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Digeste de la construction au Canada, 1967-12
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Déformation des matériaux de construction par suite des variations
thermiques et hygrométriques
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 56F
Déformation des matériaux de
construction par suite des variations
thermiques et hygrométriques
Publié à l'origine en décembre 1967 M.C. Baker
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.
A peine terminés, un grand nombre de bâtiments sont déjà enlaidis par la fissuration du verre et des matériaux de finition, l'écaillage des revêtements, la désagrégation des joints de mastic et parfois par la dislocation d'un assemblage. De telles détériorations ne contribuent jamais à rehausser l'apparence d'un bâtiment. En outre, les revêtements extérieurs fissurés ne constituent plus une protection adéquate contre les intempéries et peuvent laisser la pluie s'infiltrer ou permettre l'imbibition des murs, ce qui peut entraîner un sensible affaiblissement structural des éléments par suite de leur dégradation progressive. Les mécanismes auxquels on peut attribuer ces dégâts sont habituellement liés aux déformations des matériaux causées par les variations de leur température et de leur teneur en humidité ou par une réaction chimique. Quand un élément sollicité par des contraintes internes ne peut se déformer en raison de la présence des matériaux qui l'entourent, il s'y produit des fissures.
Toute méthode rationnelle de calcul employée en construction tient compte de l'importance d'une bonne connaissance des caractéristiques de stabilité dimensionnelle des matériaux; cette question a fait l'objet, dans les Digestes 30, 48 et 54, d'une étude en rapport avec les sujets traités. Le présent digeste a pour but d'approfondir cette étude et il traite principalement des déformations entraînées par les variations thermiques et hygrométriques affectant les matériaux de construction. C'est une question assez complexe et l'on manque de renseignements quant à l'interaction des mécanismes impliqués. Nous possédons toutefois assez de données pour être en mesure de déterminer la nature des difficultés qui peuvent surgir et d'éviter, grâce à une conception et à une construction soignées, de commettre certaines des erreurs qui, de toute évidence, sont la cause la plus fréquente de la détérioration des bâtiments.
L'un des facteurs, ci-dessous, ou une conjonction des quatre, peut amener la déformation des matériaux de construction, des éléments et des charpentes:
1. les charges appliquées entraînant des déformations élastiques et permanentes; 2. les variations de température provoquant des dilatations ou des contractions; 3. les variations de la teneur en humidité causant un gonflement ou un retrait;
4. une réaction chimique en présence d'air humide ou d'eau, causant une variation du volume des matériaux, habituellement une dilatation.
Charges appliquées. - La contrainte à l'intérieur d'un matériau de construction est une force
engendrée par une charge et l'importance de la contrainte dépend de la pesanteur de la charge. Un matériau libre à qui on impose une charge subit une certaine déformation, bien que parfois cette déformation soit assez faible. On appelle déformation la modification par unité de dimension initiale. La plupart des matériaux sont doués de propriétés élastiques et, à l'intérieur de certaines limites de chargement, la déformation suscitée par un simple effort de compression ou d'extension est directement proportionnelle à la charge et à la contrainte engendrée par la charge. Cette proportionnalité constante entre la contrainte sous charge et la déformation due à cette charge représente la tendance naturelle du matériau à résister aux déformations élastiques; elle s'appelle module d'élasticité, E.
charge par unité de
surface contrainte
E = =
modification par unité
de dimension déformation
On peut comprendre plus facilement la valeur de E d'un matériau soumis à un effort d'extension si on considère qu'elle est la contrainte en livres/ pouce carré nécessaire pour déformer de 100% ce même matériau (allongement égal à la longueur première), en supposant qu'il conservera ses propriétés élastiques et que sa déformation variera selon la contrainte dans les mêmes proportions pendant toute la période de modification.
A l'intérieur des limites d'élasticité, le matériau reprend sa dimension ou sa forme primitive après l'enlèvement de la charge. Plusieurs matériaux de construction soumis à une charge appliquée pendant une longue durée subissent une autre déformation qui ne disparaît pas complètement après l'enlèvement de la charge. Cette déformation s'appelle fluage et on en a exposé les aspects au sujet des fléchissements des pièces de charpente dans le Digeste 54.
Variations de température. - La plupart des matériaux se dilatent lorsqu'ils s'échauffent et se
contractent lorsqu'ils se refroidissent. Dans le cas des corps à l'état solide, l'allongement par unité de longueur pour une élévation de température de 1 degré se nomme coefficient de dilatation linéaire. Les coefficients de dilatation linéaire de la plupart des matériaux utilisés en construction ont été déterminés en laboratoire et ils sont mentionnés dans les manuels techniques. Ils sont parfois basés sur l'échelle Centigrade et quelquefois sur l'échelle Fahrenheit, selon des gammes de températures définies et des teneurs en humidité précises. Il est donc assez facile de déterminer la déformation linéaire de tout matériau libre d'entraves en fonction des variations thermiques et, pour l'utilisation pratique de ces données, il conviendrait de se baser sur le genre de construction prévu.
Variations hygrométriques. - Les matériaux plus ou moins hydrophiles se dilatent lorsqu'ils
absorbent de l'eau et se contractent en séchant. Plusieurs matériaux de construction d'usage courant ont une structure poreuse et peuvent absorber des quantités d'eau plus ou moins grandes; la nature et l'amplitude des déformations provoquées par les variations hygrométriques prennent donc une importance considérable. Les déformations causées par les variations hygrométriques, comme celles qui sont provoquées par les changements de température, sont généralement réversibles, exception faite toutefois de celles qui se produisent dans des matériaux tels que le béton, le mortier et le plâtre. En ce qui concerne ces
matériaux, le retrait initial qu'ils subissent par séchage pendant leur cure peut être fortement supérieur à toute autre déformation réversible ultérieure. Ce fait présente une grande importance pour l'utilisation de ces matériaux lorsqu'ils sont coulés en place. Les éléments préfabriqués jouissent d'un certain avantage à ce point de vue: l'importante déformation irréversible peut se produire pendant leur cure, avant que les éléments de construction ne soient incorporés à un ouvrage.
Réactions chimiques. - Les réactions chimiques entre des matériaux de construction ne
surviennent généralement qu'en présence d'humidité. Une transformation chimique résulte de l'interaction de deux ou de plusieurs substances et provoque la formation d'autres substances. L'eau elle-même peut être l'une des substances impliquées dans la transformation chimique ou elle peut n'être qu'un agent de transport qui met en présence des substances réagissantes. L'humidité peut, par exemple, provoquer la corrosion des attaches métalliques mais elle peut également extraire des autres matériaux de construction certains agents de corrosion qui sont capables d'accélérer le processus.
Toute une gamme d'autres réactions chimiques peuvent entraîner des déformations anormales dans les matériaux de construction; mentionnons parmi celles-ci la réaction de dilatation qui se produit dans le béton et qui découle des réactions entre les hydroxydes alcalins et les agrégats de calcaire dolomitique comme ceux que l'on trouve à Kingston, en Ontario.
Toutes les causes de rupture par fissuration, comme celles susmentionnées, sont d'importances comparables et sont en corrélation; cependant, le présent digeste ne traitera d'une manière approfondie que les déformations dues aux variations thermiques et hygrométriques. Il est toutefois important d'étudier en premier lieu le concept de la résistance à la déformation.
Effets de la rigidité de l'assemblage
Un grand nombre d'éléments de construction sont assemblés avec un assujettissement minimal en vue de permettre les changements dimensionnels. Les ruptures surviennent lorsque le jeu entre deux éléments est trop faible, quand les attaches empêchent tout déplacement ou quand les déformations dépassent les possibilités d'adaptation des dispositifs et des garnitures d'étanchéité.
Lorsque des matériaux sont assemblés en un élément complexe de construction sans que l'on prévoie un jeu suffisant, les déformations résultant des variations de la température ou de la teneur en humidité peuvent être entravées. Des contraintes seront donc engendrées; elles s'opposeront aux déformations et les limiteront à de très faibles valeurs. Si ces contraintes dépassent la résistance des matériaux, ceux-ci se fissureront.
On considère que les contraintes engendrées par suite d'une résistance aux déformations dues aux variations thermiques et au retrait sont la cause de la plupart des fissures qui se produisent dans les matériaux de construction. Il serait bon d'examiner les facteurs qui influent sur la formation des fissures:
1. l'amplitude de la déformation dans le matériau libre d'entraves; 2. la déformation élastique dépendant du module d'élasticité;
3. la déformation de fluage déterminée par les caractéristiques de fluage du matériau;
4. le degré de résistance à la déformation suivant le mode de fixation aux autres éléments de l'ouvrage.
La figure nº 1 indique la corrélation qui existe entre ces facteurs. Pour un matériau libre, la variation de longueur causée par une dilatation ou un retrait atteindra la valeur correspondante au segment AD du diagramme. Si la déformation est entravée, le changement réel de dimension sera inférieur à AD, comme le segment BD l'indique. La valeur correspondant à BD représente le changement de longueur d'un matériau non sujet au fluage, tel l'acier, lorsqu'il est sollicité par une charge. Elle représente aussi le changement de longueur qui affectera la plupart des matériaux de construction devant supporter une charge appliquée instantanément ou rapidement. Si la durée de l'application de la charge est assez longue, comme c'est
habituellement le cas des contraintes provoquées par les variations thermiques et hygrométriques, il peut se produire du fluage dans le matériau. Le changement réel de longueur sera donc inférieur à BD lui-même et se situera probablement aux environs de la valeur du segment CD.
Figure 1 Facteurs influant sur les déformations
Cet exemple est schématique et montre que la déformation réelle est toujours inférieure à la déformation qui se produirait si le matériau était libre de se déformer, et ce d'une façon inversement proportionnelle au degré de résistance à la déformation. Il n'indique pas l'importance relative des déformations décrites. La déformation élastique est proportionnelle à la contrainte engendrée et inversement proportionnelle au module d'élasticité. La déformation de fluage augmente selon la contrainte engendrée et dépend de la durée de l'action de cette contrainte. Il est très difficile d'attribuer une valeur quantitative à la déformation de fait car les autres facteurs sont souvent modifiés de telle sorte qu'ils compensent la variation de l'un d'entre eux.
Amplitude des déformations
Il n'est pas toujours possible de déterminer la valeur exacte des déformations ou des contraintes provoquées par les variations thermiques et hygrométriques, mais on peut les calculer approximativement si l'on ne tient pas compte de l'effet du fluage. Les connaissances générales que l'on possède au sujet de cet effet permettent alors d'en faire une évaluation raisonnablement juste qui servira de base à des calculs rationnels.
Prenons par exemple le béton. Sa résistance étant de 250 liv./po.2 en tension et de 2,500 liv./
po.2 en compression, son module d'élasticité atteint 2.5 x 106 liv./po.2. A l'aide du rapport
contrainte-déformation décrit précédemment il est possible de déterminer la déformation qui causerait la rupture du béton:
250
Déformation (de tension) = X 100 = 0.01 pour cent 2.5 X 106
2500
Déformation (de compression) = X 100 = 0.10 pour cent 2.5 X 106
Son coefficient de dilatation linéaire étant de 6 X 10-6pouce /pouce/ degré Fahrenheit, on peut
calculer l'écart de température qui provoquera ces déformations, ou les déformations qui se produiront dans la gamme normale de températures à laquelle le matériau sera soumis une fois mis en place. Les écarts de température de courte durée que devra supporter un matériau placé à l'extérieur atteindront souvent 80 degrés F. Au Canada, les variations saisonnières de
température affectant les matériaux de couleur foncée adossés à une couche isolante peuvent atteindre 230°F si l'on tient compte des effets du rayonnement solaire dont traitait le Digeste 47. Si le changement de température s'élève à 80°F, il entraînera une déformation de 80 X 6 X 10-6X 100, soit environ ± 0.05 pour cent. Le béton n'a pas une grande résistance lorsqu'il est
sollicité par une contrainte de tension et la déformation calculée ci-dessus est cinq fois plus forte que la déformation nécessaire pour provoquer la fissuration du matériau lorsqu'il est soumis à un effort de tension.
Le béton à base d'agrégats légers peut subir des déformations allant de 0.01 à 0.2 pour cent par suite de variations hygrométriques, mais les déformations atteignent habituellement 0.04 pour cent dans le cas des blocs de béton de densité normale dont la teneur en humidité passe d'un extrême à l'autre.
On a obtenu des valeurs calculées semblables à celles du béton pour un certain nombre de matériaux de construction communément employés. Ces valeurs figurent au tableau nº 1 qui a été dressé dans le but de fournir aux constructeurs quelques renseignements sur l'amplitude des déformations qui peuvent affecter divers matériaux. Le coefficient de dilatation thermique, le module d'élasticité, la déformation due à la variation de la teneur en humidité et la contrainte de rupture sont exprimés en valeurs moyennes lorsqu'il existe un éventail de types du même matériau et ces valeurs ont été pondérées pour chaque type. Les lecteurs désireux d'effectuer des calculs semblables trouveront habituellement les valeurs spécifiques dans les manuels techniques ou dans d'autres publications.
Tableau 1. Déformations subies par der matériaux de construction d'usage courant par suite des variations thermiques et hygrométrique
Coeff. de dilation therm.
par °F
Déformation causée par une variation de température Déformation due à la variation de teneur en humidité, de l'état sec jusqu'au point de saturation Module d'élasticité E Contrainte de rupture en tension ou en compression Déformation amenant la rupture de 80° F de 230° F
% po./10 pi. % po./10 pi. % po./10 pi. % po./10 pi. Béton de densité normale 6x10 -6 0.05 0.06 0.14 0.17 0.03 0.04 2.5x106 2500C 250T 0.10 0.01 0.12 0.01 Brique 3x10-6 0.024 0.03 0.07 0.08 0.007 0.008 3x106 6000C 500T 020 0.016 0.24 0.02 Marbre et calcaire dense 3x10-6 0.024 0.03 0.07 0.08 <.001 - 10x106 25000C 600T 0.25 0.006 0.30 0.007 Grès 7x10-6 0.056 0.07 0.16 0.19 0.07 0.08 5x106 12000C 400T 0.24 0.008 0.29 0.01 Polyester renforcé 10x10 -6 0.08 0.10 0.23 0.28 <.001 - 1.5x106 15000T 1.00 1.20
Acier 7x10-6 0.056 0.07 0.16 0.19 aucune - 30x106 40000T (limite
élastique) 0.13 0.15 Cuivre 10x106 - 0.08 0.10 0.23 0.28 aucune - 17x106 50000T 0.29 0.35
Aluminium 14x106 - 0.11 0.13 0.32 0.38 aucune - 10.3x106 40000T 0.39 0.47
Le tableau nº 1 mentionne également les déformations dues aux variations de température affectant certains métaux importants en construction. Il est très important d'en tenir compte lorsqu'il s'agit de joints rendus imperméables à l'aide de matériaux d'étanchéité et de métal fixés à d'autres matériaux de construction. On néglige souvent, par exemple, d'en tenir compte lors de la mise en place des couvre-joints métalliques utilisés avec les matériaux des couvertures imperméables. Les variations de température peuvent souvent en pareil cas causer le gauchissement des couvre-joints, l'ouverture des joints et quelquefois aussi l'arrachement des éléments des dispositifs de fixation. On peut souvent constater que l'eau pénètre sous les couvre-joints après la rupture des joints et il en résulte une détérioration des matériaux adjacents.
La plupart des matières plastiques sont peu sensibles aux variations de leur teneur en humidité, mais elles sont en général affligées d'un coefficient de dilatation thermique élevé, jusqu'à cinq fois celui des matériaux inorganiques. En les renforçant au moyen de fibres de verre ou d'autre matériau, on peut réduire considérablement leur coefficient de dilatation thermique, comme l'indique le tableau nº 1 au sujet du polyester renforcé, et en outre on augmente ainsi leur module d'élasticité.
Recommandations
On ne peut formuler de recommandations précises visant à la réduction ou à l'élimination de la fissuration et de la rupture des matériaux de construction, à cause de la complexité des mécanismes impliqués et de la grande diversité des conditions d'application de ces matériaux. Certaines précautions peuvent toutefois contribuer largement à une réduction du nombre de dislocations qui déparent parfois les édifices modernes.
Le constructeur doit connaître les propriétés des matériaux qu'il emploie et tenir compte des déformations ou des contraintes qu'un matériau est susceptible de subir au cours des travaux et une fois mis en place. Parmi ces mesures de précaution, mentionnons le choix des matériaux, des techniques de fixation et d'assemblage, des dimensions optimales et du renforcement.
On doit faire subir aux matériaux sujets à un retrait considérable et irréversible un traitement approprié avant de les utiliser. Ceux qui sont particulièrement sensibles aux variations thermiques et hygrométriques ne doivent pas être employés à l'extérieur. Le cas échéant, il convient d'étudier soigneusement jusqu'à quel degré on peut les rendre solidaires des autres matériaux et il peut se révéler essentiel de les protéger contre l'humidité au cours des travaux de construction et d'en surveiller le séchage après leur mise en place. Dans le cas des panneaux que l'on ajuste à l'intérieur de cadres rectangulaires, comme les fenêtres, et de la plupart des ouvrages comportant des murs-rideaux, il est nécessaire de tenir compte des différences de déplacements des matériaux du panneau et de ceux du cadre. On peut aussi parfois modifier les conditions qui influenceront les matériaux. On peut restreindre la gamme de leurs températures en recourant à des teintes claires ou à des écrans pare-soleil, et amortir les variations de leurs températures en utilisant des matériaux possédant une capacité calorifique élevée.
Conclusion
Nous avons tenté de montrer dans le présent digeste la nécessité de mieux tenir compte, lors de la conception des bâtiments, des déformations et des contraintes qu'engendrent les variations de la température et de la teneur en humidité des matériaux assujettis. L'étude s'est limitée aux matériaux mais on doit aussi examiner soigneusement les conditions dans lesquelles les déformations qui surviennent dans les éléments de construction ou les charpentes peuvent être entravées, en particulier dans les grands édifices où les dalles de toiture sont parfois étroitement fixées aux murs. Des déformations ou des gauchissements inégaux peuvent aussi se produire par suite de l'existence d'un gradient de température ou
d'humidité à l'intérieur des matériaux ou des éléments complexes de construction. Cela peut rendre la prévision des déformations ou des contraintes possibles un peu plus difficile, mais il faut tenir compte de ces considérations si l'on veut que les éléments de construction remplissent le rôle qu'on attend d'eux. (On conseille aussi aux intéressés la lecture de l'ouvrage "Principles of Modern Buildings", vol. 1, publié par le Department of Scientific and Industrial
