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Digeste de la construction au Canada, 1973-02
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Conception des toitures de bois de manière à prévenir la pourriture
Baker, M. C.
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 112F
Conception des toitures de bois de
manière à prévenir la pourriture
Publié à l'origine en février 1973 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.
La détérioration du bois utilisé dans les toitures ou d'autres éléments de construction est une conséquence logique des conditions créées dans le système, inhérentes à la conception et au mode de construction, plutôt qu'à la faiblesse des matériaux utilisés. Il se peut qu'un milieu favorable au développement de la pourriture, comme l'humidité, ait existé initialement dans le bois ou ait résulté d'un ouvrage peut soigné, d'une fuite subséquence ou de la présence de condensation dans le système.
La pourriture du bois ne se présente jamais dans les nouvelles constructions. Les causes de détérioration sont bien connues et l'on en tient compte au stade de la conception des divers éléments et systèmes de construction. Le présent Digest étudiera surtout certaines conditions d'humidité à considérer dans l'élaboration des toitures en bois.
Degré d'Humidité dans le Bois Utilisé
L'influence de l'humidité sur les propriétés fondamentales du bois et certaines implications des variations de l'humidité ont été étudiées dans les Digests 85F et 86F. En outre, le Digest 111F mentionnait que l'humidité est l'un des facteurs qui détermine la croissance des champignons et la décomposition du bois.
L'humidité dans le bois utilisé varie en fonction de la température et de l'humidité de l'air environnant. Des mesures prises en laboratoire et sur place de divers types de bois et d'éléments de construction au Canada nous ont permis de tirer certaines conclusions d'ordre général quant au degré d'humidité moyen à prévoir dans un milieu donné. La Figure 1 donne des valeurs générales et ne représente aucun essai particulier. Elle a pour but de montrer les conditions qui peuvent exister dans la plupart des régions du Canada. Le bois exposé à l'extérieur, mais protégé, peut accuser un degré d'humidité aussi basse que 10 pour cent au début de l'été, et aussi élevée que 18 pour cent au milieu de l'hiver. Pour le bois utilisé à l'intérieur des bâtiments, dans des endroits qui ne sont pas particulièrement touchés par le
chauffage (fermes de toiture dans les combles), l'humidité peut se stabiliser à un degré voisin de celui qu'on trouve dans le bois protégé à l'extérieur.
Figure 1. Degré d'humidité dans le bois utilisé
Dans des bâtiments chauffés mais non climatisés, le degré d'humidité dans le bois variera approximativement entre 5 pour cent en hiver et peut-être 15 pour cent en été. Dans les bâtiments climatisés, où l'humidité relative se tient entre 40 et 50 pour cent, le degré d'humidité dans le bois se maintiendra entre 8 ou 9 pour cent. Le degré d'humidité des éléments en bois au contact de l'air tant qu'extérieur qu'intérieur peut varier, mais cette variation n'excédera probablement pas 12 pour cent en aucun endroit.
Certaines variations du degré d'humidité sont inévitables, toutefois si le bois au moment de la fabrication et de la pose a une teneur en humidité voisine de celle qu'il aura au cours de son utilisation, il n'y a pas de danger de détérioration. On peut prévoir, au stade de la conception, des variations dans les dimensions et la forme, causées par les fluctuations du degré d'humidité.
Il est à remarquer que les variations d'humidité habituellement rencontrées n'influencent pas la pourriture du bois. Le degré d'humidité dans le bois se situe généralement bien en deçà de 20 pour cent, humidité nécessaire à la croissance des champignons. Un défaut de conception ou un entretien négligé peuvent cependant permettre un accroissement de pourcentage d'humidité au point de favoriser le pourrissement du bois.
Conception
Pendant de nombreuses années, il était courant d'incorporer un vaporifuge dans les murs et les toitures, le plus près possible du revêtement intérieur. Récemment, on s'est rendu compte que l'imperméabilité à l'air qu'ils offrent est plus avantageuse pour prévenir la condensation que leur imperméabilité à la vapeur. On reconnaît aussi généralement la nécessité d'employer des matériaux au fini perméable du côté froid d'un vaporifuge, de façon que l'humidité passant à travers le vaporifuge puisse s'en échapper. C'est une pratique courante quand il est question des murs, mais on l'ignore souvent dans la conception des toitures, où l'isolant est parfois resserré entre un vaporifuge et une couverture imperméable. Ces systèmes ont habituellement donné de bons résultats, si l'on a pris soin de conserver les matériaux au sec avant et pendant la construction. Toutefois, il y a une très petite marge d'erreur, et il n'y a pas de doute que la détérioration prématurée des toitures a été souvent causée par l'eau emprisonnée dans le système. Dans de telles conditions, la détérioration peut même se manifester lorsque les matériaux isolants ne sont pas normalement attaqués par l'humidité. Des matériaux organiques comme le bois et les produits en bois peuvent se détériorer assez rapidement, à moins qu'on ait recours à des traitements de préservation pour empêcher la pourriture. Il semble régner une grande confusion quant à la conception de certains systèmes comme les toits lamellés en bois et chaque année plusieurs cas de détérioration sont portés à l'attention du DBR.
Considérons un toit plat en bois d'une épaisseur de 4 pouces, soumis aux conditions qui existent en hiver, en supposant qu'il fait 73°F à l'intérieur et -27°F à l'extérieur, par temps clair la nuit, et en été, en supposant qu'il fait 75°F à l'intérieur et 90°F à l'extérieur, sous un ciel
ensoleillé, la couverture ayant un coefficient d'absorption solaire de 0.75. Les gradients de température calculés représentant les conditions extrêmes qu'on retrouve en été et en hiver sont superposés sur les sections de toit de la Figure 2.
Figure 2. Gradients de température des toits en bois
Aucun isolant. La Figure 2 (a) illustre une couverture appliquée directement sur la toiture lamellée, sans isolant ni finition de plafond. La résistance totale du système à la chaleur est assez bonne. Il n'y aura aucun danger de condensation au plafond tant que l'humidité relative à l'intérieur n'atteindra pas 60 pour cent; toutefois l'air humide de l'intérieur peut s'infiltrer par les interstices du toit et causer de la condensation tout près de la surface froide de l'extérieur. Cela peut rendre le bois humide, mais ne constituera probablement pas un problème, en raison de la capillarité du bois et du réchauffement de l'air, le jour, qui feront revenir l'eau de condensation vers l'intérieur. Ce n'est que dans des conditions prolongées et très rigoureuses d'humidité très élevée à l'intérieur et de basses températures à l'extérieur que pourrait se produire une accumulation de givre à l'intérieur du système; et si le froid est suivi d'un dégel subit, il se pourrait aussi que des gouttelettes d'eau se détachent du plafond.
Avec Isolant. Un pouce d'isolant est ajouté au système dans la Figure 2 (b). Cela améliore naturellement la résistance totale du système à la chaleur et augmente la température à l'intérieur en hiver, permettant ainsi de plus fortes humidités sans qu'il n'y ait de condensation à la surface. La température à la face inférieure de l'isolant serait d'environ 6°F pour les températures extrêmes d'hiver, et là encore il y aurait danger de condensation à cet endroit où l'on place fréquemment un vaporifuge. La situation ressemble à celle du premier exemple mais n'est peut-être pas aussi grave.
Il pourrait se présenter quelques inconvénients lorsque l'isolant est recouvert d'une toiture multicouche. Si on utilisait un vaporifuge, toute l'humidité initiale normalement présente dans l'isolant, plus celle qui s'est accumulée durant l'entreposage ou la construction, ne pourrait s'en échapper. Elle se déplacerait à travers l'isolant, tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre, selon les gradients de température. Cela pourrait amener, dans certaines conditions, des concentrations d'humidité et la putréfaction des matériaux organiques.
Si l'on utilise des bardeaux pour la couverture, l'humidité pourra s'échapper de l'isolant, là où les bardeaux se recouvrent. Toutefois, un espace aéré au-dessus de l'isolant serait un moyen positif de se débarrasser de l'humidité. Cela pourrait se faire en prévoyant des tringles de fourrure ou des bandes de clouage au-dessus de l'isolation et en fixant directement des bardeaux rigides. Un contre-plaqué fixé aux tringles de fourrure pourrait être prévu pour le clouage des bardeaux plus flexibles. Les espaces entre les bandes de clouage pourraient être aérés vers l'extérieur, tout en s'assurant que la neige ne puisse entrer à l'intérieur sous l'action du vente.
Isolation et Plafond. Dans certains cas, le concepteur ne désire pas laisser exposer le dessous du toit de bois qui servira de plafond. Il le couvrira d'un autre matériau, comme un panneau de gypse ou un revêtement insonorisant. La Figure 2 (c) illustre une telle construction. Ce procédé améliore davantage la résistance totale à la chaleur, et les températures, en divers points du système, pour les limites choisies en hiver, y sont indiquées.
La condensation sur la face inférieure du toit peut maintenant se produire à une température de 75°F, à une humidité relative d'environ 35 pour cent. Cela ne causera probablement pas de problème, à moins que l'humidité ne soit constamment supérieure à 35 pour cent, ce qui serait le cas dans les pièces particulièrement humidifiées. Ce système ressemble de très près à celui illustré à la Figure 2 (b), si l'espace d'air est bien ventilé vers l'intérieur.
Vaporifuge de Plafond. Les concepteurs ont souvent tendance à placer un vaporifuge sur la face inférieure d'un toit de bois, maintenue en place par les tringles de fourrure du plafond. Si on utilise en plus une membrane étanche sur la face supérieure du toit entre le bois et l'isolant, il se crée deux trappes de vapeur, une qui emprisonne le toit de bois, et l'autre, l'isolant. S'il n'y a pas de vaporifuge sur la face supérieure, il se forme une trappe de vapeur lorsque la couverture est constituée d'une membrane continue.
Si tous les matériaux sont secs et qu'il n'y a pas d'humidité qui vient s'ajouter au cours de la construction, il n'y aura pas de problème.
Même si les matériaux deviennent légèrement humides, ils peuvent être suffisamment secs pour éviter ces problèmes si on laisse le temps à la chaleur et à l'aération de les assécher avant de poser le plafond. Le système, toutefois, peut présenter beaucoup d'ennuis; même l'humidité normale contenue dans les matériaux essentiellement secs, dans certaines conditions, peut suffire à causer la détérioration du bois ou d'autres matériaux organiques emprisonnés entre les membranes.
Humidité Provenant des Précipitations
Le Digest 111F mentionne que l'humidité nécessaire à la croissance des champignons responsables de la pourriture du bois se situe au-delà de 20 pour cent et que 35 à 50 pour cent sont nécessaires à une bonne croissance. Comme on l'indiquait plus haut, le bois entreposé à l'extérieur en hiver peut avoir une hygrométrie aussi élevée que 18 pour cent, s'il est protégé (Figure 1) ou encore plus forte s'il n'est pas protégé.
Considérons un toit en bois laissé sans protection avant l'installation de la couverture. Si l'on suppose une précipitation moyenne de 2 pouces d'eau par mois, cela représente 10.5 livres d'eau par pied carré de toit plat. Un toit en épinette de 4 pouces d'épaisseur, ayant une densité de 24 livres par pied cube, pèse 7¼ livres par pied carré. Si la précipitation supposée était complètement absorbée par le toit, la teneur en eau augmenterait de plus de 140 pour cent. Naturellement, il est peu probable qu'une telle chose se produise; de fortes précipitations de pluie ruisselleraient d'un toit en pente, le vent soufflerait la neige du toit ou elle y resterait sans fondre, et une certaine évaporation dans l'air se produirait. Cependant, même si 10 pour cent de la précipitation était retenu et absorbé, la teneur en eau du bois augmenterait de 14 pour cent, la teneur totale passant ainsi à un pourcentage aussi élevé que 32. L'application d'un vaporifuge ou d'isolant et d'une couverture empêcherait de façon efficace les pertes rapides d'humidité vers l'extérieur, et l'emploi de matériaux de finition au plafond retarderait ou empêcherait le séchage à l'intérieur.
La quantité d'eau qui peut ainsi être emprisonnée n'est pas toujours évaluée. Si un toit est couvert lorsque la teneur en humidité du bois est de 25 pour cent, pour une surface de 100 pieds carrés construite avec du bois sec de 7¼ livres par pied carré, l'eau totale contenue serait de 180 livres ou 18 gallons.
Concentration d'Humidité
Dans certains Digests déjà publiés on a expliqué le déplacement de l'humidité à l'intérieur d'un bâtiment. Lorsqu'il y a une différence de température à travers une section de mur ou de toit, l'humidité (distribuée uniformément à l'intérieur du système à l'origine) a tendance à se déplacer vers le côté froid en régime permanent sous l'action d'un gradient de température imposé.
Les variations de température dans une toiture exposée aux conditions atmosphériques naturelles sont extrêmement complexes, et lorsque le soleil entre en jeu, la situation est encore plus complexe du fait que les températures des surfaces exposées au soleil dépassent la température de l'air. Le rayonnement nocturne peut aussi rendre les températures des surfaces exposées, inférieures aux températures de l'air (voir Figure 2).
La Figure 2 (c) illustre des gradients supplémentaires pour un jour de juin et une nuit de juin. Les limites de température sont une moyenne maximale de 75°F et une moyenne minimale de 55°F pour le mois. Pendant une journée ensoleillée, l'humidité peut se déplacer vers l'intérieur, tandis que la nuit, quand la température baisse, elle peut se déplacer vers l'extérieur. Pour déterminer l'effet net de ces fluctuations, il est nécessaire d'étudier le climat local en rapport avec un bâtiment spécifique et son orientation. Souvent, on trouvera que les conditions qui règnent pendant le jour au printemps et au début de l'été produisent en effet un fort déplacement d'air vers l'intérieur. Ceci explique parfois pourquoi l'eau s'égoutte fréquemment du plafond à ce temps de l'année, à mesure que la vapeur qui se déplace vers l'intérieur en raison des hautes températures du toit se condense sur les surfaces intérieures plus froides. La circulation de la vapeur d'eau peut se produire à l'intérieur même du bois, mais pour les toits en bois, le chemin le plus propice à ce déplacement sera entre les joints.
Si l'on pose un vaporifuge sur la face inférieure d'un toit, il est peut probable qu'il adhère à la surface en tout point, et il se produira probablement des espaces d'air. Ceux-ci peuvent agir comme couche isolante. Le vaporifuge sera à ces endroits légèrement plus froid que le reste de la face inférieure du toit pendant que la chaleur se déplace vers l'intérieur. Dans ce cas, le vaporifuge pourrait former une surface de condensation. Les particularités d'un toit donné détermineront ce qui adviendra de l'eau ainsi formée. Si le toit est incliné, l'eau peut ruisseler jusqu'à un endroit d'où elle s'écoulera du système. Cela peut empêcher les matériaux de s'imbiber, bien que l'eau qui dégoutte peut encore constituer un problème. Si, toutefois, l'eau se déplace seulement jusqu'à ce qu'elle rencontre un obstacle, elle peut s'y accumuler, être absorbée à nouveau et mouiller le bois en certains endroits. Cela pourrait faire pourrir le bois en ces endroits, étant donné que les températures favorables à la croissance des champignons peuvent prévaloir pendant de longues périodes en été (Figure 2).
Humidité Produite par la Pourriture
Le Digest 111F mentionne que les champignons qui font pourrir le bois peuvent produire de l'eau par décomposition de la cellulose. Il est intéressant d'estimer la quantité d'eau qui peut être produite. Les experts en bois ont estimé que la cellulose contenue dans 1 pied cube de bois (poids spécifique: 0.5) décomposée jusqu'à 50 pour cent de son pied original à l'état sec fournit 0.9 gallon Imperial d'eau. Pour 100 pieds carrés de toit en épinette de 4 pouces d'épaisseur, ayant un poids spécifique de 0.4, en supposant que la pourriture s'étend à travers toute l'épaisseur et couvre 20 pour cent de la surface, l'humidité produite par la décomposition de la cellulose à 50 pour cent de son poids original serait de 5 gallons. Il y a aussi accumulation d'eau provenant de la décomposition des pentosans, de sorte que la perte réelle peut être quelque peu supérieure ou inférieure à 5 gallons. Cela représente une quantité importante, et aussi longtemps que la décomposition se poursuivra, il y aura formation d'eau.
Conclusion
Le présent Digest a mis en lumière certaines conditions d'humidité dont il faut tenir compte dans la conception des toits en bois. Il a démontré pourquoi le bois ne devrait pas être enfermé entre deux éléments vaporifuges. On peut concevoir de bons systèmes en permettant à l'humidité qui se trouve dans la construction de s'échapper par la face froide au moyen d'une bonne ventilation; dans certains cas, lorsqu'on prévoit des conditions défavorables et inévitables, on peut procéder à des traitements de préservation pour rendre le bois résistant à la pourriture. L'expérience démontre que si l'on prévoit une humidité intérieure modérée en hiver et des conditions favorisant un séchage suffisant en été, on peut laisser le bois à nu à l'intérieur. La capacité d'absorption d'humidité du bois est, dans ce dernier cas, utilisée pour accumuler une certaine humidité, quand le déplacement se fait vers l'extérieur, avec ré-évaporation vers l'intérieur dans les conditions inverses.
