posté par bentafat_rachid

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.

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.

(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).

© 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.