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Digeste de la construction au Canada, 1973-12
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Épaisseur du verre destiné aux fenêtres
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 132F
Épaisseur du verre destiné aux
fenêtres
Publié à l'origine en décembre 1973 W.G. Brown
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.
D'une manière générale, les architectes ont toujours choisi l'épaisseur du verre destiné aux fenêtres en se conformant aux pratiques classiques. Au cours de la dernière décennie, cependant, on a progressivement acquis un ensemble considérable d'information portant sur les caractéristiques de la résistance du verre et de la pression exercée par le vent. On les utilise aujourd'hui en appliquant une méthode nouvelle permettant de déterminer les épaisseurs de verre convenant à des fenêtres de dimensions diverses, soumises à des pressions différentes exercées par le vent. Le problème à résoudre consiste essentiellement à équilibrer, en les réduisant au minimum, la probabilité de bris des verres et leurs prix.
La résistance du verre est extrêmement variable. Si l'on effectue des essais sur trente carreaux de fenêtre identiques, il se peut qu'on observe des pressions de rupture variant dans une proportion de 3 à 1. Il est nécessaire, pour tenir compte de ce fait, de faire appel, lors des études, à des considérations statistiques. On est généralement d'accord, par exemple, sur un taux de ruptures dues au vent d'environ une fenêtre sur 100 fenêtres soumises à la pression nominale spécifiée pour les études. Les vitesses du vent et les pressions qu'elles engendrent sont cependant extrêmement variables. Il convient donc, lors du choix d'une pression comme base d'une étude, d'évaluer les vents les plus violents qui pourront souffler pendant la durée prévue de vie des fenêtres, soit 30 ans environ.
Le taux classique de rupture d'une fenêtre sur 100 (soit 1 pour cent) correspond approximativement au verre dont l'épaisseur est la plus économique (en admettant, pour les remplacements, un prix doublé). Si, dans un petit bâtiment possédant 100 fenêtres, on peut considérer la rupture d'une seule fenêtre comme tout-à-fait acceptable, il n'en est pas ainsi dans le cas d'un gratte-ciel possédant 10,000 fenêtres, où la rupture de 100 fenêtres ne saurait évidemment pas être tolérée. Toute considération de sécurité publique mise à part, il est clair qu'il convient, ne serait-ce que pour éviter une désaffection possible de la clientèle, de prévoir des taux de ruptures plus bas dans le cas des bâtiments possédant un grand nombre de fenêtres.
Il résulte de ce qui précède qu'on ne saurait choisir une épaisseur de verre sans déterminer au préalable un taux de rupture acceptable sous le triple rapport de la sécurité, de la clientèle et des prix de revient. Ce choix étant fait, le problème consiste à étudier la résistance du verre, les vitesses extrêmes du vent dans la région considérée, et les propriétés aéro-dynamics du bâtiment.
Pression nominale exercée par le vent
Il conviendrait, idéalement parlant, de déterminer la pression nominale exercée par le vent à un emplacement donné d'après les mesures de vitesse du vent portant sur un grand nombre d'années. Dans la plupart des cas, cependant, on dispose uniquement de mesures de vitesse du vent effectuées dans des aéroports éloignés des agglomérations urbaines. La vitesse du vent varie, d'autre part, avec la hauteur au-dessus du sol, et d'après des lois différentes suivant qu'il s'agit d'espaces découverts ou de régions construites. On est conduit, dans ces conditions, à convertir, d'une façon tout-à-fait empirique, les données obtenues dans les aéroports, de manière à les adapter aux régions voisines habitées. Les pressions auxquelles sont soumises les fenêtres diffèrent, enfin, avec les orientations du bâtiment, et dépendent de l'étanchéité à l'air de ce dernier. Les fenêtres sont soumises à des différences de pression environ 50 pour cent plus élevées que la pression statique du vent(1). En utilisant des vitesses
de vent soufflant en rafales déjà enregistrées à divers emplacements(2), on est conduit, pour la
charge nominale due à la pression, à l'équation suivante:
qD= 2.7 x 10-5FHVG2(lpc)*(1)
dans laquelle FHreprésente un facteur de hauteur tel qu'il ressort de la Figure 1, et VGdésigne la vitesse nominale de rafale telle qu'elle ressort de la Référence (2) en milles à l'heure. Le Tableau I donne les vitesses-types de rafales pour plusieurs villes différentes.
Figure 1. Facteur de hauteur relatif aux pressions exercées par le vent (centres en banlieue et de ville).
Locale Design Gust SpeedVG(mph) Victoria Vancouver Saskatoon Toronto Ottawa Montréal Québec Halifax St. John's 92 90 81 84 75 75 84 88 103
Exemple: Les pressions nominales relatives aux fenêtres de bâtiments de hauteur 100 pieds
situés à Victoria, Ottawa et St. John's seraient (d'après la Figure 1 et le Tableau I) Victoria qD= 2.7 x 10-5x 0.8 x 922= 0.18 lpc
Ottawa qD= 2.7 x 10-5x 0.8 x 752= 0.12 lpc St. John's qD= 2.7 x 10-5x 0.8 x 1032= 0.23 lpc Choix de l'épaisseur du verre
Les grandes variations de résistance du verre proviennent de procédés de fabrication et de manipulation qui laissent à la surface du verre des rayures et des défauts minuscules, mais suffisants pour engendrer des tensions. Les résultats moyens des essais exécutés par les principaux fabricants sont cependant sensiblement identiques; on trouvera dans la Figure 2(3)
ceux qui concernent la détermination des épaisseurs de glace** correspondant à un taux de
rupture d'une fenêtre sur 1000, c'est-à-dire une probabilité de rupture de 0,001.
Pour utiliser la Figure 2, on repérera sur l'échelle verticale la surface de fenêtre envisagée, évaluée en pieds carrés; on suivra ensuite un tracé horizontal jusqu'à l'intersection avec la diagonale représentant la pression nominale qDdéjà déterminée. L'emplacement de l'intersection sur l'échelle horizontale donnera l'épaisseur de verre correspondant à la combinaison choisie de dimensions de fenêtre, de pression nominale, et de taux de rupture.
Exemple: Pour les pressions nominales et les taux de rupture (un sur 1,000) précédemment
déterminés, l'épaisseur nécessaire de verre, h, pour fenêtres de 15 pieds carrés, serait, d'après la Figure 2
Glace Verre à Vitres ou Verre Flotté
Victoria h = 0.20 pouce h = 0.18 pouce
Ottawa h = 0.15 pouce h = 0.14 pouce
St. John's h = 0.24 pouce h = 0.22 pouce
On peut utiliser la Figure 3 pour déterminer l'épaisseur de verre nécessaire pour différents taux de rupture; on obtiendra des facteurs multiplicatifs applicable aux résultats de la Figure 2. Le facteur d'épaisseur relatif à un taux de rupture de 1 sur 10,000 fenêtres s'élève, par exemple, à 1.35.
Figure 3. Facteurs d'épaisseur pour différentes probabilités de rupture.
Les épaisseurs de verre nécessaires pour obtenir ce taux de rupture seraient alors les suivantes
Glace Verre à vitres ou verre Flotté
Victoria h = 0.27 pouce h = 0.24 pouce
Ottawa h = 0.20 pouce h = 0.19 pouce
St. John's h = 0.32 pouce h = 0.30 pouce
Si l'on a choisi l'épaisseur de manière à garantir un taux de rupture raisonnablement bas, tous les bris de vitres dus au vent se produiront, en fait, uniquement en cas de vents très violents. Chacun éprouvera en pareil cas une certaine inquiétude et s'écartera des endroits dangereux. Il se peut que les vents violents engendrent également une vibration des fenêtres; elle constituera un avertissement supplémentaire de la présence d'un danger. Tout bien considéré, les ruptures de vitres ne constituent donc pas une menace réelle à la sécurité publique.
Il est, d'un autre côté, inévitable que le public s'inquiète dans le cas où des ruptures se produiraient, même en nombre limité (économiquement acceptable), dans de grands bâtiments. Il pourrait en résulter une perte de clientèle. Aussi est-il indispensable de maintenir à un niveau raisonnable la proportion des bris de vitres. En l'absence actuelle de normes, l'architecte ayant à prévoir des fenêtres devra se former une opinion personnelle. Les indications qui suivent pourront toutefois servir de base:
Nombres de fenêtres du bâtiment
Taux nominal de rupture suggéré sur 30 ans Probabilité de rupture 100 1 par 10 bâtiments 0.001 1 000 1 par 3 bâtiments 0.0003 10 000 1 par bâtiments 0.0001 Flexion et battements
On peut calculer la flexion au centre d'une fenêtre carrée à vitre légère en utilisant l'équation suivante:
q = 2.15 x 108wh3/a4{1 + 0.165 (w/h)2} (2)
dans laquelle q représente la pression en lpc, w la flexion au centre, h l'épaisseur du verre, et a la langueur d'un côté (dimension en pouces).
On ne dispose que de maigres informations concernant le battement des fenêtres, au cours duquel le verre peut éprouver des tensions anormalement élevées. D'après les rapports, cependant,(4)le danger de battement est réduit si la fréquence naturelle d'une fenêtre excède 4
cycles par seconde. Elle est approximativement donnée par la formule suivante :
f = 105h/a2cycles/sec (3)
dans laquelle a est la plus faible dimension (en pouces). Toutes les fenêtres normales présentent des fréquences naturelles assez élevées. Pour h = 0.10 pouce, par exemple, et a = 36 pouces, f = 7.8 cycles/sec. Les grandes glaces telles qu'on en utilise pour les devantures de magasins peuvent donner lieu à des accidents. Pour h = 0.25 pouce, par exemple, et a = 96 pouces, f = 2.7 cycles/sec.
Coût du verre des fenêtres vitrées
Il est important, lorsqu'on étudie le prix du verre, de tenir compte des conditions du marché local. Les différences de prix correspondant à une augmentation donnée d'épaisseur du verre peuvent, en effet, pour diverses raisons touchant à la fois à la livraison et à la fabrication, être assez importantes. On peut, à litre d'exemple, mentionner le fait que la glace de ¼ de pouce, souvent plus coûteuse que le verre à vitres pour les petites dimensions, peut l'être beaucoup moins dans le cas des grandes dimensions pour lesquelles s'impose une sélection spéciale de qualité. Il peut même arriver qu'un verre plus mince, mais trempé, soit plus économique que du verre recuit.
Remarques complémentaires
Le procédé décrit dans le présent Digest suffit pour déterminer l'épaisseur de fenêtre à vitres simples supportées sur tout leur périmètre. La Figure 2 s'applique aux fenêtres dans lesquelles, approximativement, le rapport de la longueur à la largeur est inférieur à 4. Les fenêtres très
longues et étroites requièrent une attention spéciale. Il en est de même des fenêtres à carreaux multiples et des fenêtres supportées seulement sur deux côtés. Les fenêtres scellées à vitrerie double supportent des charges de pression qui excèdent d'environ 50 pour cent celles qu'admettent les vitres simples. On peut les calculer sur cette base en multipliant qD de
l'équation (1) par 2/3 avant d'utiliser la Figure 2. Dans tous les cas où la situation le permet, on choisira, pour les fenêtres d'angle, des verres de l'épaisseur immédiatement supérieure à celle qu'indique le calcul; le vent engendre, en effet, des pressions d'aspiration un peu plus élevées aux angles des bâtiments.
La plupart des bris de fenêtres observés résultent non pas du vent, mais des tensions thermiques(5)ou d'une pose incorrecte des vitres. La résistance du verre s'accroît sensiblement,
d'autre part, lorsque la température décroît, augmente légèrement lorsque l'humidité relative décroît, et décroît quelque peu lorsque la durée de la charge appliquée au verre croît. Ces aspects du problème et quelques autres considérations relatives à la résistance du verre et au mode de construction des fenêtres sortent du cadre du présent Digest. Il serait nécessaire d'exécuter des recherches complémentaires dans un grand nombre de domaines, parmi lesquels figurent le battement des fenêtres, les fluctuations rapides affectant réellement les pressions exercées par le vent sur les bâtiments, et les vitesses, à différentes altitudes, du vent dans les villes.
Références
1. Supplément No. 3 au Code national de la construction du Canada, 1965 (NRC No. 8331). 2. Supplément No. 1 au Code national de la construction du Canada, 1965 (NRC No. 8329). 3. Brown, W. G. A Load Duration Theory for Glass Design. NRCC 12354, January 1972.
4. Khan, F. R. Optimum Design of Glass in Buildings. Building Research, Vol. 4, No. 3, May-June 1967, p. 45-48.
5. Sasaki, J. R. Possibilités de Bris d'Origine Thermique des Vitrages Doubles Scellés. Conseil national de recherches du Canada, Division des recherches sur le bâtiment, Digest de la construction au Canada No. 129F, Sept. 1970.
* Note : cette équation n'est valable que dans le cas de la Figure 2.
** Un nombre limité de données indiquent que le verre à vitres et le verre flotté peuvent supporter des charges dues à la pression un peu plus élevées que ne le peut la glace. On doit, pour ces types de verre, multiplier qDpar 0.85 avant d'utiliser la Figure 2.
