neige prévues étaient souvent
considérées comme étant égales à la charge de neige au sol avec des
réductions permises seulement pour les toitures en pente. Ces charges
prévues étaient, il faut le dire, approximatives, et on sait
aujourd'hui qu'elles ont donné des toits trop résistants mais aussi des
toits pas assez résistants, particulièrement dans les régions
assujetties à de fortes charges de neige poussées par le vent. Les
données permettant de porter un jugement plus détaillé sur les charges
n'ont cependant pas été disponibles avant qu'une enquête ait été faite
dans tout le pays pour établir les charges de neige sur les toits,
enquête qui a été entreprise par la Division des recherches en
bâtiment. Cette enquête a déjà fourni des preuves qu'une relation
existe entre la charge de la neige au sol et celle de la neige sur les
toits et elle a permis au Comité chargé de la révision du Code national
du bâtiment (1960) d'apporter quelques modifications aux charges de
neige sur les toitures en comparaison avec les charges au sol. La
charge de la toiture a été fixée à 80% de la charge au sol, la charge
au soi étant fondée sur une période de 30 ans et ajustée pour tenir
compte de l'augmentation de la charge due à de l'eau de pluie absorbée
par la neige.

Certaines influences "de forme" ont également été incluses dans le
Code. Des réductions sont permises sur les toits en pente à cause de la
probabilité qu'une partie de la neige peut glisser, mais la réduction
pour la pente ne commence qu'à 30° parce que les toits en pente qui
sont protégés gardent souvent leur pleine charge de neige. Les toits
pointus et les toits incurvés doivent être conçus pour des charges
déséquilibrées ainsi que des charges uniformes. Les auvents, les
porches, les toits inférieurs, etc. où la neige poussée par le vent
s'accumule doivent être conçus en fonction d'une charge majorée de 50%
par rapport au reste de la toiture.

Responsabilité de l'ingenieur

Les exigences du Code en ce qui concerne les charges de neige
doivent nécessairement être assez générales et, en conséquence,
l'ingenieur ne doit pas appliquer les charges données dans le Code
sans tenir compte des effets de la forme et de la situation du toit.
Les charges indiquées dans le Code national du bâtiment (1960) ne sont
que des valeurs minima que l'ingenieur doit majorer s'il le juge
nécessaire. L'ingenieur doit, par conséquent, considérer dans chaque
cas l'emplacement du bâtiment, ses dimensions, sa forme, les zones où
la neige poussée par le vent est susceptible d'aller, l'effet possible
des charges non équilibrées, les possibilités de drainage, etc. Il
devra tenir compte du fait que les résultats définitifs de ses calculs
ne pourront pas être plus précis que les hypothèses qu'il aura faites
au sujet des charges de neige sur les toitures.

Des normes seront éventuellement publiées en ce qui concerne la
répartition probable des charges de neige sur les différents types de
toitures. Ces normes pourront s'appeler "facteurs de forme pour la
neige" comme on a déjà les "facteurs de forme pour le vent" qui ont
fait l'objet d'un Supplément au Code.

c'est long à lire , merci beaucoup