Commentaires sur la Partie 4 du Code national du bâtiment du Canada : 1977 : Supplément no 4 du Code national du bâtiment du Canada

(1)

(2)

COMMENTAIRES SUR LA

PARTIE 4

DU CODE NATIONAL DU

BÂTIMENT

DU CANADA 1977

SUPPLÉMENT NO 4

DU CODE NATIONAL DU

BÂTIMENT

DU CANADA

Publié

par

le

Comité associé du Code national du bâtiment

Conseil national de recherches du Canada

Ottawa

CNRC

No

15558F

(3)

Première édition française 1970 Deuxième édition française 1977

@Conseil national de recherches du Canada 1977 Droits réservés pour tous pays

(4)

TABLE D E S MATIÈRES

Page

Préface

...

vii

Composition des comités

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ix

Commentaire A

Critères de tenue en service relatifs aux flèches et aux

vibrations

. . .

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1 Commentaire B

Surcharges dues au vent

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. . .

.

. . .

7 Commentaire C

Effondrement en chaîne e t intégrité structurale

.

. . . .

37 Commentaire

D

Effets des déformations sur les composants des

bâtiments..

..

.

. . .

.

. . .

..

.

45 Commentaire E

Combinaisons de charges pour le calcul des structures

51 Commentaire F

Calcul aux états limites

. . . .

. . .

.

. .

55 Commentaire G

Surface tributaire

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63 Commentaire

H

Surcharges dues

à

la neige

. . .

.

. . . .

69 Commentaire 1

Surcharges dues

à

la pluie

. . .

.

. . .

85 Commentaire J

Effets des séismes

. . .

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. . .

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. . .

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. . .

89 Commentaire K

Analyse dynamique de la réponse des bâtiments aux

séismes

.

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. . .

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111 Commentaire L

Fondations

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. . .

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. . .

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. . .

129

(5)

vii

Les présents Commentaires ont pour but de mettre à la disposition du concepteur des don-

nées de calcul détaillées pour lui faciliter l'utilisation du Code national du bâtiment. Ils sont pro- posés comme données de base et, dans certains cas, comme méthode facultative de calcul, mais ne constituent nullement des exigences impératives.

La version française de ce Supplément a été rédigée avec l'aide d u Comité permanent mixte de terminologie française du CNBICNPI. La traduction originale a été faite par le Bureau de traduction du Secrétariat d'etat. La réalisation d'une traduction qui reflète fidèlement l'esprit de l'é- dition anglaise s'est avérée une tâche très complexe et très prenante, et le Comité associé tient à

exprimer sa gratitude aux personnes qui ont consacré leur temps et leurs efforts à cette fin.

Un nouveau commentaire sur les fondations (Commentaire L), destiné à fournir des rensei-

gnements de base à l'appui de la section 4.2 (Fondations) du CNB, a été ajouté à la présente édi-

tion.

Etant donné que les renseignements fournis dans les présents Commentaires ne sauraient en- glober toutes les conditions ou tous les types d'ouvrages et que par surcroît, d'autres pourront être disponibles à l'avenir, le concepteur doit s'efforcer d'obtenir, en matière de calcul, ceux qui sont les plus récents et les plus pertinents. Pour les types d'ouvrages inhabituels, il peut s'avérer néces-

saire d'avoir recours à des renseignements spéciaux, tels que des études théoriques, des essais sur

modèle ou des expériences en tunnel aérodynamique, en vue d'obtenir des valeurs de calcul appro- priées.

Quant aux exigences de calcul pour la maçonnerie armée et non armée de la partie 1 de l'édi- tion 1975 du présent Supplément, elles font maintenant l'objet de la norme CSA S304-1977, "Masonry Design and Construction for Buildings", à laquelle renvoie la section 4.4 du CNB 1977. Cette norme a été élaborée par un comité mixte ACNOR/CNB et constitue essentiellement une mise à jour de la partie 1.

Cette façon de procéder fait suite à la nouvelle ligne de conduite adoptée en 1975 et selon la-

quelle des normes de calcul du bois, du béton, de l'acier et de l'aluminium ont été supprimées du

présent document et incluses comme références à la partie 4 du CNB. De cette façon, on évite d'a-

voir à mettre le supplément à jour chaque fois que les normes le sont.

Une brochure sur les équivalents métriques des unités anglaises contenues dans le présent Sup- plément est distribuée automatiquement avec chaque exemplaire en vue de servir de base à I'utilisa- tion du système métrique, en attendant la publication d'une édition entièrement en unités métriques.

Les personnes suivantes ont contribué à la préparation des Commentaires:

D. E. Allen W. A. Dalgliesh A. G. Davenport D. J. L. Kennedy D. A. Lutes W. G. Plewes J. H. Rainer W. R. Schriever D. A. Taylor

Le Commentaire L (Fondations) a été préparé par un groupe de travail nommé par le Comité

permanent du calcul des structures et composé des membres suivants: V. Milligan (Président), L.

Brzezinski, D. Klajnerman, W.E. Lardner et E.Y. Uzumeri.

Si 1'on.désire obtenir des renseignements sur des aspects des Commentaires ayant trait à l'in-

terprétation et à l'utilisation du Code national du bâtiment, il faut s'adresser au Secrétaire du Co-

mité associé du Code national du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada, Ottawa (Ontario) K1A OR6. Les demandes de renseignements techniques sur des sujets qui ne sont pas traités dans le Code seront aussi bien accueillies et doivent être adressées au personnel de la Divi- sion des recherches sur le bâtiment, qui assure les services de soutien des comités du Code.

(6)

COMITÉ ASSOCIÉ DU CODE NATIONAL DU BÂTIMENT

A. G. Wilson (Président) H. B. Dickens (Vice-président S. D. C. Chutter D. E. Cornish S. Cumming R. F. DeGrace M. G . Dixon 5. T. Gregg W. B. Guihan R. V. Hébert J. S. Hicks M. S. Hurst ( e x ojîcio) H. T . Jones P. M. Keenleyside J. Longworth J. A. McCambly C. J. McConnell R. C. McMillan Ancien membre*

D. O. Monsen (ex ojîcio) A. T. Muir** F. -X. Perreault A. R. Pitt G. B. Pope H. R. Stenson R. A. W. Switzer A. D. Thompson J. E. Turnbull C. J. Ward

D. W. Boyd (Conseiller en recherche-

météorologie)

R. S. Ferguson (Conseiller en recherche) R. H . Dunn (Secrétaire)

1

I C . D. Carruthers (Président jusqu'en novembre 1975) !

COMITÉ PERMANENT DU CALCUL DES STRUCTURES

I 1 J. Longworth (Président) N. N. Aylon

1

R. L. Booth I L. H. Bush

1

J. F. Cutler A. G . Davenport i V. C. Fenton

1

P. J. Harris

j

D. J. Kath01 I D. E. Kennedy i D. J. L. Kennedy

1

H. Krentz I

i

N. C. Lind

l

Anciens membres*

1

G. W. Elkington

1

O. Safir C. Marsh W. McCarthy V. Milligan W. Paul B. G. W. Peter A. G . Stermac E. Y. Uzumeri H. P. Vokey

W. R. Schriever (Conseiller en recherche)

R. H. Dunn (Secrétaire)

-

*Mandat terminé pendant la préparation de l'édition 1977 du Code.

*

(7)

COMITÉ DE LIAISON MIXTE ACNOR/CNB DU CALCUL AUX ÉTATS

LIMITES

D. J. L. Kennedy (Président) N. C. Lind

L. H. Bush J. Longworth

A. G. Davenport C. Marsh

J. L. deStein V. Milligan

V. C. Fenton C. R. Wilson

P. J. Harris

D. E. Allen (Conseiller en recherche

et secrétaire)

COMITÉ PERMANENT MIXTE DE TERMINOLOGIE FRANÇAISE DU

CNB/CNPI

F. -X. Perreault (Président) Y. E. Forgues (Conseiller en recherche)

M. V. Lefebvre G. Bessens

L. Montcalm (Mue)

)

(Coordination de la traduction)

R. Ménard

C. Sirois M. L. Racette (Secrétaire)

(8)

'AISE DU

If

aduct ion)

COMMENTAIRE A

CRITERES DE TENUE EN SERVICE

RELATIFS AUX

FLÈCHES

ET AUX

VIBRATIONS

TABLE DES MATIÈRES

Page

Flèches

...

3 Vibrations

...

3 Références bibliographiques

...

5

(9)

COMMENTAIRE A

Critères de tenue en service relatifs aux flèches et aux vibrations

1. L'utilisation de matériaux plus résistants, de revêtements extérieurs plus légers et plus rigides, de capacités d'amortissement plus faibles et de calculs de résistances plus précis qui tiennent compte de l'interaction des éléments, permet aux flèches et aux vibrations excessives d'avoir une plus grande influence qu'auparavant dans le calcul des charpentes. Pour empêcher la flexion et la

vibration excessives des éléments, les codes imposent ordinairement à la flèche qu'ils peuvent

avoir sous l'effet des charges prévues, une limite qui est exprimée en fraction de la portée (L) par exemple, L/360 (pour les porte-à-faux, la valeur de L peut être considérée égale au double de leur longueur). C'est sous cette forme que le tableau A-1 résume les critères fixés pour les flèches par diverses normes pertinentes au Code national du bâtiment du Canada 1977. Ces critères dépen- dent des types de construction et de matériaux, ainsi que de leurs conditions d'utilisation. Pour aider le concepteur, nous donnons une description succincte des problèmes liés aux flèches trop pro- noncées et aux vibrations excessives, ainsi que des références bibliographiques.

2. De trop grandes flèches peuvent créer une foule de problèmes, par exemple causer des fissurations ou des déformations dans les éléments non porteurs tels que les cloisons, entraver le jeu des portes, rendre les murs hors d'aplomb, provoquer l'excentricité des charges par rotation et

occasionner des accumulations d'eau et des affaissements si désagréables à la vue. En plus de pré-

senter un aspect désagréable, les fissures peuvent transmettre des sons indésirables à travers les

cloisons, ou laisser passer l'eau et l'air froid à travers les surfaces extérieurs et ainsi, faciliter la cor- rosion. Le contrôle des fissures dans les ouvrages en béton est traité séparément dans la norme CSA A23.3-1973, "Code for the Design of Concrete Structures for Buildings".

3. Il existe ordinairement plusieurs solutions aux problèmes provoqués par les flèches trop prononcées. On peut, par exemple, éviter la fissuration des cloisons, en y prévoyant des joints sou- ples ou en rendant la structure porteuse suffisamment rigide. De même, on peut éviter la fissuration des plafonds en enduit en les suspendant aux solives des planchers.

4. Les flèches limites indiquées au tableau A-1 s'appliquent aux formes traditionnelles de construction dans les conditions d'utilisation courantes. L'exigence la plus stricte, la flèche de 1/480, pour les éléments supportant des plafonds en enduit ou des cloisons(l), peut s'avérer

insuffisante à empêcher la fissuration de l'enduit ou des cloisons rigides(3). Pour aider le concepteur

à résoudre les cas nouveaux et inhabituels, la référence (2) suggère des critères plus détaillés, tan-

dis que les références (4) à (7) présentent des exemples de dommages provoqués par des flèches ex-

cessives (y compris les tassements différentiels et les mouvements imputables à la température).

VIBRATIONS

5. Deux types de vibrations posent des problèmes dans les bâtiments: les vibrations conti-

nues et les vibrations transitoires. Les vibrations continues sont provoquées par les mouvements périodiques des machines et par certaines activités humaines telles que la danse. Ces vibrations peuvent être considérablement amplifiées lorsque ces mouvements périodiques sont synchronisés avec la fréquence du bâtiment: c'est le phénomène de la résonance. Les vibrations transitoires

sont provoquées par les déplacements des occupants ou par des chocs et disparaissent à une ca-

dence qui dépend de la capacité d'amortissement.

6. Des dispositions spéciales permettent de réduire les effets indésirables des vibrations continues provoquées par les machines ( g J . (9). Par exemple, on peut placer ces dernières loin des locaux particulièrement sensibles, ou les isoler des vibrations, ou encore modifier la fréquence de la structure. Les êtres humains créent des forces périodiques dont la bande de fréquence est d'environ 1-4 Hz. If faut éviter les fréquences inférieures à 5 Hz pour les planchers légers des logements, et les planchers d'écoles, d'auditoriums, de salles de gymnastique et d'autres usages semblables.

(10)

Tableau A- 1 RÉSUMÉ DES RAPPORTS FLÈCHE MAXIMALE/PORTÉE PRESCRITS DANS LE CNB 1977, ET DANS LES NORMES CSA PERTINENTES(') CSA 086- 1976, CSA A23.3- 1973, CSA S16-1969; CNB 1977-Partie 9, Wood Concrete S16.1-1974, S157-19699 Normes de construction Structural Aluminum Structural Steel résidentielle Eléments de toit ou de 1 (2) lu) 1 1 'plancher supportant un - - - 1 ou - plafond en enduit, des 3 60 480 240 360 360 360 cloisons, etc. Eléments de plancher ne 1 (2) 1 (4) 1 (5) supportant ni plafond 1 - 1 (7) 1 ou - en enduit, ni 180 360 320 200 240 360 cloisons, etc. Eléments de toit ne 1 (2) 1 1 (6) 1 (6) - 1

-

1 (8) 1 supportant pas de ou - OU - plafond enduit, etc. 180 180 180 240 180 180 240 1 (2) 1 Eléments de mur - - - - 180 180 Colonne 1 2 3 4 5 6 Remarques: (l) Flèche due uniquement à une surcharge, sauf indication contraire. (') Le module utilisé pour le calcul est basé sur des essais à court terme, mais il y a une mise en garde contre la flèche due au fluage. (3) Flèche produite apres la mise en place d'éléments non porteurs, y compris la flèche due au fluage provoquée par un chargement de longue durée, et la flèche im- médiate imputable à la surcharge additionnelle. Le chiffre inférieur prévaut lorsque les éléments non porteurs ne risquent pas d'être endommagés par les flèches prononcées. (4) Flèche immédiate due à la surcharge. Il y a une mise en garde contre l'accumulation d'eau pour les toits. (5) Il y a une mise en garde contre les vibrations. (6) La valeur de 1/180 s'applique aux toits recouverts de tôle ou d'une membrane élastique, et celle de 1/240 aux étanchéités multicouche. 11 y a une mise en garde contre I'accumulation d'eau. (7) Pour les chambres à coucher seulement. (8) S'il n'y a pas de plafond. Copyright © NRC 1941 - 2019 World Rights Reserved © CNRC 1941-2019 Droits réservés pour tous pays

(11)

En cas d'activités rythmées, comme la danse, il peut se produire une certaine résonance lorsque le

rythme correspond à chaque deuxième cycle de vibration du plancher. On recommande par con-

séquent de donner à de tels planchers une fréquence égale ou supérieure à 10 Hz, à moins qu'il n'y

ait un amortissement considérable.

7. Les vibrations transistoires provoquées dans les planchers par le choc des pas peuvent gê- ner les occupants, en faisant vibrer des objets en porcelaine par exemple. Les flèches maximales du

tableau A-1, fixées à 1/360 pour les planchers en bois (')et à 1/320 pour les planchers en acier qui

ne supportent pas de matériaux fragiles, visent à prévenir les effets de ces vibrations. De tels critè-

res s'appliquent uniquement aux planchers traditionnels dont la portée est inférieure à 20 pi envi-

ron et dont les fréquences sont supérieures à 10 Hz environ. 11 ne s'appliquent pas aux planchers à

grande portée, en particulier ceux qui ne portent pas de cloisons, ni aux planchers prévus pour des utilisations spéciales; la référence (10) contient d'autres renseignements et d'autres critères relatifs

a ces cas. Les références (1) à (1 1) donnent de plus amples renseignements pour les planchers 1é-

gers avec platelage en bois des logements.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

(1) Russell, W.A., Deflection Characteristics of Residential Wood-Joist Floor Systems. Housing and Home Finance Agency, Housing Research Paper 30, Washington, D.C., April

1954.

(2) Allowable Deflections. Subcommittee 1, AC1 Cornmittee 435. Journal, Am. Concrete Inst.,

Vol. 65, No. 6, June 1968, p. 433.

(3) Plewes, W.G. and Garden, G.K. Fléchissements affectant les pièces de charpente horizontales. Conseil national de recherches du Canada, Division des recherches sur le bâti- ment, Digeste de la construction au Canada no 54F, Ottawa, mars 1967.

(4) Mayer, H. und Rüsch, H. Bauschaden als Folge der Durchbiegung von Stahlbeton-Bauteilen

(Building Damage Caused by Deflection of Reinforced Concrete Building Compo- nents). Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 193, Berlin 1967. Traduction technique du Conseil national de recherches du Canada T T 14 12, 1970.

(5) Pfeffermann, O. Les Fissures dans les Constructions Conséquences de Phénomènes Physiques Naturels. Annales de l'Institut technique du Bâtiment et des Travaux Publics, n o 250, octobre 1968.

(6) Skempton, A.W. and MacDonald, D.H. The Allowable Settlements of Buildings. Proc., Insti- tution of Civil Engineers, Ve1. 5, Part III, 1956, p. 727.

(7) Khan, F.R. and Fintel, M. Effects of Column Exposure in Ta11 Structures - Design Conside-

rations and Field Observations of Buildings. Journal Am. Concrete inst. Vol. 65, No. 2, February 1968, p. 99.

(8) Thomson, W.T. Vibration Theory and Applications. Prentice-Hall.

(9) Steffens, R.J. Some Aspects of Structural Vibration. Building Research Current Paper Engi-

neering Series 37, Building Research Station, Ministry of Technology, Great Britain.

( 1 0) Norme CSA S 16.1 - 1974, Steel Structures for Buildings - Limit States Design. Appendix

Guide on Floor Vibrations.

(1 1) Onysko, D.M. Performance of Wood-Joist Floor Systems. Forest Products Laboratory Infor- mation Report OP-X-24, Service canadien des forêts, ministère de l'Environnement, janvier 1970, Ottawa. Copyright © NRC 1941 - 2019 World Rights Reserved © CNRC 1941-2019 Droits réservés pour tous pays

(12)

COMMENTAIRE

B

SURCHARGES

DUES AU VENT

TABLE DES MATIÈRES

Page

Vitesse

V

et pression dynamique q de référence

. . .

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. . .

9 Coefficient d'exposition, Ce

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10 Coefficient de rafale,

Cg

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11 Tourbillons alternés

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14 Coefficients de pression

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15 Flèches horizontales des bâtiments de grande hauteur sous l'action du vent

17 Etapes de construction

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.

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20 Références bibliographiques

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. . .

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21

(13)

COMMENTAIRE

B

l

Surcharges dues au vent

i

1. La sous-section 4.1.8. "Effets du vent" du Code national du bâtiment 1977(') mentionne trois méthodes différentes de calcul des surcharges dues au vent sur les bâtiments.

1

2. La première, appelée "méthode simplifiée", est analogue à celle des éditions de 1960 et

l 1965 du CNB. Elle fournit les valeurs numériques de tous les facteurs en cause, sauf les données

I _{climatiques (indiquées dans la référence 2) et les coefficients de pression (donnés dans le présent}

I

Commentaire). Cette méthode simplifiée donne approximativement les mêmes valeurs de pression et de succion d u vent que les éditions précédentes et peut être utilisée pour la majorité des bâti- ments pour lesquels les surcharges dues au vent n'ont pas une influence considérable sur le calcul de la structure.

3. Les deux autres méthodes d'analyse des surcharges dues au vent sont mentionnées à l'arti-

cle 4.1.8.2. du CNB 1977, qui stipule que le concepteur doit: a) soit faire des essais spéciaux en

f _{soufflerie ou selon d'autres méthodes expérimentales, b) soit employer une méthode de calcul dy-}

I

namique de l'effet de rafale, appelée "méthode détaillée", lorsque le bâtiment risque dêtre soumis

,

\ a des vibrations par le vent. Ce peut être le cas, par exemple, des structures hautes et élancées ou

i _{des auvents en double porte-à-faux, pour lesquels les surcharges dues au vent jouent un rôle im-}

i

1

portant dans le calcul de la structure. Les références (3). (4) et (5) présentent des données de base

! sur la nécessité et l'élaboration de méthodes nouvelles et plus précises pour prévoir les effets du

i

vent sur les structures.

i

1

4. Les essais spéciaux en soufflerie, dans lesquels les propriétés pertinentes du bâtiment et de

I son voisinage immédiat, ainsi que les caractéristiques du vent, doivent être convenablement re-

1

i présentées, sont recommandés toutes les fois que le coût, la nature inhabituelle du bâtiment ou de

l'emplacement, ou d'autres considérations analogues peuvent justifier les frais encourus. Cepen-

l

dant, il existe de nombreux cas auxquels la méthode simplifiée ne convient pas, sans qu'on puisse indiquer clairement la nécessité d'un essai en soufflerie.

i 5. La troisième méthode, la "méthode détaillée", a été conçue(6) spécialement pour la catégo-

l

rie intermédiaire de problèmes de surcharges dues au vent, bien qu'elle puisse servir dans d'autres

1

_situations,à condition d'en reconnaître la portée et les limites. La méthode détaillée consiste en

une série de calculs qui prennent en compte: (i) l'intensité de la turbulence du vent sur l'emplacement, en fonction de la hauteur et de la rugosité superficielle du terrain environnant, et (ii) les ca- ractéristiques du bâtiment, telles que la hauteur, la largeur, la fréquence propre de vibration et la

1

capacité d'amortissement des oscillations. Le résultat des calculs est le coemcient de rafale Cg, qui

1

est multiplié par la pression dynamique de référence, q, par le coefficient d'exposition, Ce, et le

coefficient de pression, C,, pour donner la pression statique de calcul, qui doit en principe pro-

,

duire la même surcharge maximale que celle causée par la turbulence réelle du vent au niveau ap-

I 1

L proprié de probabilité. La méthode simplifiée présentée dans le CNB, permet de passer facilement

!

à ce mode de calcul plus détaillé des effets du vent.

VITESSE

V

ET PRESSION DYNAMIQUE g DE RÉFÉRENCE

6. La vitesse de référence du vent.

V,

se détermine par l'analyse des valeurs extrêmes des ob-

servations météorologiques des vitesses horaires moyennes du vent, mesurées à 30 pi de hauteur à

des endroits choisis dans la plupart des cas parce qu'ils offrent une surface dégagéeJordinairement

des aéroports). La pression dynamique de référence, q , se détermine à partir de V, au moyen de

l'équation suivan te:

(14)

7. Le coefficient C dépend de la pression atmosphérique et de la température de l'air. La pres-

sion atmosphérique, à son tour, est influencée surtout par l'altitude au-dessus du niveau de la mer,

tout en l'étant légèrement par les changements de temps.

8. Les valeurs suivantes de C correspondent aux conditions qui prévalent au Canada:

si

y

est en milles à l'heure, C = 0.0027 si V est en pieds par seconde, C = 0.00 125

9. Le Supplément no 1 du CNB, "Données climatiques pour le calcul des bâtiments au Ca- nada 1977'' contient une description des méthodes utilisées pour obtenir les pressions dynamiques

de référence du vent, q, correspondant à trois différentes probabilités de dépassement par an

(1 / 10, 1 /30 et 1 / 100), c'est-à-dire, aux valeurs considérées ordinairement comme ayant une fré-

quence de récurrence de 10, 30 et 100 ans respectivement. Les tableaux du Supplément no 1 indi-

quent ces valeurs de q pour diverses localités canadiennes, et fournissent d'autres données climatiques de calcul. Le Supplément no 1 du CNB contient également une référence bibliographique qui donne de plus amples détails sur le choix du coefficient de conversion, C, de la vitesse du vent en pression, ainsi qu'un tableau de conversion de la pression en livres par pied carré à la vitesse en pieds par seconde.

COEFFICIENT D'EXPOSITION, Ce

Méthode simplifiée

10. Dans la méthode simplifiée du Code de 1977(l), le coefficient d'exposition Ce est exacte- ment le même que l'ancien coefficient de hauteur Ch des éditions précédentes du Code. Le nom a été modifié de façon à mieux décrire la fonction de ce coefficient lorsqu'il est appliqué à la mé- thode analytique détaillée, dans laquelle il reflète non seulement la variation de la vitesse du vent en fonction de la hauteur, mais aussi les effets des variations du terrain environnant. Dans la mé-

thode simplifiée, Ce est calculé à la puissance 1/5 qui convient aux pressions exercées par les rafa-

les en terrain découvert (les vitesses des rafales sont à la puissance 1 / 10). En principe, la rafale en question dure de 3 à 5 s environ et représente une "parcelle" de vent qui, par hypothèse, exerce son effet sur la totalité de la plupart des bâtiments ordinaires.

Méthode détaillée

11. Dans la méthode détaillée, le coefficient d'exposition Ce est fondé sur le profil de la vitesse moyenne du vent, qui varie considérablement selon la rugosité générale du terrain sur lequel le vent soufflait avant d'atteindre le bâtiment. L'influence du terrain y est beaucoup plus importante que dans le cas du profil de la vitesse d'une rafale, c'est-à-dire de la variation de cette vitesse en fonction de la hauteur, si bien qu'il a fallu établir les 3 catégories suivantes:

Exposition A (terrain ordinaire): terrain plat comportant seulement des bâtiments, des arbres ou autres obstacles dispersés, des étendues d'eau ou leur littoral. C'est le type d'exposition sur lequel sont fondées les vitesses de référence du vent.

Exposition B: banlieues, zones urbaines, terrain boisé ou centres des grandes villes.

Exposition C: centres des grandes villes à forte concentration de bâtiments de grande hauteur. Au moins 50 p. 100 des bâtiments doivent avoir plus de 4 étages.

(15)

: de l'air. La pres- niveau de la mer, Canada: bâtiments au Ca- sions dynamiques >assement par an ne ayant une fré- dément no 1 indi- s données climati- bliographique qui vitesse du vent en rré à la vitesse en

tion Ce est exacte- u Code. Le nom a appliqué à la mé-

: la vitesse du vent .riant. Dans la mé- trcées par les rafa- incipe, la rafale en hypothèse, exerce

: profil de la vitesse main sur lequel le up plus importante de cette vitesse en timents, des arbres d'exposition sur le-

es villes.

(3)

; de grande hauteur.

Dans les équations (2) à (4), Z est la hauteur en pieds, au-dessus du sol.

I

12. Les expositions B ou C ne doivent être utilisées que si la rugosité pertinente du terrain

1

persiste sur une distance d'au moins 1 mille en direction de la provenance du vent. Le coefficient

J _{d'exposition doit être modifié selon le terrain si la rugosité varie d'une direction}_à_{l'autre. Les}

1

changements abrupts de pente près de l'emplacement d'un bâtiment peuvent provoquer des vites-

3

ses de vent bien plus considérables qu'en terrain plat et par conséquent, il se peut qu'il faille opter

i pour l'exposition A en pareils cas, bien que la rugosité superficielle semble convenir à une exposi-

i

tion B ou C.

1

I

Utilisation des coefficients d'exposition

?

i _{13. Les coefficients d'exposition peuvent être calculés au moyen des équations (2), (3) ou (4)'}

i

I ou tirés directement des diagrammes de la figure B-1. Ils doivent être appliqués à la pression d u

i _{vent plutôt qu'à sa vitesse; lorsqu'il est nécessaire de déterminer la vitesse horaire moyenne du}

i

1

vent à la hauteur h, il faut extraire la racine carrée de Ce.

1

14. Le coefficient d'exposition intervient de trois façons différentes dans la méthode détaillée.

1 _{Premièrement, la racine carrée d e C e sert}_à_{déterminer la vitesse horaire moyenne du vent, VH, au}

sommet d e la structure:

I

1

On peut obtenir la vitesse d e référence du vent

5

à partir de la pression dynamique de réfé-

1

rence et de la table de conversion donnée dans le Supplément no 1, ou bien, en appliquant l'équa-

1

tion(1).

I

i 16. Deuxièmement, Ce apparaît dans l'équation (7) qui est utilisée pour calculer le coefficient

i

de rafale, Cg. Là encore, C, se calcule au moyen de la hauteur, H, d e la structure.

1

_{17. Troisièmement, C, sert}_à_{calculer les coefficients de pression sur les façades a u vent et}

/

sous le vent des bâtiments hauts et élancés. Sur la façade au vent, Ce varie continuellement en

/

fonction de la hauteur, Z, jusqu'au niveau en question; pour la façade sous le vent, C, est calculé

une seule fois à la moitié de la hauteur H du bâtiment.

I

COEFFICIENT DE RAFALE, Cg

i

I

Méthode simplifiée

18. Le coefficient de rafale indiqué dans les éditions précédentes du Code variait d e 2.04 pour

une vitesse de rafale théorique de 60 mi/h, à 1.84 pour une vitesse de rafale théorique d e 120 mi/h

demeurant le même, qu'il s'agisse du calcul de la structure tout entière ou d'une d e ses parties, telles qu'une fenêtre ou un panneau façade. Dans le CNB de 1977('), le coefficient de rafale corres-

pondant à la méthode simplifiée est de 2.0 pour la structure tout entière et de 2.5 pour les revête-

ments extérieurs ou les fenêtres. Par ailleurs, les conséquences des dommages causés par le vent sont bien moins graves sur les revêtements extérieurs que sur la structure et l'on peut considérer que le risque est raisonnablement faible si l'on prend une probabilité de 1/10 pour la pression du vent dans le calcul des revêtements extérieurs, au lieu des probabilités de 1/30 ou 1/100 exigées

pour le calcul de la structure. Le résultat est que même si l'on peut s'attendre à des rafales de plus

courte durée mais plus violentes sur les petites surfaces (d'où l'exigence d'un coefficient d e rafale de 2.5) l'utilisation d'une pression dynamique de référence plus probable, donc plus faible, permet d'obtenir approximativement la même pression théorique pour un panneau ou une fenêtre que pour la structure. Copyright © NRC 1941 - 2019 World Rights Reserved © CNRC 1941-2019 Droits réservés pour tous pays

(16)

Méthode détaillée

19. La méthode de calcul du coefficient Cg, est donnée en détail ci-après et en comprend un exemple entièrement solutionné. Dans la méthode détaillée, le coefficient de rafale est le rapport de l'effet de chargement de pointe probable à l'effet de chargement moyen. Par conséquent, la valeur de Cg tient compte de l'efficacité variable des différentes grandeurs de rafales et de l'effet d'amplification de la charge qu'elles provoquent en résonance avec la structure en vibration consi- dérée comme libre en tête et à un seul degré de liberté. Cg est défini comme suit:

o = l'écart type de l'effet total de chargement, p = la valeur moyenne de l'effet total de chargement, g = le coefficient de pointe de l'effet total de chargement.

L'écart type divisé par la moyenne o/p, est le "coefficient de variation" de l'effet de chargement total.

K = coefficient lié au coefficient de rugosité superficielle du terrain

= 0.08 pour l'exposition A

= 0.10 pour l'exposition B

= 0.14 pour l'exposition C,

Ce = coefficient d'exposition défini précédemment et obtenu à partir de la figure B-1,

B = coefficient de turbulence d'arrière-plan, obtenu à partir de la figure B-2, en fonction de la hauteur H et de la largeur W de la façade au vent de la structure,

s = coefficient de réduction de grandeur, obtenu à partir de la figure B-3, en fonction du rapport de la largeur W à la hauteur H de la façade au vent de la structure et à la fré- quence réduite,

F = rapport d'énergie de la rafale mesuré à la fréquence propre de la structure et obtenu à

partir de la figure B-4, en fonction du nombre d'ondes (fréquence propre en Hz divisée par la vitesse moyenne du vent en pi/s à la hauteur H de la structure),

B

= rapport d'amortissement critique.

20. Les valeurs suggérées pour les bâtiments sont de 0.01 pour les charpentes en acier et de 0.02 pour celles en béton armé. Par ailleurs, le rapport d'amortissement critique des cheminées en acier soudé peut descendre jusqu'à 0.001 lorsque les amplitudes de déplacement atteignent des valeurs moyennes. Les structures en béton précontraint exempts de microfissures de traction peuvent également avoir de très faibles valeurs d'amortissement.

21. Le coefficient de pointe, g, de l'équation (6) indique le nombre d'écarts types, entre l'effet de la charge de pointe et l'effet de la charge moyenne et est donné à la figure B-5 en fonction du taux moyen de fluctuation. Le taux moyen de fluctuation, v, peut être calculé comme suit:

où

no = fréquence propre de vibration, en Hz

s, F, B, B, sont définis dans l'équation (7).

(17)

Notes explicatives concernant a/p et g

. en comprend un

?ale est le rapport zonséquent, la va- lfales et de l'effet n vibration conside chargement to- igure B- 1, B-2, en fonction de I-3, en fonction du tructure et à la fré- ructure et obtenu à -opre en Hz divisée entes en acier et de te des cheminées en

it atteignent des va- de traction peuvent ts types, entre l'effet B-5 en fonction du omme suit:

22. On peut évaluer la réaction d'un bâtiment haut et élancé aux effets d'une force fluctuant au hasard, en le traitant simplement comme une structure libre en tête, rigide et montée sur ressorts, dont les propriétés dynamiques sont dictées par une seule fréquence propre et une valeur ap- propriée d'amortissement. La variance de la quantité produite, ou effet de chargement, est l'aire comprise sous le spectre de l'apport, c'est-à-dire la force agissante, après multiplication par la fonction de transfert. La fonction de transfert est le carré du coefficient bien connu d'amplification de la charge dynamique d'un système mécanique oscillant a un seul degré de liberté.

23. Lorsque le vent est l'apport aléatoire, son spectre de vitesse doit d'abord être multiplié par une autre fonction de transfert appelée "fonction d'admission aérodynamique" qui, en réalité, décrit la modification de sa turbulence au contact du bâtiment, du moins en ce qui concerne sa ca-

pacité à produire une action sur le bâtiment en question.

24. Pour les besoins du calcul de a/p, le spectre de la vitesse du vent est représenté par une expression algébrique fondée sur des observations réelles. La fonction d'admission aérodynamique est aussi une expression algébrique, calculée d'après des hypothèses simplifiées, mais qui semblent en accord raisonnable avec les observations expérimentales limitées dont on dispose actuellement. Le spectre de la vitesse du vent est une fonction de la fréquence et prend la forme d'une large bosse (figure B-4). L'admission aérodynamique a pour effet de réduire les ordonnées de la courbe du côté droit de la bosse, de faqon de plus en plus prononcée au fur et a mesure que la fréquence augmente. Cela explique en partie la réduction d'efficacité des charges produites par les petites rafales sur une grande surface. Le coefficient d'amplification de la charge dynamique, ou admission

mécanique, a tendance à créer une nouvelle pointe ou bosse dont le centre se trouve à la fréquence

propre de la structure, ordinairement à la droite de la large pointe, qui représente la densité maxi-

male de la puissance d'apport du vent.

25. L'aire comprise sous le spectre de la charge, dont la racine carrée est le coefficient de variation o/p, est égale à la somme de deux composantes qui sont: d'une part, I'aire située sous la large bosse, qui doit être intégrée numériquement pour chaque structure et d'autre part, l'aire si- tuée sous la pointe de résonance, pour laquelle il existe une seule expression analytique. Ces composantes sont représentées dans I'équation (7) par B et sF/B respectivement. On peut considérer que le rapport K/C, modifie le résultat selon le niveau approprié de l'apport de turbulence. Si la résonance est faible, le rapport sF/P le sera également en comparaison de la turbulence d'arrière- plan B et vice versa. Bien que C, soit normalement une fonction de la hauteur, il est calculé dans

I'équation (7) pour une hauteur particulière, qui est ordinairement la hauteur H du bâtiment, et est

traité comme un paramètre à une seule valeur dans le calcul de C g .

26. Si cette méthode de calcul de Cg est utilisée pour des bâtiments ou des parties de bâtiment qui ne dont pas bien représentés par le simple modèle d'une structure libre en tête rigide et oscillant sur une base montée sur ressorts, d'autres sources d'erreur seront introduites, bien qu'elles n'aient peut-être pas une très grande importance lorsque la résonance est faible. En l'absence d'a- nalyse plus précise, la méthode actuelle peut servir de guide pour calculer la charge de pointe d'une rafale sur des bâtiments qui ne sont ni hauts ni élancés, ou même sur des fenêtres ou pan- neaux façades placés du côté au vent des bâtiments. Quand on considère une partie de la façade au vent, il faut utiliser les dimensions de l'élément correspondant à D et à H des équations (7) et (8), la fréquence propre de l'élément lui-même pour n,, et la vitesse V,, Z étant la hauteur de l'é- lément au-dessus du sol, au lieu de la vitesse V, au sommet de la structure. De même, Ce doit, dans ce cas, être calculé à la hauteur Z pour l'équation (7).

27. Le coefficient de pointe, g, dépend du nombre de fois que la valeur moyenne de I'effet de chargement est atteinte pendant une durée de 1 h (3 600 s). D a ~ e n p o r t ( ~ ) a montré que la relation fonctionnelle de la figure B-5 prévaut lorsque la distribution de probabilité de l'effet de chargement moyen accuse une répartition normale (Gaussienne).

(18)

28. L'article 4.1.8.3. du Code de 1977 stipule que les structures doivent résister à une charge partielle ou non équilibrée, aussi bien qu'à la charge totale de calcul. Toutes les structures, en par-

ticulier celles qui sont soumises à une action du vent non équilibrée, tels que les poutres à double

encorbellement, les auvents, les éléments sujets à des renversements de contraintes et les structures

à grande surface frontale, doivent pouvoir résister même si un coefficient dynamique égal à 0.75

Cg est utilisé pour le calcul de l'une quelconque de leurs parties. Exemple de calcul de Cg

29. Le problème suivant montre comment calculer en détail le coefficient de rafale pour un bâtiment ayant les caractéristiques suivantes:

Hauteur: 600 pi

Largeur: 100 pi

Profondeur: 100 pi

Fréquence propre fondamentale: 0.2 Hz

Rapport d'amortissement critique: 0.0 15

Terrain: Exposition B

Vitesse de référence du vent à 30 pi en terrain dégagé: 90 pi/s

Etape 1: Calculer les paramètres requis

Vitesse moyenne du vent au sommet du bâtiment V,, à partir de l'équation (5)

= 90 x \TigO = 123 pi/s (figure B-1)

Rapport d'aspect: W/H = 100/600 = 0.17

Nombre d'ondes pour le calcul de F: n,/V6, = 0.00 163

Fréquence réduite pour le calcul de s: n,H/V6,, = 0.975

Etape 2: Calculer u/p à partir de l'équation (7) (1) K = 0.10 pour l'exposition B (2) C, = 1.90 (d'après la figure B- 1) (3) B = 0.62 (d'après la figure B-2) (4) s = O. 1 1 (d'après la figure B-3) (5) F = 0.28 (d'après la figure B-4) (6) /l = 0.0 15 (donné)

Etape 3: Calculer v à partir de l'équation (8)

(1) no = 0.2 Hz (donné)

Etape 4: Trouver le coefficient de pointe g: (1) g = 3.75 (d'après la figure B-5)

Etape 5: Cg (d'après l'équation (6)) = 1

+

3.75 x 0.375 = 2.4 1 TOURBILLONS ALTERNÉS

30. Les éléments de charpente exposés et élancés et les structures cylindriques hautes et élan- cées, telles que les cheminées d'usines, les tours d'observation et dans certains cas, les bâtiments de

grande hauteur, doivent être calculés pour résister à l'action dynamique des tourbillons. Lorsque

le vent souffle sur un corps prismatique ou cylindrique élancé, des tourbillons se détachent alterna-

tivement d'un côté, puis de l'autre, créant une force fluctuante et perpendiculaire à la direction du

vent, suivant la longueur du corps. Dans ce contexte, on peut considérer qu'une structure est élan- cée si le rapport de la hauteur au diamètre est supérieur à 5. La fréquence, n, de formation des tourbillons alternés et des fluctuations de la force est donnée par:

(19)

ster à une charge tructures, en par- poutres à double :s et les structures mique égal à 0.75 de rafale pour un où n = la fréquence, en Hz,

S = le nombre de Strouhal donné ci-après,

V, = la vitesse moyenne du vent en partie supérieure de la structure tel que définie à l'équa- tion (5)' en pi/s,

D = le diamètre, en pi Pour les cylindres à base circulaire

S = 0.18pourR,<2x105, S = 0.25 pour Re >2

x

105,

V D

i où: le nombre de Reynolds, Re =

"

10'.

1 16

i

Pour les corps à section angulaire, S = 0.15.

1

i 31. Si la structure est libre d'osciller dans un plan normal au vent, de grandes oscillations se

produisent lorsque la fréquence des tourbillons alternés coïncide avec la fréquence propre de la

i

structure. L'influence dynamique est approximativement équivalente à l'influence de la force stati-

2

que par unité de hauteur, FL, agissant dans la direction des oscillations:

i 0.5

1

F~ = - CLD q,,

B

i

1

où

I

B

= le rapport d'amortissement critique défini dans l'équation (7),

i

CL = 0.2 pour les cylindres à base cylindrique,

1 _q,, = la pression dynamique critique correspondant à la vitesse moyenne de vent qui produit

1

la résonance.

1

32. Dans le cas des cheminées tronconiques, il y a une certaine réduction de la longueur sur

I laquelle agissent les forces des tourbillons. Si le diamètre d'un tronçon de cheminée à la hauteur Z

i _{est DZ, la vitesse}_à_{laquelle les tourbillons se détachent de ce tronçon en résonance avec la struc-}

1 _{ture est donnée par l'équation}_(9),_{où n est égal}_à_{la fréquence de résonance de la cheminée. La}

i

_{hauteur sur laquelle agissent ces forces de tourbillons en résonance est alors donnée par la hauteur}

1 de cheminée sur laquelle le diamètre ne change que de st 5 p. 100 par rapport à la valeur Dz.

\

Donc, dans le cas des cheminées tronconiques, l'excitation des tourbillons se produit sur une

c

i , gamme de vitesses du vent correspondant à la variation de diamètre de la cheminée. Pour chaque

i

1 vitesse, la force de fluctuation n'agit que sur un tronçon limité de la cheminée.

P

i

iques hautes et élan- cas, les bâtiments de tourbillons. Lorsque se détachent alterna- aire à la direction du ne structure est élan- n, de formation des

COEFFICIENTS DE PRESSION

33. Les coefficients de pression sont les rapports non dimensionnels des pressions exercées par le vent sur un bâtiment à la pression dynamique de la vitesse du vent, mesurée ordinairement au sommet du bâtiment, dans le courant d'air non perturbé. Les pressions exercées à la surface des structures varient considérablement selon leur forme, la direction du vent et son profil de la vitesse. Les coefficients de pression sont ordinairement déterminés à partir d'essais en soufflerie sur des modèles de bâtiments à échelle réduite, bien que dans quelques cas récents, des mesures aient été prises directement sur des bâtiments en vraie grandeur. Dans la plupart des cas, il est essentiel de mesurer ces pressions en soufflerie où le profil exact de la vitesse est simulé; les expériences réa- lisées en écoulement uniforme peuvent être très t r o m p e u s e ~ ( ~ ) J ~ ) .

(20)

34. Les coefficients de pression donnés aux figures B-6 à B-20 sont des valeurs moyennes

temporelles, c'est-à-dire qu'ils se rapportent à la valeur moyenne de la pression sur une surface. E n

outre, tous les coefficients de pression, sauf ceux de pression locale, Cp*, représentent ordinairement une pression moyenne spatiale. Les pressions maximales et minimales locales agissant sur une petite surface sont désignées par Cp* et conviennent au calcul des revêtements extérieurs.

35. Les coefficients de pression intérieure Cpi définissent l'action du vent sur la pression de

l'air à l'intérieur du bâtiment et sont nécessaires au calcul du revêtement extérieur et des éléments

secondaires supportant les ensembles de murs et de toits. A l'instar des coefficients de pression ex-

térieure, les Cpi sont des moyennes temporelles, mais, à moins.qu'i1 n'existe de grandes ouvertures

entre l'intérieur du bâtiment et les régions où règnent des valeurs extrêmes de la vitesse du vent, de sa pression ou de sa succion (murs au vent et murs latéraux), la pression intérieure instantanée maximale ne sera guère différente de la moyenne temporelle. D'un autre côtè, si la perméabilité du bâtiment augmente progressivement, les rafales de vent exerceront une action croissante, en pro- voquant une pression intérieure tantôt maximale, tantôt nulle. Pour le moment, le concepteur a toute la liberté de décider, dans les cas douteux, s'il faut ou non appliquer le coefficient de rafale, Cg, aux coefficients de pression intérieure (équation b) du paragraphe 4.1.8.1.2) du CNB).

36. Les figures B-6, B-7 et B-8 donnent des valeurs de coefficients de pression qui suffisent aux besoins généraux de 2 classes de structures. Sauf indication contraire, les coefficients de pression sont fondés sur les pressions de vitesse au sommet du bâtiment. Les coefficients de pression

de diverses autres structures qui ont été soumises à des essais en écoulement turbulent peuvent

être obtenus à partir de la référence (8).

37. Les figures B-9 à B-20 sont fondées sur les essais en soufflerie où le profil exact de la vitesse et la turbulence du vent n'ont pas été simulés et doivent, par conséquent être utilisées avec

prudence. Ces figures sont identiques aux tableaux 20 à 31 des éditions de 1961 et 1965 du Sup-

plément no 3 utilisées conjointement avec les éditions 1960 et 1965 du Code national du bâtiment,

à part quelques suppressions et corrections. Elles sont fondées sur les Normes S.I.A. de la Société

suisse des Ingénieurs et des Architectes, no 160, publiées en 1956(10).

Structures arrondies

38. Dans les structures arrondies (contrairement aux structures angulaires) les pressions varient en fonction de la vitesse du vent, selon le nombre de Reynolds,

%,

(défini à la suite de l'é-

quation (9)). Aux figures B-1 1, B-12, B-15 et B-20, qui ont été traduites et reproduites à partir des

tableaux suisses(l0), le nombre de Reynolds est exprimé par d q , où d est le diamètre, en pieds, de

la sphère ou du cylindre, et q est la pression dynamique en livres par pied carré. Pour convertir au

nombre de Reynolds, il faut multiplier d F q par 1.8 x 105.

39. La rugosité des structures arrondies peut revêtir une importance considérable. Les structures ordinaires en briquetage soigné sans crépi, peuvent être considérées comme ayant une surface "moyennement lisse" (figure B-11). Les surfaces avec des nervures en saillie de plus de 2 p. 100 du diamètre sont considérées comme "très rugueuses". En cas de doute, on recommande d'utiliser les valeurs de C, qui donnent les plus grandes forces. Dans le cas des objets cylindriques ou sphériques comportant une proportion appréciable de nervures raidisseuses, de supports et d'élé- ments structuraux en saillie, les coefficients de pression dépendent du type, de l'emplacement et de la grandeur relative de ces rugosités.

Formation de glace

40. Dans les endroits où peuvent se produire simultanément des vents très forts et de la glace, il faut calculer les éléments de charpente et les câbles en admettant qu'ils sont recouverts d'une

couche de glace correspondant aux conditions climatiques et à l'expérience locales. En cas de for-

mation de glace, il faut utiliser les valeurs de C, données au tableau B-15 pour les gros câbles et une surface rugueuse.

(21)

valeurs moyennes sur une surface. En ésentent ordinaire- ocales agissant sur nts extérieurs.

sur la pression de eur et des éléments :nts de pression ex- grandes ouvertures . vitesse du vent, de érieure instantanée i la perméabilité du croissante, en pro- nt, le concepteur a oefficient de rafale, du CNB).

ession qui suffisent :oefficients de pres- ficients de pression turbulent peuvent

'rofil exact de la vi- t être utilisées avec 61 et 1965 du Sup- tional du bâtiment, S.I.A. de la Société

:s) les pressions va- ini à la suite de l'é- .oduites à partir des amètre, en pieds, de

CI. Pour convertir au

;idérable. Les stnic- nme ayant une sur- illie de plus de 2 p. recommande d'uti- jets cylindriques OU le supports et d'élé- l'emplacement et de s forts et de la glace, )nt recouverts d'une cales. En cas de for- ur les gros câbles et

Eléments de charpente

41. Aux figures B- 16, B-17, B-19 et B-20, les coefficients de pression affectés de l'indice CO s'appliquent aux éléments de charpente de longueur infinie et doivent être multipliés par un coefficient de réduction, k, dans le cas des éléments de longueur finie. Si l'élément est en saillie par raport à une grande plaque ou à un mur, le coefficient de réduction, k, doit être calculé pour un

élancement égal à deux fois la longueur réelle. Si l'élément se termine aux deux extrémités par de

grandes plaques ou par des murs, il faut utiliser les coefficients de réduction correspondant aux longueurs infinies.

Effet de masque

42. Dans le cas des éléments placés les uns derrière les autres selon la direction du vent, l'effet de masque peut être pris en compte. L'élément au vent et les parties de l'élément sous le vent qui ne sont pas protégées doivent être calculés en prenant la pression totale, q, alors que les parties masquées de l'élément sous le vent doivent être calculées en prenant la pression réduite, q,, selon la figure B- 18.

43. Dans les constructions à sections circulaires pour lesquelles d\Tq<2.5 et AJA50.3, les

coefficients imputables à l'effet de masque peuvent être obtenus, par approximation, à partir de la

figure B-18. Si d\Tq>2.5, l'effet de masque est faible et pour un rapport de perméabilité

As/A<0.3, il peut être pris en compte, en le multipliant par un coefficient k, = 0.95, dit coefficient

d'effet de masque.

FLÈCHES HORIZONTALES DES BATIMENTS DE GRANDE HAUTEUR S O U S L'ACTION DU VENT

44. Du point de vue de la tenue en service et du confort, il peut s'avérer nécessaire de prendre

en compte les flèches horizontales provoquées par l'action du vent sur les bâtiments de grande

hauteur. Il y a une tendance générale à construire des structures plus flexibles, tendance qui s'ex-

plique en partie par le fait qu'il est actuellement possible d'obtenir une résistance suffisante en uti-

lisant des matériaux à plus haute résistance qui n'augmentent pas pour autant la rigidité.

45. On peut considérer comme symptôme de mauvaise tenue en service du point de vue ap- parence, les fissures de la maçonnerie et des revêtements intérieurs de finition. Une flèche

horizontale d'au plus 1/250 à 1 / 1 000 de la hauteur du bâtiment devrait seule être tolérée à moins

que des précautions ne soient prises en vue de permettre le mouvement des cloisons sans qu'elles subissent de dommages. A moins d'effectuer une analyse détaillée, il faut utiliser une flèche de

1 /500, conformément au paragraphe 4.1.1.5.4) du CNB de 1977. Mouvement du bâtiment provoqué par le vent

46. Bien qu'on constate généralement que l'action d u vent et la flèche horizontale maximales se produisent dans une direction parallèle au vent, c'est toutefois dans une direction perpendiculaire au vent que peut se produire l'accélération maximale d'un bâtiment, qui peut provoquer un mouvement ou même des impressions désagréables perceptibles par l'homme. Les accélérations perpendiculaires au vent dépasseront probablement celles qui se roduisent dans le sens du vent, si le bâtiment est élancé suivant ses deux axes, c'est-à-dire, si

@

W D / H est inférieur à 1/3; W et D étant les dimensions en plan, perpendiculaires et parallèles au vent, et H la hauteur du bâtiment.

47. Bien que ce sujet soit traité de façon quelque peu sommaire, les directives suivantes peu-

vent aider le concepteur. Au cours de nombreux essais en soufflerie à couche limite turbulente, on

a constaté que l'accélération maximale dans la direction perpendiculaire au vent, au sommet d'un bâtiment, peut être déterminée au moyen de l'équation suivante:

(22)

48. Dans le cas des structures moins élancées et à des vitesses de vent plus faibles, l'accéléra- tion maximale peut se produire dans le sens parallèle au vent et être déterminée au moyen de l'é- quation suivante:

où:

W, D = dimensions, en pi, du bâtiment, dans les directions parallèle et perpendiculaire au vent,

a,, aD = accélération maximale, en pi/s2, dans les directions perpendiculaire et parallèle au

vent,

4 = 0.0005 [vH/(nw m l ) - 3 ,

YB = poids volumique moyen du bâtiment en lb/pi3,

Pw,

PD

= fraction d'amortissement critique dans les directions perpendiculaire et parallèle au

vent,

nw, nD = fréquences propres fondamentales, en Hz, dans les directions perpendiculaire et

parallèle au vent,

A = flèche horizontale maximale, en pi, provoquée par le vent au sommet du bâtiment,

dans la direction parallèle au vent,

g, K, s, F, Ce, Cg ont été définis précédemment à l'équation (7).

Remarque: D'après les définitions antérieures,

PD

=

B

et nD = no.

49. Bien qu'on reconnaisse que de nombreux autres facteurs, tels que les indices visuels, la

positon et l'orientation du corps, ainsi que l'état d'esprit, exercent une influence sur la perception du mouvement, il semble qu'à partir du moment où l'amplitude de l'accélération tombe dans la gamme comprise entre 0.5 et 1.5 p. 100 de l'accélération de la pesanteur, la plupart des gens peuvent percevoir le mouvement d'un bâtiment(l1)~ (1219 (13).

50. Sur la foi des renseignements précédents et de certains autres, on recommande provisoire-

ment d'accepter comme limite, l'apparition une fois en dix ans d'une accélération égale à 1 à 3 p.

100 de celle de la pesanteur; avec les équations (1 1) et (12), on peut prendre la plus faible valeur

pour les immeubles à appartements et la plus forte pour les immeubles à bureaux. Les résultats ob-

tenus au moyen des équations (1 1) et (12) sont ordinairement prudents, dans la mesure où l'on suppose que le vent vient toujours de la direction la plus défavorable; c'est d'ailleurs ce facteur qui a été pris en compte dans l'établissement de la limite mentionnée ci-dessus. Si le concepteur dispose de renseignements plus complets, il peut prendre les dispositions qui s'imposent.

51. Compte tenu de la sensibilité relative des deux équations (1 1) et (12) à la fréquence pro-

pre des vibrations, et de celle de l'équation (12) à la rigidité correspondante du bâtiment, on re-

commande de déterminer ces caractéristiques en ayant recours à des méthodes assez rigoureuses

et d'utiliser les équations approximatives avec prudence. Par exemple, l'adoption d'une fréquence propre de 10/N, où N est le nombre d'étages, peut ne pas concorder avec l'hypothèse selon la-

quelle le déplacement sous l'action du vent risque d'atteindre une valeur égale à H/500.

52. En l'absence d'analyse plus rigoureuse, on peut relier la flèche maximale résultant de la

charge statique équivalente du vent à la fréquence fondamentale du bâtiment, en ayant recours à

une représentation modale du mouvement de ce dernier. On peut considérer que les hypothèses suivantes sont acceptables:

(1) Utiliser uniquement le premier mode, en supposant une répartition linéaire

(23)

faibles, l'accéléra- : au moyen de l'é- >erpendiculaire au rire et parallèle au aire et parallèle au perpendiculaire et nmet du bâtiment,

1 t

indices visuels, la e sur la perception ion tombe dans la ipart des gens peu-

imande provisoire- ion égale à 1 à 3 p. r plus faible valeur

x. Les résultats ob- la mesure où l'on leurs ce facteur qui

le concepteur dis- x e n t. à la fréquence pro- lu bâtiment, on re- :s assez rigoureuses on d'une fréquence ~ypothèse selon la-

. H/500.

nale résultant de la

en ayant recours à

que les hypothèses aire

(13)

(2) Répartition uniforme de la masse du bâtiment

En conséquence de la représentation modale

où:

+(Z) = vecteur caractéristique fondamental,

r,, r2 = constantes,

m(Z) = répartition de la masse du bâtiment selon la hauteur Z, O<Z<H, en slugs/pi,

go = accélération de la pesanteur = 32.2 pi/s2,

u(Z) = déplacement à la hauteur Z, en pi, O<Z<H,

P(Z) = répartition de la pression statique équivalente du vent suivant la hauteur Z, en

lb/pi2, O<Z< H.

Les autres symboles correspondent aux définitions domees précédemment. Les équations (l3), (14) et (15) donnent:

Les équations (16), (17) et (18) donnent:

En reportant la valeur de l'équation (19) dans l'équation (16), la flèche à la hauteur H devient:

P(Z) prend éventuellement la forme d'une variation exponentielle atteingnant un maximum en partie supérieure de la structure, soit qC,C,C,

où: C, = 0.8 - (-0.5) = 1.3 et a est l'exposant approprié utilisé dans les équations (2). (3) et (4).

En reportant la valeur des équations (20) et (21) dans (12) on obtient

(24)

53. Exemple de calcul de aw et de a ~ . L'exemple suivant donne le calcul détaillé de a w et de a D au moyen des équations (1 1) et (12)' et en utilisant les données du paragraphe 29 pour le calcul du coefficient de rafale:

Supposons que: nw = n, = 0.2 Hz

Bw

=

PD

= 0.015

y, = I l lb/pi3 Etape 1: Calcul de a,:

ar = 0,0005 (1 23/(0.2 X 100))3.3

= 0.201

Etape 2: Calcul de aw:

a, = 0.2

x

0.2

x

3.75

x

100 0.20 1 = 2.24 pi/s2 a,/go = 6.9 p. 100 Etape 3: Calcul de q q = 0 . 0 0 1 2 6 ~ 9 0 ~ 9 0 = 10.2 1b/pi2 Etape 4: Calcul de a D / ~

54. Dans cet exemple, il est évident que les accélérations dans le sens perpendiculaire au vent éclipsent celles qui sont dans le sens parallèle au vent. Le tableau B-1 indique les résultats des calculs effectués pour 5 bâtiments types (généralement pour des directions du vent selon les deux

axes), à 3 différentes pressions dynamiques de référence et à 3 endroits différents. Le cas 5 est celui

du bâtiment étudié dans l'exemple ci-dessus et où les pressions dynamiques de référence correspondent respectivement aux villes de Montréal, Toronto et Vancouver.

Différences de pression sur les murs intérieurs et les cloisons

55. Il peut se produire des différences de pression considérables sur les murs intérieurs et les

cloisons des bâtiments de grande et de faible hauteur construits dans les endroits exposés, si des fenêtres se brisent au cours d'une tempête. En certains endroits, c'est comme si la différence totale de pression entre le côtè au vent et le côté sous le vent du bâtiment était appliquée sur le mur inté- rieur ou la cloison. Cela pourrait survenir par exemple si des débris volants brisaient une grande fenêtre située du côté au vent et si toute la pression positive s'exerçait sur les murs d'une petite pièce où se trouve cette fenêtre. Les mêmes conditions pourraient se présenter dans un immeuble d'appartements lorsqu'on ouvre les portes extérieures ou les fenêtres. Cette différence de pression pourrait s'aggraver par suite des effets de tirage qui se produisent en hiver dans les bâtiments de grande hauteur. D'autre part, l'expérience générale révèle que la rupture des murs intérieurs est ra-

rement imputable à une telle cause et, on en déduit qu'il n'est pas toujours nécessaire de calculer

les murs intérieurs et les cloisons pour résister à la différence de pression maximale possible. On peut s'en tenir dans les calculs, à une différence de pression de l'ordre de 10 lb/pi2.

ÉTAPES DE CONSTRUCTION

56. Il convient de signaler qu'une structure peut changer de forme au cours de son montage. Par conséquent, l'action du vent peut être temporairement plus élevée au cours de son montage qu'après son parachèvement(l3). Il faut prendre en compte cet accroissement d'action, en utilisant les coefficients pertinents des figures B-6 à B-20.