Physique du toit

En tant qu’enveloppe de bâtiment, le toit est exposé à un certain nombre de facteurs étroitement liés aux processus qui se déroulent à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment. Ces facteurs comprennent notamment:

• précipitation;
• vent;
• radiation solaire;
• les variations de température;
• la vapeur d’eau contenue dans l’air intérieur du bâtiment;
• substances chimiquement agressives dans l’air;
• activité vitale des insectes et des micro-organismes;
• charges mécaniques.

Précipitation

La fonction de protection du bâtiment contre les précipitations atmosphériques est attribuée à l’élément le plus élevé du toit – le toit. Pour évacuer l’eau de pluie, la surface du toit est inclinée. La tâche du toit est de ne pas laisser l’eau pénétrer dans les couches sous-jacentes.

Les matériaux de toiture souples qui forment un tapis scellé continu sur la surface du toit (rouleaux et mastic, membranes polymères) font un bon travail avec cette tâche. Lors de l’utilisation d’autres matériaux, les précipitations atmosphériques avec de petites pentes de toit, en particulier dans des conditions météorologiques défavorables (pluie ou neige, accompagnées de vents violents) peuvent pénétrer sous le revêtement du toit. Dans de tels cas, une couche d’étanchéité supplémentaire est disposée sous le toit, qui est la deuxième ligne de protection contre les précipitations atmosphériques..

Une tâche importante est l’organisation du système de drainage – interne ou externe.

La neige exerce une charge statique supplémentaire sur le toit (charge de neige). Il peut être assez grand, il doit donc être pris en compte lors du calcul de la charge totale sur la structure du toit. Cette charge dépend de la pente du toit. Dans les zones enneigées, la pente est généralement faite davantage pour que la neige ne s’attarde pas sur le toit. Dans le même temps, sur les toits en pente, il est conseillé d’installer des éléments de rétention de neige qui ne permettent pas à la neige de tomber comme une avalanche, menaçant ainsi la santé des passants, déformant souvent la façade du bâtiment et désactivant le système de drainage externe..

Fig. 1

L’un des problèmes importants dans les zones enneigées est la formation de glace et de glaçons sur les toits. La glace devient souvent une barrière qui empêche l’eau de pénétrer dans la gouttière, l’entonnoir à eau ou tout simplement de s’écouler. Lors de l’utilisation de toitures non hermétiques (toitures métalliques, tous types de bardeaux), l’eau peut pénétrer dans le toit, formant des fuites. Le mécanisme de formation du givrage et les moyens de lutter contre ce phénomène sont discutés en détail dans la section Systèmes d’antigivrage pour toitures.

Vent

Les courants de vent, rencontrant un obstacle sous la forme d’un bâtiment sur le chemin, le contournent, en conséquence, des zones de pression positive et négative se forment autour du bâtiment (Fig.2).

fig.2

L’ampleur de la pression négative résultante exerçant une action de déchirement sur le toit dépend de nombreux facteurs. Le plus défavorable à cet égard est le vent qui souffle sur le bâtiment à un angle de 45⁰. Le plan du toit du bâtiment, qui montre la distribution de la pression négative à une direction du vent de 450, est illustré à la Fig. 3.

fig.3

La force de déchirement du vent peut être suffisante pour endommager le toit (cloques, arrachement d’une partie des revêtements, etc.). Elle augmente surtout lorsque la pression augmente à l’intérieur du bâtiment (sous la base du toit) en raison de la pénétration de l’air à travers les portes et fenêtres ouvertes du côté sous le vent ou à travers des fissures dans la structure. Dans ce cas, la force de déchirement du vent est déterminée par deux composantes: à la fois la pression négative au-dessus du toit et la pression positive à l’intérieur du bâtiment. Par conséquent, pour éliminer le risque d’endommagement du toit, sa base est rendue aussi étanche que possible (Fig. 4). Une fixation mécanique supplémentaire du matériau de toiture à la base est souvent effectuée..

fig.4

Les parapets sont utilisés pour réduire la pression négative. Cependant, il convient de garder à l’esprit qu’ils peuvent non seulement diminuer mais aussi augmenter la pression négative. Si les parapets sont trop bas, la pression négative peut être encore plus élevée que sans eux..

Radiation solaire

Différents matériaux de toiture ont une sensibilité différente au rayonnement solaire. Ainsi, par exemple, le rayonnement solaire n’a pratiquement aucun effet sur les carreaux de céramique et de ciment-sable, ainsi que sur les toitures métalliques sans revêtement polymère appliqué sur eux..

Les matériaux à base de bitume sont très sensibles au rayonnement solaire: l’exposition aux rayons ultraviolets accélère le processus de vieillissement. Par conséquent, en règle générale, ils ont une couche protectrice supérieure de pansement minéral. Pour protéger les matériaux modernes du vieillissement, des additifs spéciaux (modificateurs) sont introduits dans la composition de bitume.

Un certain nombre de matériaux, sous l’influence du rayonnement ultraviolet, perdent leur couleur d’origine (se fanent) avec le temps. Les toits métalliques avec certains types de revêtements polymères sont particulièrement sensibles à ce rayonnement..

L’énergie solaire radiante, tombant sur le toit, est partiellement absorbée par les matériaux de toiture. Dans le même temps, les couches supérieures du toit peuvent être considérablement chauffées (parfois jusqu’à 100 ° C), ce qui affecte également leur comportement. Ainsi, par exemple, les matériaux à base de bitume se ramollissent à des températures suffisamment élevées et, dans certains cas, peuvent glisser des surfaces de toit en pente. Matériaux de toiture thermosensibles et métalliques avec certains types de revêtements. Par conséquent, lors du choix d’un matériau de toiture à utiliser dans les régions du sud, vous devez vous assurer qu’il a une résistance à la chaleur suffisante..

Les variations de température

En tant qu’enveloppe de bâtiment, le toit fonctionne dans un régime de température assez sévère, subissant des variations de température à la fois spatiales et temporelles. En règle générale, sa surface inférieure (plafond) a une température proche de celle de la pièce. Dans le même temps, la température de la surface extérieure varie dans une plage assez large – de valeurs négatives très importantes (en hiver, nuit glaciale) à des valeurs proches de 100 0C (en été, journée ensoleillée). La température de la surface extérieure du toit, en même temps, peut être hétérogène en raison de l’illumination solaire inégale de ses différentes parties.

Mais, comme vous le savez, tous les matériaux sont soumis à un étirement thermique et à une compression à un degré ou à un autre. Par conséquent, afin d’éviter la déformation et la destruction, il est très important que les matériaux travaillant dans une seule structure aient des coefficients de dilatation thermique similaires. Pour augmenter la résistance du toit aux charges thermiques, un certain nombre de solutions techniques sont également utilisées. En particulier, dans les toits plats, pour limiter l’effet des mouvements horizontaux et des contraintes internes excessives, des nœuds de déformation spéciaux sont posés.

Un grave danger pour presque tous les matériaux de toiture (à l’exception des revêtements métalliques) est représenté par des baisses de température fréquentes, parfois quotidiennes, de plus à moins. Cela a tendance à se produire dans les régions aux hivers doux et humides. Par conséquent, dans de telles zones climatiques, il est nécessaire de prêter une attention particulière à une caractéristique aussi importante des matériaux de toiture que l’absorption d’eau. Avec une forte absorption d’eau, l’humidité à des températures positives pénètre et s’accumule dans les pores du matériau, et à des températures négatives, elle gèle et, en se dilatant, déforme la structure même du matériau. Le résultat est une destruction progressive du matériau, conduisant à la formation de fissures.

Le toit doit non seulement résister aux variations de température importantes, mais également en protéger de manière fiable l’intérieur du bâtiment, en le protégeant du froid en hiver et de la chaleur en été. Le rôle de la barrière thermique dans la structure du toit appartient à la couche d’isolation thermique. Pour que le matériau d’isolation thermique remplisse sa fonction, il doit être aussi sec que possible. Avec une augmentation de l’humidité de seulement 5%, la capacité d’isolation thermique du matériau est presque divisée par deux.

Vapeur d’eau

De la vapeur d’eau est constamment générée à l’intérieur du bâtiment en raison des activités humaines (cuisine, lavage, bain, lavage des sols, etc.). L’humidité est particulièrement élevée dans les bâtiments nouvellement construits ou rénovés. Au cours du processus de diffusion et de transfert convectif, la vapeur d’eau monte et, se refroidissant à une température inférieure au point de rosée, se condense dans l’espace sous le toit (Fig. 5). La quantité d’humidité générée est plus élevée, plus la différence de température à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment est grande.Par conséquent, en hiver, l’humidité s’accumule assez intensément dans l’espace sous le toit.

fig.5

L’humidité affecte négativement les structures de toit en bois et en métal. Avec un excès, il commence à s’écouler à l’intérieur, formant des fuites au plafond. Les conséquences les plus désagréables sont l’accumulation d’humidité dans le matériau isolant thermique, ce qui, comme déjà mentionné, réduit fortement ses propriétés d’isolation thermique..

Une barrière importante à la pénétration de la vapeur dans l’espace sous le toit est un film spécial à faible perméabilité à la vapeur, qui est placé dans la structure du toit directement sous l’isolation thermique. Cependant, aucun matériau pare-vapeur n’est capable d’exclure complètement le flux de vapeur de l’intérieur du bâtiment vers l’espace sous le toit. Par conséquent, pour que le toit ne perde pas sa capacité d’isolation thermique d’année en année, il est nécessaire que toute l’humidité accumulée dans le matériau isolant thermique en hiver sorte à l’extérieur en été..

Cette tâche est résolue par des mesures constructives. En particulier, pour les toits plats, il est recommandé de ne pas coller en continu mais partiellement les matériaux de toiture à la base.

Des fentes de ventilation spéciales sont disposées dans des toits en pente (Fig. 6). En règle générale, il y en a deux: l’espace supérieur et l’espace inférieur. Grâce à l’espace supérieur (entre la toiture et l’étanchéité), l’humidité atmosphérique emprisonnée sous la toiture est éliminée. Grâce à la ventilation, les structures en bois (contre-treillis et lattes) sont constamment ventilées, ce qui garantit leur durabilité. Grâce à la fente de ventilation inférieure, l’humidité est éliminée, pénétrant dans l’isolant depuis l’intérieur. Disposition de haute qualité du pare-vapeur du côté de l’intérieur et présence d’un espace de ventilation inférieur suffisant, exclut l’engorgement de la structure du toit.

fig.6

Notez que lorsque des membranes respirantes sont utilisées comme matériaux d’étanchéité, il n’est pas nécessaire de prévoir un espace de ventilation inférieur..

Pour assurer une bonne circulation de l’air, de nombreuses entreprises qui produisent des matériaux de toiture pour les toits en pente proposent en règle générale un certain nombre d’éléments de ventilation comme éléments supplémentaires: aérateurs de surplomb, aérateurs de faîtage, grilles de ventilation et pour les toits en tuiles – tuiles de ventilation spéciales.

La protection la plus fiable contre la vapeur d’eau est particulièrement nécessaire dans les toits au-dessus de pièces à forte humidité: piscines, musées, salles informatiques, hôpitaux, certains locaux industriels, etc. La protection contre la vapeur doit également faire l’objet d’une attention particulière lors de la construction dans des zones à climat extrêmement froid, même avec une humidité intérieure normale. Lors de l’analyse des conditions environnementales et des conditions de température et d’humidité à l’intérieur des locaux, on peut émettre des hypothèses sur la possibilité de condensation d’humidité et son accumulation, et, en utilisant diverses combinaisons de composants de toiture, essayer d’éviter ces phénomènes..

Substances chimiquement agressives dans l’air

En règle générale, dans les grandes villes ou à proximité de grandes entreprises dans l’atmosphère, il existe une concentration assez élevée de substances chimiquement agressives, par exemple le sulfure d’hydrogène et le dioxyde de carbone. Par conséquent, pour tous les éléments structurels des toits et, en particulier, pour les toits dans ces zones, il est nécessaire d’utiliser des matériaux résistants aux produits chimiques présents dans l’air..

Activité vitale des insectes et micro-organismes

Divers insectes et micro-organismes peuvent causer des dommages importants à la structure du toit, en particulier aux éléments en bois. Une humidité élevée est un environnement particulièrement favorable pour leur vie. Pour protéger les structures en bois, des imprégnations spéciales sont utilisées pour protéger le matériau des micro-organismes.

Charges mécaniques

La structure du toit doit résister aux charges mécaniques, à la fois permanentes (statiques) – des éléments de remplissage et d’installation, et temporaires – de la neige, du mouvement des personnes et des équipements, etc. Les charges associées aux mouvements possibles entre le toit et les nœuds du bâtiment sont également temporaires..

Ainsi, pour que le toit remplisse ses fonctions de manière fiable et résiste à divers types d’influences (énumérées ci-dessus), il est nécessaire: premièrement, il suffit de calculer correctement la pièce d’appui; deuxièmement, trouvez la meilleure option de conception; et enfin, troisièmement, assurer la combinaison optimale des matériaux de construction.

De tout ce qui a été dit, il s’ensuit que les couches principales suivantes peuvent être présentes dans la structure du toit (Fig.7):

fig.7

• matériau de toiture, sur lequel une couche supplémentaire est appliquée, si nécessaire (habillage, ballast, etc.);
• couche d’étanchéité (sur les toits en pente) – isole en outre les couches internes du toit de la pénétration de l’humidité atmosphérique;
• isolation thermique – fournit une température de l’air assez stable dans les locaux;
• pare-vapeur – empêche la vapeur d’eau de pénétrer dans la structure du toit depuis l’intérieur du bâtiment;
• base.

La structure du toit doit être pourvue de mesures pour une libre circulation de l’air (ventilation).

Le besoin de certaines couches et leur emplacement dépendent du type de bâtiment et des effets auxquels il sera exposé. Lors du choix, il faut également prendre en compte les caractéristiques techniques des matériaux utilisés: coefficients de dilatation thermique et de compression; résistance ultime à la traction, à la compression et au cisaillement; caractéristiques de perméabilité à la vapeur et d’absorption d’humidité; caractéristiques de vieillissement, incl. une fragilité accrue et une perte de résistance thermique; élasticité; résistance au feu. L’importance de toutes les caractéristiques techniques ci-dessus est déterminée par chaque cas spécifique.