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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.

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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)

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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.

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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)

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

Source : http://irc.nrc-cnrc.gc.ca/pubs/cbd/cbd061_f.html

(c'est toujours bien de l'indiquer, sait-on jamais)