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Roofing Canada, automne/hiver, pp. 12-17, 2001-12-01
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Roofing research: an update on current projects at the Institute for
Research in Construction / La recherche sur les couvertures: survol
des projets en cours à l'Institut de recherche en construction
Roofing research: an update on current projects at
the Institute for Research in Construction
Baskaran, B.A.; Liu, K.K.Y.
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Roofing Canada, Autumn/Winter 2001, pp. 12-17
www.nrc.ca/irc/ircpubs
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ROOFING RESEARCH:
LA RECHERCHE SUR
LES COUVERTURES
An Update on Current Projects at the
Institute for Research in Construction
Survol des projets en cours à
l’Institut de recherche en construction
By Bas A. Baskaran, Ph.D., National Research Council of Canada
Par Bas A. Baskaran, Ph. D., Conseil national de recherches du Canada
ROOFING RESEARCH:
An Update on Current Projects at the
Institute for Research in Construction
LA RECHERCHE SUR
LES COUVERTURES
Survol des projets en cours à
l’Institut de recherche en construction
Figure 1: The Field Roofing Facility at the NRC campus in Ottawa. The median parapet separates the Garden Roof (right) and the Reference Roof (left). The weather station is located at the median parapet.
Figure 1: L’installation de couvertures sur le terrain au campus du CNRC à Ottawa. Le parapet central sépare le jardin suspendu (à droite) et la couverture de comparaison (à gauche). Le poste météorologique se trouve sur le parapet central.
A
R
oofs in Canada are exposed to a wide variety ofstruc-tural and climatic stresses: from snow loads and driv-ing rainstorms to summer sun and winter chills, our technology must stand up to nature’s extremes. And the stresses show: roofing costs constitute a full 30 per cent of all building maintenance costs. In such a cli-mate, knowing when and how to repair roofs for the most cost-sensitive and durable result can be a tough call to make.
The projects include a new standard for evaluating wind effects on roof systems, research into the bene-fits and design of rooftop gardens, and the develop-ment of tools for predicting service life – all of which will assist property owners and managers in deciding how and when to repair existing roofs, and in choos-ing best practices and products for both design and repair. In fact, IRC is working closely with project partners from the property management, construction and roofing sectors, universities and other research agencies to ensure that their research delivers the results that property owners and managers need.
SIGDERS: Raising the Standard
IRC and its partners have developed a new stan-dard test for the dynamic evaluation of roofing sys-tems in order to improve the design of durable, wind-resistant roofs. This test, a first in North Ameri-ca, is the result of several years of sustained effort, and will assist property owners and managers in selecting and evaluating roofing products suited to their specific needs and environment, thus improving the performance of their roofs over their life cycle.
The Standard Test Method for the Dynamic Wind Uplift Resistance of Mechanically Attached Membrane Roofing Systems was developed by IRC in collabora-tion with members of the roofing
community, working together as the Special Interest Group for the Dynam-ic Evaluation of Roofing Systems (SIGDERS). Announced by SIGDERS in September 2000, the standard test is now in the process of being assessed as a national standard by the Canadi-an StCanadi-andards Association.
“Working with our SIGDERS part-ners has allowed us to develop a test that reflects actual construction prac-tices and concerns,” says the IRC’s Dr. Bas Baskaran. “It incorporates
realis-tic wind effects, failures similar to those found under field conditions, variation in roofing components and materials, and compatibility with local building codes. This makes it useful across the country.”
The test is based on a roofing system that consists of a deck and roofing membrane (including such
compo-u Canada, les cocompo-uvertcompo-ures sont exposées à tocompo-utes sortes de tensions structurales et climatiques, des charges de neige et de la pluie battante jusqu’au soleil de l’été et au gel de l’hiver, et notre technologie doit résister à des extrêmes de la nature. Ces tensions sont très évidentes: les couvertures à elles seules absorbent 30 p. 100 de tous les frais d’entretien des bâtiments. Dans un tel climat, il peut être très difficile de savoir quand et comment réparer les couvertures afin d’obtenir les résultats les plus durables et économiques.
Les projets de l’IRC comprennent une nouvelle norme pour l’évaluation de l’effet du vent sur les sys-tèmes de couvertures, l’étude des avantages et de la conception de jardins suspendus et la mise au point d’instruments permettant de prédire la vie utile descouvertures. Tous ces travaux aideront les proprié-taires et administrateurs de biens immobiliser à décider quand et comment réparer les couvertures existantes et à choisir les meilleures pratiques et les produits les plus appropriés, tant pour la conception que pour les réparations. En fait, l’IRC travaille en étroite collaboration avec des partenaires des secteurs de la gestion immobilière, de la construction et des couvertures, des universités et d’autres organismes de recherche afin de s’assurer que ses recherches obtien-nent les résultats dont ont besoin les propriétaires et administrateurs de biens immobiliers.
GIEDSC : Relever la norme
L’IRC et ses partenaires ont mis au point un nouvel essai normalisé pour l’évaluation dynamique des sys-tèmes de couvertures, dans le but d’améliorer la con-ception de couvertures durables capables de résister au vent. Cet essai, le premier en Amérique du Nord, est le résultat de plusieurs années d’efforts soutenus, et il aidera les propriétaires et admi-nistrateurs de biens immobiliers à choisir et à évaluer les produits de couverture qui conviendront le mieux à leurs besoins et à leurs cli-mats particuliers, améliorant ainsi le rendement de leurs couvertures au cours de leur cycle de vie.
La méthode d’essai normalisée pour la résistance dynamique à l’ar-rachement dû au vent des systèmes de couverture à membranes attachées mécaniquement a été mise au point par l’IRC en collaboration avec des membres de la communauté des couvreurs, réunis au sein du Groupe d’intérêt sur l’évaluation dynamique des systèmes de couvertures (GIEDSC). L’essai nor-malisé, annoncé par le GIEDSC en septembre 2000, fait maintenant l’objet d’évaluations de la part de l’Association canadienne de normalisation, qui étudie
nents as air/vapour barriers, retarders and insulation) in various designs typical of construction in Canada. The new test determines how the mechanically attached membrane roofing systems (those attached by mechanical fasteners, plates and/or bars) resist wind when subjected to dynamic wind load cycles, such as strong gusts of wind. Testing covered a range of
roof materials, such as poly vinyl chloride (PVC), thermoplastic poly-olefins (TPO), modified bitumen (Mod Bit) and ethylene propylene diene monomer (EPDM).
“With the expected adoption of the standard test nationwide, property owners and managers will be able to work with building designers, con-tractors and suppliers to apply it to their own situations,” explains Richard Voyer of Soprema. “It will help them select roofing membrane
materials and techniques that will provide the best possible resistance to storms and to long-term wear and tear, thus reducing maintenance and replacement costs.”
Rooftop Gardens
Rooftop gardens offer more than green oases in urban areas. They can reduce energy demand on space conditioning through direct shading of the roof, evapotranspi-ration and improved insulation values. They can delay and reduce runoff into the sewage system, which will reduce the frequency of combined sewage overflow events. If widely adopted, rooftop gardens can reduce the urban heat island effects, which will decrease smog episodes and problems associated with heat stress. In addition, they can increase membrane durability and improve property value.
The National Research Council of Canada (NRC) is working with the Rooftop Garden Consortium (members include Bakor, Canadian Roofing Contractors Association, Climate Change Action Fund, EMCO, Environment Canada, Gar-land, Hydrotech, IKO, Oak Ridge National Laboratory, Public Works Government Services Canada, Roofing Consultants Institute, Soprema and Tremco) on a two-year research project to study the various benefits of this technology. The Field Roofing Facility at NRC consisted of a wildflower rooftop garden located next to a modified bituminous roof system (See Figure 1). Both roofs are extensively instrumented to meas-ure the temperatmeas-ure profile and heat flow across the roofing sys-tems, solar reflectance of the roof surfaces, microclimate created by the plants, soil moisture level and storm water runoff. The local meteorological conditions are recorded by a weather station located on the rooftop. All sensors are monitored by a data acquisi-tion system.
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la possibilité d’en faire une norme nationale.
« Le travail avec nos partenaires du GIEIDSC nous a permis de mettre au point un essai qui tient compte des pratiques et des préoc-cupations actuelles du secteur de la construction, dit M.Bas Baskaran, Ph. D. de l’IRC. L’essai se fonde sur des effets de vent réa-listes, des défauts semblables à ceux qu’on constate sur le terrain, des variations encequi concerne les éléments et les matériaux de con-struction des couvertures et la compatibilité avec les codes locaux du bâtiment. De cette façon, il peut être utile dans tout le pays. »
L’essai se fonde sur un système de couverture comportant un plate-lage et une membrane de couver-ture (y compris des éléments tels que des pare-air et pare-vapeur et des isolants) de conceptions variées typiques de la construction au Canada. Le nouvel essai détermine comment le systèmes de couverture à membrane attachée mécanique-ment (celles qui sont attachées au moyen d’attaches mécaniques, de plaques, de barres ou les deux) résistent au vent lorsqu’on leur fait subir des cycles dynamiques de charge de vent, comme de fortes bourrasques. Les essais ont porté sur une vaste gamme de matériaux, comme le poly-chlorure de vinyle (PVC), les polyoléfines thermoplas-tiques (TPO), le bitume modifié et le terpolymère d’éthylène-propy-lène diène (EPDM).
« Quand l’essai normalisé aura été adopté à l’échelle du pays, comme nous nous y attendons, les propriétaires et administrateurs de biens immobiliers seront capables de travailler avec les concepteurs de bâtiments, les entrepreneurs et les fournisseurs afin d’appliquer cet essai à leurs situations propres, » explique Richard Voyer, de Sopre-ma. « Cela les aidera à choisir des techniques et des matériaux pour les membranes de couvertures qui assureront la meilleure résistance
possible aux orages et à l’usure à long terme, réduisant ainsi les frais d’entretien et de remplacement. »
Les jardins suspendus
Les jardins suspendus promet-tent autre chose que des oasis de verdure dans les zones urbaines. Ils peuvent réduire la demande d’é-nergie pour la climatisation des espaces, en ombrageant les couver-tures directement, ainsi que par l’é-vapotranspiration et par une amélioration des indices d’isola-tion. Ils peuvent retarder et réduire le ruissellement pluvial dans les systèmes d’égouts, ce qui réduira la fréquence des incidents de débor-dement des réseaux unitaires d’as-sainissement. S’ils font l’objet d’une acceptation générale, les jardins suspendus pourront réduire la formation d’ilôts de chaleur urbains, avec diminution corres-pondante du smog et des pro-blèmes associés aux tensions causées par la chaleur. De plus, ils
pourront accroître la durabilité des membranes et améliorer la valeur des biens immobiliers.
Le Conseil national de recherche du Canada (CNRC) travaille avec le Consortium des jardins suspendus (dont les membres comprennent Bakor, l’Association canadienne des entrepreneurs en couverture, le Fonds d’action pour le changement climatique, EMCO, Environnement Canada, Garland, Hydrotech, IKO, Oak Ridge National Laboratory, Travaux publics et Services gou-vernementaux Canada, le Roofing consultants Institute, Soprema et Tremco) à un projet de recherche de deux ans devant servir à étudier les divers avantages de cette technologie. L’installation du jardin suspendu du CNRC comporte un jardin-ter-rasse recouvert de fleurs sauvages situé près d’un système de couverture en bitume modifié (voir la figure 1). Les deux couvertures sont dotées de
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The initial analysis of the data suggests that rooftop garden will modify the temperature fluctua-tions experienced by the roof membrane. An exposed mem-brane absorbs solar radiation during the day and its surface temperature rises. It re-radiates the absorbed heat at night and its surface temperature drops. Diur-nal temperature fluctuations
cre-ate thermal stresses in the mem-brane, affecting its durability. Our data shows that rooftop gar-den can significantly reduce the daily temperature fluctuations (maximum – minimum) experi-enced by the roof membrane (See Figure 2). The effects are most prominent in the warmer months. In early summer, while the median diurnal temperature fluctuation was 13˚C, the median daily membrane temperature
fluctuations of the Reference Roof and the Garden Roof were 45˚C and 6.5˚C, respectively. In this period, the maximum daily membrane temperature fluctua-tion of the Reference Roof was 63˚C, but that of the Garden Roof was only 18˚C. The rooftop gar-den moderates temperature fluc-tuation and reduces thermal stresses on the membrane and should extend its service life.
Rheological
Properties of Asphalt
NRC has been working with CRCA to study the effects of heat-ing on the rheological properties of Canadian roofing asphalts. Our preliminary results have revealed significant differences in the quali-ty and rheological properties of roofing asphalts coming out of various refineries across Canada. We have observed that normal heating practice in the field (260˚C/500˚F for 4 hours) could cause “fallback” or reduction in the softening point of some Cana-dian asphalts, and change their equivicous temperature (EVT) sig-nificantly.
Building on the results and find-ings of the preliminary study, NRC will work with CRCA to further examine the rheological properties of Canadian roofing asphalts upon heating under different configura-tions. The data will provide a bet-ter understanding of the changes in rheological properties of roofing asphalts and help to establish prac-tice guidelines for proper heating (temperature range and heating time) in field applications.
IRC welcomes enquiries about its research projects. For more information on the research high-lighted in this article, or how to become involved in the projects, please contact:
SIGDERS: Dr. Bas Baskaran at Tel.: (613) 990-3616, Fax: (613) 998-6802, or E-mail: bas.baskaran@nrc.ca
Rooftop gardens: Dr. Karen Liu at Tel.: (613) 993-4584, Fax: (613) 954-5984, or E-mail: karen.liu@nrc.ca ■
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nombreux instruments servant à mesurer le profil de température et les flux thermiques sur les systèmes de couverture, la réflectance solaire des surfaces des couvertures, le micro-cli-mat créé par les plantes, le niveau d’humidité du sol et l’écoulement des eaux de pluie. Les conditions météorologiques locales sont enre-gistrées par un poste météorologique situé sur la couverture. Tous les cap-teurs sont observés au moyen d’un système d’acquisition de données.
L’analyse initiale des données suggère que les jardins suspendus peuvent modifier les fluctuations
de température subies par la brane de la couverture. Une mem-brane exposée absorbe les rayons du soleil pendant la journée et la température de sa surface aug-mente. La nuit, elle réfléchit la chaleur ainsi absorbée et la tem-pérature de sa surface diminue. Les fluctuations des températures diurnes créent des tensions ther-miques dans la membrane, qui en affectent la durabilité. Nos don-nées démontrent que le jardin sus-pendu peut réduire consi-dérablement les fluctuations quoti-diennes de température (maxi-mum – mini(maxi-mum) subies par la membrane de couverture (voir la figure 2). Ces effets se font le plus sentir pendant les mois plus chauds. Au commencement de l’été, quand la médiane des fluctu-ations de température diurne était
de 13˚ C, la médiane des fluctua-tions de température quotidiennes de la membrane sur la couverture de comparaison était de 63˚C, mais celle du jardin suspendu n’était que de 18˚C. Le jardin suspendu modère les fluctuations de tem-pérature et réduit les tensions ther-miques qui s’exercent sur la membrane; il devrait ainsi en pro-longer la vie utile.
Propriétés
rhéologiques de l’asphalte
Le CNRC a travaillé avec l’ACEC afin d’étudier les effets du réchauffe-ment sur les propriétés rhéologiques des asphaltes de couverture utilisés au Canada. Nos résultats préliminaires ont révélé d’importantes différences quant à la qualité et aux propriétés rhéologiques des asphaltes de couver-ture provenant de diver-ses raffineries du Canada. Nous avons observé que les pratiques normales de chauffe sur le terrain (260˚C/500˚F pendant 4 heures) pourrait provo-quer une diminution du point de ramollissement de certains asphaltes canadiens, et modifier
considérable-ment leur température d’équivis-cosité (TEV).
À partir des résultats et des con-statations de l’étude préliminaire, le CNRC va travailler avec l’ACEC dans le but d’examiner de façon plus approfondie les propriétés rhéologiques des asphaltes de cou-verture canadiens qui seront chauffés selon des configurations différentes. Les données vont per-mettre de mieux comprendre les changements des propriétés rhéologiques des asphaltes de cou-verture et aider à établir des lignes directrices concernant la façon appropriée de chauffer l’asphalte (gamme de températures et durée de chauffe) pour les applications sur le terrain.
L’IRC accepte les demandes de renseignements au sujet de ses pro-jets de recherche. Pour obtenir de plus amples informations au sujet des travaux résumés dans le présent article ou de la façon d’y participer, veuillez vous adresser au :
GIEDSC : M. Bas Baskaran, Ph. D., tél. : (613) 990-3616, télécopieur : (613) 998-6802, ou courriel : bas.baskaran@nrc.ca
Jardins suspendus: Mme Karen Liu, Ph. D., tél. : (613) 993-4584, télécopieur : (613) 954-5984 ou courriel : karen.liu@nrc.ca ■
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Figure 2: Comparison of the daily temperature fluctua-tions experienced by the roof membranes.
Figure 2: Comparaison des fluctuations quotidiennes de température subies par les membranes de couvertures.
