Intempéries et maisons

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Digeste de la construction au Canada, 1962-08

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Intempéries et maisons

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 14F

Intempéries et maisons

Publié à l'origine en août 1962 D. W. Boyd

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.

Pourquoi habitons-nous dans des maisons? La principale fonction de la plupart des maisons d'habitation et des autres types de bâtiments est de protéger les personnes et les choses qui s'y trouvent contre les intempéries. Il est vrai que des serrures sont installées sur les portes pour interdire l'accès des voleurs, des vandales et des indésirables. Des moustiquaires sont placées sur les fenêtres pour empêcher les insectes d'entrer. En fait, cependant, peu de bâtiments au Canada ont été conçus en vue de protéger leurs occupants contre les gens ou les animaux.

Ce qu'on recherche avant tout en construisant les maisons c'est qu'elles soient chaudes et sèches. La toiture et les murs doivent empêcher l'eau de pluie (même celle qui est poussée par le vent) d'entrer à l'intérieur. Ils doivent également résister aux pertes de chaleur. Ayant exclu la pluie et conservé la chaleur en hiver nous avons également exclu la chaleur désagréable du soleil au coeur de l'été ainsi que la poussière, le brouillard et la neige transportés par le vent à différentes saisons de l'année. Nous avons même exclu la lumière du jour et l'air frais, c'est pourquoi nous devons pratiquer des trous dans le mur et poser des vitres et des stores ou des rideaux afin de pouvoir contrôler les quantités de soleil et d'air qui entrent dans nos maisons. La neige tombe sur les maisons et le vent souffle contre elles. Nous devons nous assurer qu'elles sont assez solides pour résister à ces forces de la nature.

Examinons de plus près certains des éléments climatiques:

Température

La résistance des murs aux pertes de chaleur et la capacité du système de chauffage dépendent dans une large mesure de la différence de température qui doit être maintenue entre l'intérieur et l'extérieur des maisons. La température intérieure considérée comme confortable peut être fixée arbitrairement à, disons, 70°F. La détermination d'une valeur appropriée de la température extérieure pour l'établissement des plans des maisons n'est pas si simple. L'emploi de la température moyenne d'un ou de plusieurs mois d'hiver ne serait pas satisfaisant étant donné que la température extérieure serait inférieure à la moyenne à peu près la moitié du temps. La température la plus basse jamais enregistrée ne convient pas pour deux raisons. En premier lieu une station météorologique dont les observations ne remontent

pas très loin peut découvrir une température beaucoup plus basse dans les toutes prochaines années que dans les toutes dernières années. En second lieu il n'est généralement pas nécessaire de concevoir un bâtiment où la température intérieure ne sera jamais inférieure à la température minimum calculée.

Ce n'est pas catastrophique qu'une maison, un bureau ou un atelier manquent de confort durant quelques heures ou au pis aller durant quelques jours. Le minimum de température extérieure dont on doit tenir compte dans les calculs doit être basé sur la moyenne des températures du jour le plus froid de chaque année ou sur les dix ou quinze heures les plus froides d'un mois moyen de l'hiver. Le choix dépend, dans une certaine mesure, des observations disponibles et des techniques employées pour l'analyse.

Au Canada les températures relevées toutes les heures en janvier pendant dix ans ont été triées mécaniquement dans un certain nombre de stations et des tableaux ont été établis montrant le nombre d'heures correspondant à chaque température pour chaque station. On peut, à partir de ces tableaux, choisir une température de calcul dite de 1% telle que 1% seulement des données de température horaires aient cette valeur ou lui soient inférieures*_. Cela signifie qu'au cours d'un mois de janvier moyen sept ou huit heures seulement sur un total de 744 auraient des températures égales à la valeur de calcul de 1% ou inférieures à cette valeur. Les températures choisies de cette façon concordent assez bien avec les températures découlant de l'expérience acquise dans un grand nombre de localités au Canada et aux Etats Unis. Pour les maisons d'habitation cette valeur est probablement trop basse et une température de calcul de 2 ½ % est une valeur plus raisonnable pour un emploi généralisé. Cela signifie qu'au cours d'un mois de janvier moyen il y aurait 18 à 19 heures où la température extérieure serait égale ou inférieure au minimum de température employé dans les calculs. Si ces heures sont reparties sur quelques nuits elles donneront au pire quelques heures légèrement inférieures à 70°F à l'intérieur du bâtiment, plus probablement tôt le matin. Le problème qui consiste à maintenir un bâti. ment frais l'été est semblable mais, en tous cas au Canada, il est moins critique. Les températures de l'air extérieur atteignent rarement 100°F. Cela ne dépasse que de 30 degrés la température confortable fixée à 70°F mais la chaleur qui provient du soleil peut élever les températures de surface des bâtiments de 20 à 60 degrés au-dessus de cette température confortable. Les effets directs du soleil ainsi que ceux de la température de l'air doivent être pris en considération pour déterminer les exigences en matière de refroidissement.

L'air chaud de l'été contient généralement beaucoup plus d'humidité que l'air froid et cette humidité joue également un grand rôle dans la détermination du type et de la capacité du système de refroidissement. La façon la plus appropriée d'obtenir l'humidité de l'air extérieur dans ce but est de mesurer sa température au thermomètre "à boule mouillée." Les températures de calcul pour l'été peuvent être obtenues exactement de la même façon que les températures de calcul pour l'hiver. Au Canada ce sont les températures horaires de juillet qu'on emploie généralement étant donné que le mois de juillet est le mois le plus chaud dans la plus grande partie du pays. L'analyse est simplifiée et les résultats sont plus facilement présentés sous forme de tableaux si la température "à boule sèche" et la température "à boule mouillée" peuvent être traitées séparément. On ne peut pas faire cela dans tous les pays mais dans presque tout le Canada la corrélation qui existe entre ces températures est assez étroite pour qu'on ait des résultats raisonnablement précis. Cela signifie que si un système de refroidissement est conçu pour une température maximum de 2 ½ % (boule sèche et boule humide) alors pendant à peu près 18 heures au cours d'un mois de juillet moyen la combinaison de la température à boule sèche et de la température a boule humide sera plus sévère que les conditions calculées.

Le coût du fonctionnement d'un système de chauffage ou de refroidissement pour une saison moyenne ou pour une saison particulière peut être estimé au moyen de températures observées différemment. L'énergie requise dépend de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur et du temps qu'elle dure. La somme des différences de températures journalières ou horaires donnera le nombre requis de degrés-heures ou de degrés-jours.

La température moyenne à l'intérieur d'un bâtiment non chauffé est normalement plus élevée que la température extérieure par suite du chauffage direct du soleil et des sources de chaleur qui se trouvent à l'intérieur du bâtiment comme les personnes et les machines. Pour cette raison la température de 65°F est généralement employée comme température de base pour calculer les degrés-jours. La température moyenne journalière est généralement employée pour faire le calcul, la différence entre cette valeur et 65°F constituant les degrés-jours de chaleur requis pour la journée.

Il est beaucoup plus difficile d'estimer les besoins d'énergie pour un système de refroidissement pour une saison par suite de la complication à laquelle donne lieu l'humidité et par suite des effets solaires et autres. Des degrés-jours supérieurs, disons, à 70°F pourraient être calculés tout aussi aisément que ceux qui sont inférieurs à 65°F mais une analyse bien plus complexe comprenant les températures "à boule mouillée" et probablement les effets de vent et de soleil serait nécessaire pour faire une estimation utile applicable à un bâtiment moyen. Par conséquent le total des degrés-jours inférieurs à 65°F pour l'hiver est généralement employé comme guide pour les besoins en chauffage des bâtiments mais il n'existe aucune expression simple pour estimer l'énergie requise pour le refroidissement.

Précipitations

Les précipitations influencent la conception des maisons de plusieurs façons. L'une des premières exigences pour n'importe quel bâtiment est qu'il soit sec à l'intérieur. Tous les toits et tous les murs doivent donc permettent à l'eau de pluie de s'écouler et les exigences sont, à cet égard, les mêmes partout. Les murs qui ne rejettent pas l'humidité dans de sévères conditions de pluie poussée par le vent peuvent cependant être considérés comme satisfaisants dans les régions où ces conditions sont rares. Ce problème, dans le cas des murs de maçonnerie, fait l'objet du Digeste N° 6.

L'eau de pluie recueillie par un toit en pente tombe le long d'une ligne sous l'avant-toit. Comme ceci est souvent indésirable il est courant de prévoir des gouttières et des tuyaux de descente pour évacuer cette eau. La capacité du système de drainage doit dépendre de la vitesse maximum de tombée de la pluie. Comme dans le cas des températures de calcul, cependant, une insuffisance temporaire du système ne sera pas catastrophique. On peut choisir une vitesse qui sera dépassée en moyenne une fois tous les deux ans ou une fois tous les dix ans. Dans le cas des toits plats drainés dans les mêmes conduites que les installations de plomberie une interruption serait plus sérieuse et la vitesse maximum de chute de la pluie à laquelle on pourrait s'attendre serait une fois tous les 30 ou 100 ans.

Les vitesses de chute de la pluie doivent être mesurées sur des périodes de temps très courtes et la période choisie influence la vitesse maximum observée. Pour la plupart des toits la période la plus désirable serait inférieure à cinq minutes mais puisque cinq minutes est la période la plus courte, durant laquelle les chutes de pluie sont généralement observées, c'est la meilleure base pour établir les plans.

Malheureusement les intensités des chiites de pluie pour des périodes aussi courtes (cinq minutes) et pour de petites fréquences (disons une fois en 30 ans) n'ont pas été recueillies pendant longtemps. Le drainage des toits est toujours calculé d'après les chutes de pluie maxima de quinze minutes une fois tous les dix ans. Cela donne une valeur raisonnable pour calculer les conduites extérieures. Pour que ne se produise pas une inondation à l'intérieur d'un bâtiment on installe une conduite verticale intérieure dont la dimension est plusieurs fois celle du tuyau vertical extérieur conçu pour recueillir le même volume d'eau de pluie.

Si le drain en provenance d'un toit horizontal est engorgé par des feuilles ou de la neige l'eau de pluie peut alors s'accumuler sur le toit à une telle hauteur qu'il faut considérablement augmenter la résistance requise pour le toit. Pour estimer le maximum probable de cette charge supplémentaire il est nécessaire de faire quelques hypothèses quant à la longueur du temps pendant lequel le drain pourrait rester engorgé. Un jour est une période convenable à considérer parce que les observations des chutes de pluie d'une journée sont facilement disponibles. Si l'eau de pluie reste où elle tombe alors chaque pouce de pluie ajoutera 5.2 livres

à la charge supportée par pied carré de toiture. Même six pouces de pluie (peu susceptibles d'être accumulés en une seule journée au Canada) n'ajouteront que 31 livres de charge par pied carré. Si le toit a une légère pente cependant ou si des toits ou des murs adjacents se déversent sur le toit plat alors des charges plus lourdes peuvent se produire.

A l'encontre de l'eau de pluie la neige peut s'accumuler pendant plusieurs jours ou même pendant plusieurs semaines ou plusieurs mois dans les régions les plus froides du Canada. La neige peut sembler légère lorsqu'elle tombe mais en quelques jours elle se tasse et elle devient beau coup plus dense. Combien plus dense est une question à laquelle il est difficile de répondre de façon satisfaisante car sa densité peut aller d'environ 0.2 à 0.5 tandis que celle de la neige fraîche est en moyenne d'environ 0.1 (comparée à 1.0 pour l'eau). Les densités de la neige ne sont généralement pas mesurées lorsque les épaisseurs de neige sont déterminées et il en résulte que la charge de neige calculée doit être basée sur l'épaisseur maximum mesurée de la neige au sol. Ces épaisseurs maxima se produisent généralement à la fin des chiites de neige importantes tandis qu'une partie de la neige est encore nouvelle et légère. On assume que la densité moyenne de la neige est d'environ 0.2 mais il faut se rendre compte que cette valeur n'est peut-être pas précise dans de nombreux cas.

A partir des épaisseurs maxima annuelles de la neige sur le soi recueillies au cours de quinze ou vingt ans il est possible d'estimer la profondeur maximum pour des périodes un peu plus longues. Étant donné qu'un pouce de neige représente une charge d'environ une livre par pied carré la profondeur en pouces est numériquement égale à la charge en livres par pied carré. Un certain nombre de toitures se sont effondrées au Canada lorsque de l'eau de pluie est tombée sur de fortes charges de neige. De fortes pluies sont assez communes en fin d'hiver et au début du printemps lorsque les charges de neige atteignent leur maximum. Étant donné que les quantités journalières des chutes de pluie sont facilement disponibles il semble raisonnable d'ajouter à la neige, dans les calculs, le poids de la chute de pluie journalière maximum qui pourrait se produire à ce moment-là de l'année.

Les charges de neige de base doivent parfois être augmentées dans les calculs pour tenir compte de facteurs divers. C'est ainsi que de plus grandes charges sont susceptibles de s'accumuler lorsque la neige peut être balayée d'un toit plus élevé sur un toit moins élevé ou lorsque des dépressions se produisent. Les charges peuvent être réduites dans le calcul des toits où la neige s'accumule moins rapidement que sur le sol comme par exemple les toits inclinés.

Le vent

La quantité d'air chaud qui passe par les fissures autour des portes et des fenêtres et la quantité d'air froid ou de poussière qui entre dépend en partie de la vitesse du vent. La vitesse du vent joue également sur les rapports qui existent entre les degrés-jours et l'énergie requise pour le chauffage. L'importance relative de la température et du vent, cependant, dépend largement de l'étanchéité d'un bâtiment et par suite on ne peut donner aucune formule générale.

Le point le plus important en ce qui concerne les effets du vent dans les calculs des bâtiments est que la charpente doit être assez forte pour résister aux vents les plus violents qui pourraient se produire. A l'encontre de la panne d'un système de chauffage ou de la rupture d'une gouttière de toiture l'impossibilité pour un bâtiment de résister au vent peut être catastrophique. On ne doit courir aucun risque à cet égard. Les vents les plus violents susceptibles de se produire une fois tous les 30 ans sont communément employés mais un vent beaucoup moins fréquent serait plus logique si on pouvait l'estimer de façon sûre.

Le vent violent qui endommage ou détruit les maisons peut ne durer que quelques secondes. Ces vents forts et brefs ne sont mesurés que dans quelques rares stations et par conséquent, en général, il faut les estimer à partir de vitesses du vent moyennes sur des périodes très longues. Au Canada les seuls relevés disponibles en matière de vitesses du vent sont des moyennes horaires. Une analyse importante a été effectuée afin d'établir les relations qui existent entre ces moyennes horaires et les vitesses de vent les plus élevées. Si on tient

compte des rafales de vent dans le calcul des grands bâtiments on risque de faire une charpente trop solide parce que le temps requis pour que la pression du vent sur un bâtiment atteigne son maximum dépend de la dimension du bâtiment.

Il y a une autre question difficile à régler de façon satisfaisante. Quelle est la force des rafales à quelques centaines de pieds au-dessus du sol? Les vitesses des rafales relevées à ces altitudes sont beaucoup plus rares que celles qui ont été relevées près du sol et par conséquent les estimations sont beaucoup moins sûres. On admet généralement que les vitesses de vent moyennes sur les terrains plats augmentent avec la 'hauteur approximativement dans la proportion de la septième puissance des hauteurs. On sait également que le rapport existant entre la vitesse des rafales et la vitesse moyenne décroît avec la hauteur de telle sorte que les vitesses de rafales augmentent avec la hauteur, peut-être en fonction de la dixième ou de la onzième puissance des hauteurs. Sur les terrains accidentés l'augmentation des vitesses de vent moyennes, en fonction de la hauteur, est plus rapide ou si on l'envisage d'un point de vue plus logique la diminution de la vitesse du vent moyenne est plus rapide à mesure que l'on se rapproche du sol. Les rafales sur des terrains accidentés sont également plus violentes. L'effet brut de ces deux facteurs sur les vitesses maximums des rafales à une certaine hauteur est difficile à juger. Il est possible cependant de dire que le terrain accidenté n'augmente pas les vitesses de rafales. Il est également possible de dire que les vitesses des rafales n'augmentent pas avec la hauteur aussi rapidement que les vitesses moyennes de vent. Par conséquent si les vitesses de rafales sont calculées pour les hauteurs plus élevées en fonction du septième de la puissance de la hauteur les résultats peuvent ne pas être très précis mais ils seront sûrs, peut-être même à l'excès.

Les bâtiments doivent être conçus de façon à exclure certains éléments climatologiques comme la pluie et les températures extrêmes et résister aux charges imposées par certains autres éléments comme la neige et le vent. Les bâtiments doivent aussi être construits avec des matériaux pouvant résister aux effets destructeurs des intempéries, mais cela est une autre question.

* Les valeurs pour ces données et pour d'autres données climatologiques valables pour l'ensemble du Canada sont présentées sur les cartes qui constituent -L'Atlas climatologique du Canada." On peut se procurer cet atlas au prix de $1 l'exemplaire. auprès de la Division des Recherches en Construction du Conseil National de Recherches.

M. Boyd est un climatologiste du Service de météorologie du Département des Transports actuellement détaché auprès de la Division des recherches en construction par suite de l'importance du climat dans les recherches en construction. Toutes demandes de renseignements concernant la météorologie doivent être adressées directement au Directeur du Service de météorologie du Département des Transports, 315 Bloor St. W., Toronto 5.