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Digeste de la construction au Canada, 1977-07
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Defaillance des parements de briques sur les immeubles de grande
hauteur
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 185F
Défaillance des parements de
briques sur les immeubles de grande
hauteur
Publié à l'origine en juillet 1977 W. G. Plewes
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Dans le CBD 125F, nous avons étudié le problème des effets nuisibles des mouvements verticaux différentiels entre les matériaux de revêtement des murs et l'ossature des bâtiments, problème qui a d'ailleurs fait l'objet de publications récentes (1-4). Il est maintenant reconnu que le raccourcissement des poteaux à la suite de déformations élastique, thermique, par fluage ou par retrait, combiné à des mouvements différentiels des matériaux de construction des murs causés par des effets thermiques ou par l'humidité, peut provoquer des contraintes de compression que le revêtement n'est peut-être pas en mesure de supporter. A cause du retrait et du fluage caractéristiques du béton, ce sont les immeubles à ossature en béton armé qui sont le plus sujet à des problèmes, si le mouvement n'a pas été prévu à la conception, bien que l'on ait aussi observé des dégâts occasionnés à des parements de briques sur ossature d'acier.
Actuellement on s'intéresse de près aux cas de flambage et d'effritement des placages et des parements de briques des murs creux des immeubles de grande hauteur, défauts attribuables aux mouvements de ces immeubles. Dans certains cas, des pans entiers de façades de parement se sont écroulés. Le présent bulletin traite des caractéristiques des défaillances observées sur nombre de bâtiments et commente certains détails de construction qui ont tendance à créer des problèmes.
En maçonnerie, les murs creux et les placages sont utilisés depuis longtemps avec succès, mais on les réservait surtout aux immeubles de faible hauteur, de trois ou quatre étages. Leur emploi comme parement pour les immeubles de grande hauteur à ossature en acier ou en béton armé est récent. Cela permet surtout de profiter de la protection contre les eaux de pluie
qu'offre le vide qui se trouve derrière la paroi de revêtement. Dans le cas de bâtiments peu élevés, les changements de dimensions verticales des matériaux n'influencent pas souvent la qualité des murs de façon exagérée. On n'a donc jamais tenu compte par le passé, de ces mouvements dans l'élaboration des plans. Cependant, les mouvements verticaux* peuvent avoir des effets sérieux pour les immeubles élevés. Dans les cas mentionnés, les murs creux et les placages de briques n'ont pas supporté de tels changements de dimensions, parce que les plans n'avaient pas été modifiés. Cela vient sans doute de ce que l'on n'a pris conscience du besoin de considérer ces mouvements que petit à petit et que la connaissance des phénomènes n'a évolué que très lentement et seulement depuis les vingt dernières années. Il faut pousser encore la recherche, mais on connaît maintenant le problème assez bien pour pouvoir l'attaquer de front.
Construction
Un mur creux est composé de deux parois de maçonnerie séparées par un vide de 2 à 3 po. Les parois sont liaisonnées entre elles par des agrafes métalliques placées verticalement et horizontalement à intervalles réguliers déterminés. En général, dans le cas de bâtiments à ossature, la paroi intérieure est fixée directement sur l'ossature ou la dalle de plancher et garnit l'espace entre les poteaux (sauf pour les ouvertures). Cette paroi peut être en briques, en blocs creux ou en blocs d'argile. Elle est supportée par des cornières à l'extérieur des poteaux et des poutres d'allège ou par des plaques fixées aux murs d'allège (figure 1).
Figure 1. Exemple type de construction d'un mur creux et avec placage montrant une forme de flambage.
Le vide de séparation est souvent utilisé pour placer l'isolation; c'est en effet un emplacement favorable a priori, car il permet de garder l'ossature et la paroi intérieure à une température
relativement constante, réduisant ainsi les mouvements dus aux variations de température. Il contribue cependant à accroître les mouvements thermiques différentiels entre l'ossature et la paroi extérieure.
Les murs avec placage en briques sont semblables aux murs creux dans le sens qu'ils sont composés de deux parois mises en oeuvre de la même façon, mais le vide qui les sépare est habituellement plus étroit (l po ou moins). La paroi intérieure n'est pas forcément en maçonnerie. Quelquefois elle est d'un autre type de construction, en poteaux d'acier par exemple. Les différences les plus importantes entre les murs creux et les murs avec placage, sont la taille et l'espacement des agrafes.
En cours de construction, les cornières peuvent être solidement fixées aux poutres d'allège avant la mise en oeuvre de la maçonnerie. Dans ce cas, le parement de briques est monté jusqu'à la face inférieure des cornières; il peut être en contact avec celles-ci, ou en être séparé par un petit espace vide laissé sous la cornière, suivant la manière dont se présente le briquetage, ou suivant l'épaisseur de la cornière, l'épaisseur de jointoiement désirée et la difficulté de mettre en place la dernière rangée de briques. Tout espace entre les briques et la cornière peut être rempli, volontairement ou non, de mortier, mais ce remplissage ne sera jamais uniforme sur toute la longueur de la cornière.
Souvent, la cornière n'est pas fixée ou mise en place avant que la maçonnerie n'arrive à la hauteur voulue. Elle est alors posée sur la dernière rangée de briques et solidement fixée à l'ossature. Dans ce cas, elle est en contact avec la paroi, mais à cause des irrégularités inévitables du briquetage et de la cornière le contact sera concentré sur les points les plus élevés.
La première rangée de briques au-dessus de la cornière est généralement posée à sec sur celle-ci ou son solin, avec toutefois une mince couche de mortier quand c'est nécessaire pour avoir une épaisseur de joint uniforme. Quoi qu'il en soit, dans la construction normale, le joint d'un demi-pouce environ de profondeur, entre l'extrémité de la cornière et la face de la brique est toujours gobeté avec du mortier et lissé (figure 2). La face visible d'un mur creux ou avec placage aura donc l'aspect d'une surface continue de briques et de mortier, sur toute la hauteur du bâtiment, bien que le degré de contact avec la face inférieure des cornières soit variable.
Figure 2. Joint d'assise du parement au niveau de la cornière.
Caractéristiques des défaillances
A la suite de la déformation élastique, thermique, ou résultant de l'humidité ou du fluage (1-5), il se produit au bout d'un certain temps, un raccourcissement relatif des poteaux de l'ossature et une dilatation du parement de briques. Quand un espace est laissé entre la maçonnerie et la face inférieure des cornières, le parement a tendance à soulever les cornières de telle sorte que les premières rangées de briques supportent le poids de tout le briquetage placé au-dessus. Si
le briquetage est appliqué à l'origine contre la face inférieure de la cornière, une partie du poids de l'ossature lui est aussi transférée et les contraintes de compression résultantes qui s'exercent sur le parement peuvent atteindre plusieurs tonnes par pied de longueur. Les charges engendrées par ces mouvements différentiels peuvent être réparties sur les deux parois, mais il arrive que les briques de 4 po placées à l'extérieur reçoivent une charge plus lourde, notamment quand la paroi intérieure est en blocs de béton sujets à des retraits ou ne fait pas corps avec l'ossature. Quoi qu'il en soit, la paroi extérieure constitue l'élément le plus mince, avec un rapport hauteur/épaisseur de l'ordre de 30 à 40. C'est pourquoi la répartition inégale de la charge transmise par les cornières, le manque de rectitude des joints et le nombre insuffisant des agrafes ont des effets sur le parement et peuvent provoquer le flambage. Il se produit en tous cas un renflement vers l'extérieur et quelquefois la paroi finit même par s'écrouler. Un tel renflement peut se produire n'importe où dans le mur, suivant la force et la répartition des agrafes et d'autres facteurs, mais il semble que ce soit fréquemment à l'emplacement des cornières.
Deux effets supplémentaires peuvent contribuer au flambage. Quelquefois le maçon a tendance à placer la dernière rangée d'agrafes de la section de mur inférieure et la première rangée de la section supérieure, trop loin de la cornière. C'est peut-être pour éviter d'avoir des agrafes dans les dernières rangées de briques de la paroi intérieure, partie évidemment la plus difficile du travail. Quelquefois un détail, comme le solin recouvrant la cornière, peut empêcher de mettre une agrafe plus près (6). Quoi qu'il en soit, si l'on ne prévoit pas des encoches en queue d'arronde ou un autre moyen de liaisonner le parement à l'allège (figure 1), avec ces pratiques le parement peut ne pas être soutenu sur une hauteur de 4 à 5 pi, autrement que par les cornières, qui n'offrent qu'un support par adhérence peu fiable. Cela enfreint de beaucoup les normes d'espacement des agrafes. On a aussi observé que lorsque la maçonnerie a subi un renflement aux cornières, la bande étroite et dense de mortier de jointoiement placée à l'extrémité de la cornière peut agir à la manière d'une charnière, ce qui contribue à accroître l'instabilité (figure 3).
Si la répartition de la charge, le degré de contrainte ou la retenue exercée par les agrafes, ne provoquent pas le flambage de la paroi, une autre sorte de complication peut se produire. Même si la contrainte qui s'exerce sur le parement dans son ensemble n'atteint pas la résistance à l'écrasement de la maçonnerie, il conviendra peut-être de la transférer à la cornière à travers le joint d'assise et par l'intermédiaire de la bande étroite de mortier de jointoiement (figure 2). Les contraintes locales élevées qui en résultent à la bordure des briques, peuvent provoquer l'effritement de ces dernières ou du mortier (ou des deux) au niveau des allèges.
On a aussi constaté que la maçonnerie était endommagée par un mouvement de rotation des cornières lui-même causé par un mouvement vers le bas de l'ossature par rapport au parement (figure 4). Cela peut provoquer un effritement du joint sur son bord intérieur ou extérieur, ainsi qu'une répartition inégale de la charge sur le parement, car la contrainte est concentrée en certains points. Les cornières devraient être rigides et solidement fixées à l'ossature. Les spécialistes (5) recommandent que la flèche des cornières ne dépasse pas, où que ce soit, l/16 de pouce sous l'effet du poids de la maçonnerie supportée, ce qui correspond généralement au poids des briques d'un étage. On peut se demander s'il serait rentable de concevoir des cornières qui satisferaient à ces exigences de flèche sous les contraintes beaucoup plus fortes exercées par les mouvements différentiels, mais ce cas n'est pas mentionné.
Figure 4. Mouvement de rotation de la cornière à la suite du mouvement relatif de l'ossature. On peut observer d'autres effets des mouvements verticaux différentiels, comme la fissuration verticale, mais ils sont souvent combinés à ceux du retrait horizontal ou de la dilatation horizontale et difficiles à distinguer. Il arrive aussi que les effets nuisibles des mouvements de matériaux ne soient pas répartis uniformément sur tout le bâtiment. Les dimensions, la forme et l'orientation du bâtiment, la proximité des sections de mur par rapport aux coins, la présence ou l'absence de fenêtres, la saison de la construction et les différents niveaux de contrainte sur les poteaux, sont autant de facteurs pouvant entraîner des modifications. Les bandes verticales, étroites et continues, de parement de briques non supportées sur les côtés sont particulièrement vulnérables au flambage. Les sections droites sont plus stables que les sections irrégulières. Certains mouvements occasionnels sont aussi dus au degré de solidité avec lequel la maçonnerie est fixée aux cornières, comme on l'a vu précédemment.
Pour éviter les problèmes
Un moyen connu d'éviter la création d'une force de compression dans un parement de briques est de laisser intentionnellement un espace libre de tout mortier sous chaque cornière et de remplacer le mortier de jointoiement à l'extrémité de la cornière par un produit d'étanchéité souple (2,3). Dans une étude récente sur l'état actuel de la question, Grimm (2) passe en revue les données pour calculer l'espace nécessaire pour éviter de faire porter la charge sur les sections de parement. Un espace de 1/8 de pouce convient en général pour une section de 10 pi de hauteur fixée sur une ossature en béton armé, mais si l'on veut être assuré à 90 pour
cent que le mouvement ne dépasse pas l'espace prévu, il faut laisser ¼ de pouce. Sur ossature d'acier, l'espace requis peut être moins grand.
Ces mesures exigent que l'on fasse très attention à la pose des briques ainsi qu'à la taille des cornières pour obtenir l'épaisseur de joint désirée. Il est probable que l'on doive utiliser des cornières réglables. Cela entraînera aussi des coûts supplémentaires bien inférieurs cependant à ceux qu'occasionneraient le découpage des joints à la scie ou leur rejointoiement, comme cela s'est fait pour libérer les contraintes qui s'exerçaient sur certains immeubles. D'autres détails peuvent donner une certaine flexibilité au joint des cornières. Ainsi, on peut laisser le joint ouvert et le recouvrir par un solin métallique qui part du haut de la cornière et se prolonge de 1 po vers le bas.
Pour réduire les effets des mouvements dans un bâtiment à ossature en béton armé, il a été aussi suggéré (3) d'attendre que l'ossature soit achevée avant d'entamer le briquetage et de ne pas utiliser de briques "fraîchement" sorties du four. Dans les deux cas, le mouvement des matériaux se produit en partie avant la pose de la maçonnerie. Cependant, de telles mesures ne sont pas toujours pratiques ni contrôlables.
Agrafes
Pour les murs creux ou avec placage, il est essentiel que les agrafes soient bien placées de façon à transmettre les charges latérales et à stabiliser les parois subissant des charges de compression. Lors de la conception et de la construction, il convient d'observer soigneusement les exigences minimum que donne le Code national du bâtiment (7). Les données techniques sur la résistance des agrafes ne sont pas complètes et encore récemment, elles étaient dispersées et difficiles à trouver, mais une étude approfondie sur l'état de la question est maintenant disponible (8).
Conclusion
Le flambage et l'effritement des parements de briques des murs creux ou avec placage des immeubles de grande hauteur se produisent depuis quelques années à la suite de mouvements différentiels entre l'ossature et le parement. L'objet du présent bulletin est d'avertir les concepteurs de ce fait. Nous y présentons le mécanisme des défaillances et signalons les aspects caractéristiques de la construction et de la conception qui y contribuent. Il est recommandé de prévoir les changements de dimensions lors de la conception et de prêter attention à des détails comme les agrafes et les ancres métalliques. On y fait aussi référence à des sources fournissant des données théoriques sur les mouvements ainsi que sur la résistance et la mise en oeuvre des agrafes.
Références
1. Plewes, W. G. Vertical Movement of Building Frames and Cladding, in Cracks, Movements; and Joints in Buildings. Nat. Res. Council of Canada, Div. Bldg. Res., NRCC 15477, Sept. 1976.
2. Grimm, C. T. Design for Differential Movement in Brick Walls. J. Struc. Div. Amer. Soc. Civ. Eng., Vol. 101, No. ST11, Nov. 1975, p. 2385-2403.
3. Foster, D. Further Observations on the Design of Brickwork Cladding to Multi-Storey RC Frame Structures. Brick Devel. Assoc., London, BDA Tech. Note 9, April 1975.
4. Suter, G. T. and J. S. Hall. How Safe Are Our Masonry Cladding Connections. Proc. First Can. Masonry Symp., Calgary, 1976, p. 95-109.
5. Technical Notes on Brick and Tile Construction, 18, 18A, 18B, Differential Movement, Cause and Effect. Brick Institute of America, April, May, June 1963.
6. Morstead, H. Construction Details and Their Effect on Building Behaviour. Proc., First Can. Masonry Symp., Calgary 1976, p. 200-222.
7. Code national du bâtiment du Canada, Supplément n° 4. Comité associé du Code national du bâtiment du Canada, CNRC 13989F, 1975.
8. Grimm, C. T. Metal Ties and Anchors for Brick Walls. J. Struc. Div., Amer. Soc. Civ. Eng., Vol. 102, No. S74, April 1976.
