Tenue au vent

Un article de TerraWiCotta.

Pendant une tempête, les tuiles sont soumises à de très grandes sollicitations.

Pression/ dépression

Un vent violent crée des variations de pression autour de la toiture et dans le comble. Des surpressions apparaissent sur la face au vent, spécialement sur les bordures du toit (rives, faîte, égouts), et des dépressions sont observées sous le vent où il y a beaucoup de turbulences. On observe des pressions intermédiaires dans le comble suivant la porosité à l’air de la toiture et les fuites à travers le bâtiment. Ces variations de pression dépendent de différents facteurs :

• vitesse du vent non perturbé (en vitesse moyenne et en rafales) ;
• zone géographique et exposition du site (proximité de collines, vallons, constructions…). Des zones de vent sont généralement définies dans les différents pays de l’union. On a créé en France métropolitaine quatre zones de vent et 3 types de sites (protégé, normal, exposé). Pour chaque zone et site défini précédemment, les règles Neige et Vent 65/99 indiquent les vitesses maximales de vent à considérer dans un projet ainsi que les pressions et dépressions de conception pour le bâtiment; Ces cartes seront prochainement réactualisées dans le cadre des travaux des commissions de normalisation de l’Euro code 1 – partie vent.
• orientation du vent par rapport au toit : perpendiculaire au faîte, parallèle au faîte, ou intermédiaire ;
• dimensions du bâtiment : sa largeur, la hauteur du faîte et la taille du versant du toit. Le vent a plus de difficulté à contourner un obstacle massif et les surpressions y sont plus grandes ;
• forme et complexité du toit (1 pan, 2 pans, chiens assis, noue…), pente des pans ;
• perméabilité à l’air de la couverture de tuile, avec ou sans écran de sous toiture, avec ou sans chatières, comble habité ou non, isolé ou non, etc. ;
• la position exacte sur la toiture, au vent/sous le vent, en plain carré ou proche du faîte, en rive et en égout ainsi que la présence de cheminées et mobiliers de toiture qui peuvent créer des perturbations locales.

Mécanismes d’envol en tempête

Les études de dommage et les essais en soufflerie montrent que les tuiles en rive latérale, faîte et égout ainsi que les accessoires de toiture se détachent au vent et sont entraînés par le courant dès que leur fixation cède. Par contre, les tuiles en partie courante, quand il n’y a pas d’écran de sous toiture, ne se détachent pas au vent car elles sont plaquées par la surpression. Elles se détachent sous le vent. Avec un vent de 62 m/s perpendiculaire au faîte, on a mesuré au vent des surpressions de 660 Pa (soit 25 % de la pression d’arrêt) et une dépression de -300 à -350 Pa sous le vent. Cette dépression produit une force aspirante de 350 N sur un m2 de toiture, ce qui est proche du poids de la toiture. Et les tuiles se détachent effectivement si elles ne sont pas fixées. Cependant l’envol de la tuile en partie courante sous le vent ne se fait pas instantanément. Au contraire, on observe d’abord que la tuile se soulève partiellement avec sa rangée et se referme pendant un certain nombre de cycles en pivotant sur les liteaux avant de se détacher. On parle du « pianotage » des tuiles. Sur les tuiles à emboîtement, un côté est libre de se soulever et l’autre est gêné par les emboîtements. Il faut donc un certain nombre de cycles pour qu’une tuile grimpe sur le liteau et sorte des emboîtements avant de se détacher. Quand la tuile se décroche, le trou formé permet un équilibrage instantané de la pression dans le comble ; la tuile n’est pas entraînée par le vent mais elle glisse sur la toiture. Cet effet soupape provoqué par le détachement de la première tuile est un facteur de protection des toitures en tuile. C’est la raison pour laquelle on n’a pas observé des dommages très étendus en surface sur les toitures en tuile au cours de la tempête Lotard de fin 1999, à la différence des toitures en grands éléments. Les propriétés de la tuile qui limitent l’envol en grand vent sont :

• le poids de la tuile, mais il n’est pas très intéressant économiquement de réaliser des tuiles très lourdes ;
• le mode d’accrochage de la tuile et la densité de fixation.

Les dispositifs de fixation des tuiles couramment utilisés sont les clous, les pointes, les pannetons, les clips, les crochets, les fils, le scellement au mortier et les mastics. L’ensemble de ces fixations n’est pas utilisé pour toutes les familles de couverture : seules les tuiles canal sont collées ou scellées ; de même pour les tuiles plates, on ne considère pas l’emploi de fil, de panneton ou de clips. Toutes les faîtières peuvent être scellées ou fixées à sec mécaniquement. Les tuiles clouées en tête de tuile résistent mal au vent. Les tuiles fixées par le nez résistent beaucoup mieux. En effet le clou n’empêche pas la tuile de se soulever. En retombant elle peut s’endommager. Les tuiles fixées avec un panneton et un fil de fer résistent bien aussi. L’augmentation de la densité de fixation augmente généralement la tenue. Il est clair que les tuiles de rive, d’égout et les faîtières sont les plus sensibles au vent. La règle des DTU français est de fixer toutes les tuiles en rives latérales, en rives d’égout et les faîtières. En plain carré, la densité de fixation dépend du type de tuile, de la pente (< 1 m/m, > 1,75 m/m), du site (exposé, normal ou protégé) et de la zone (I,II,III des NV65). La densité de fixation en plain carré va actuellement de « pas de fixation » à « une tuile fixée sur 5 »pour les tuiles à emboîtement et de « pas de fixation » à « 1 tuile fixée sur 6 »pour les tuiles plates. Il est probable que cette densité sera augmentée dans le futur dans certains cas. Pour les tuiles canal, il n’y a pas d’effet d’emboîtement important et les tuiles de couvert sont soit non fixées soit toutes fixées ;

• la perméabilité à l’air de la toiture est importante, car elle limite les effets de dépression/surpression. Cette perméabilité de la toiture est liée à la perméabilité à l’air de l’assemblage des tuiles mais aussi à la présence de chatières, d’écrans de sous toiture, de voligeage, d’isolants thermiques. En cas de combles aménagés, les volumes d’air échangés sont beaucoup plus faibles. L’emploi d’écran de sous toiture, en diminuant les volumes en cause, est apparu comme bénéfique à la tenue. L’emploi de chatière permet d’augmenter la perméabilité à l’air ;
• le profil aérodynamique de la tuile a donc sans doute une certaine influence sur la tenue des tuiles dans la zone au vent. Ainsi on a observé une sensibilité spéciale des chatières qui devraient être toutes fixées de façon individuelle. Des nez minces ont sans doute un meilleur profil. Par contre dans la zone sous le vent, l’influence du profil est réduite ;
• le dessin des tenons, qui accrochent bien ou mal le liteau et résistent aux rotations, devrait lui aussi avoir son importance.

Tests

On peut tester la tenue des toitures en tuiles au grand vent dans des souffleries. On mesure la vitesse à partir de laquelle on voit des tuiles commencer à « pianoter » en position, leur mode de détachement et la vitesse du vent de détachement. On peut mesurer aussi la porosité de la toiture. Il faut réaliser le test avec différentes orientations de vent par rapport au toit et travailler avec des toitures de taille réaliste. Ces tests nécessitent l’emploi d’une soufflerie à grande vitesse et grande veine d’air. Il s’agit donc de tests très coûteux qui ne peuvent être réalisés que ponctuellement. Une commission du CEN a développé un essai de résistance au soulèvement des toitures (EN 14437). En effet, certains pays européens (Royaume Uni, Pays Bas par exemple) demandent une justification numérique de la tenue au vent de la toiture. Les concepteurs estiment les forces d’arrachement, en prenant par exemple les données de type règles NV 65 et ils désirent alors connaître la force résistante du toit. Sur une toiture test, dont les tuiles sont fixées de façon réaliste (type et densité de fixation), on relie seize tuiles accolées à des filins perpendiculaires au plan du toit et on les arrache en tirant sur les filins. On mesure la variation de la force avec le soulèvement des tuiles jusqu’à un critère de rupture (il y en a en fait six dont rupture de la fixation, du liteau ou de la tuile). Ce test évalue sûrement la résistance à la déformation des fixations. Par contre il ne correspond pas bien à ce qui se passe réellement sur un toit quand des tuiles se détachent : pianotage des tuiles, augmentation de la perméabilité de la toiture, influence de la sous toiture, et diminution de la dépression quand les tuiles commencent à se lever, effet de soupape, prise des tuiles dans le vent… Ce test ne mesure pas la résistance réelle de la toiture au vent mais plutôt la résistance des fixations.