(Edition 98/6 page 36)
Nouvelle Note d'Information Technique touche à sa fin
Fixation mécanique sur bacs acier(2)
A l'heure actuelle, le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC) est en train d'élaborer une nouvelle Note d'Information Technique afin d'aider tant l'entrepreneur d'étanchéité que le concepteur à choisir un système approprié de toiture plate à fixations mécaniques. Dans la première partie de cet article, publiée dans l'édition précédente, nous avons déjà traité quelques résultats et conclusions importantes au niveau du support, du pare-vapeur, de l'isolant et de l'étanchéité. Dans cette deuxième partie, nous parlerons des fixations mécaniques eux-mêmes.
Le système de fixation est composé de la fixation elle-même et d'une plaquette de répartition. En Belgique ces deux éléments sont généralement en acier, éventuellement en acier inoxydable.
Fixations
La longueur minimum des vis à appliquer sur des bacs acier dépend des paramètres suivants:
- épaisseur de l'étanchéité éventuelle à fixer: de 1,1 à 5,0 mm.
- épaisseur de l'isolant: de 40 à 120 mm et plus.
- écran pare-vapeur éventuel: de 0,25 à 4 mm.
- bac acier: de 0,75 à 1.25 mm.
- partie saillante par en dessous: au moins 15mm.
Il s'ensuit que dans la plupart des cas rencontrés, la longueur des vis sera comprise entre 60 et 150 mm.
Les diamètres usuels des vis et de leurs noyaux sont indiqués au tableau 1, le minimum étant de 4,8 mm selon l'UEAtc.
| Diamètre de la vis | 4,8 mm | 5,5 mm | 6,3 mm | 6,7 mm |
| Diamètre du noyau | 3,1 mm | 3,5 mm | 3,9 mm | 4,0 mm |
Plaquettes de répartition
Des plaquettes de répartition sont nécessaire pour transférer les forces agissant sur l'isolant et/ ou sur l'étanchéité vers les vis. Les plaquettes de répartition courantes ont une épaisseur de 1mm pour les plaquettes plates et de 0.75 mm pour les plaquettes profilées. La résistance à la compression de l'isolant ainsi que la forme de la plaquette et la tête de la vis doivent être telles que l'étanchéité n'est pas (trop) sollicitée lorsque l'on marche juste à côté de la plaquette ou sur celle-ci (ill. 2).
La plaquette utilisée pour la fixation de l'isolant ou de la sous-couche bitumineuse a les dimensions minimum suivantes: 70 mm de diamètre (plaque ronde) ou 65 mm de côté (plaque carrée) (ill. 3).
La fixation des membranes d'étanchéité monocouches dans le recouvrement s'effectue habituellement avec de plaquettes de 40x80 mm. (ill. 4)
Résistance des fixations mécaniques
La détermination de la résistance au vent des fixations mécaniques s'effectue à l'aide d'essais au vent (dynamiques) dans un caisson, simulant la réalité (directive UEAtc). La valeur de calcul utile se situe généralement entre 300 et 450 N par fixation. Les mécanismes les plus courants de rupture sont les déchaussement des vis, le déchirement de l'étanchéité et le glissement du joint de recouvrement. Nous avons également étudié la relation entre ces essais dynamiques et des essais statiques simples. La conclusion actuelle est que les résultats des essais statiques sont plus favorables mais ne reflètent pas les sollicitations du vent. Par exemple, l'essai statique ne couvre pas les effets de fatigue mécanique, ni l'influence de la direction de la sollicitation (axiale, oblique, excentrique,..). (ill.5)
Aspects hygrothermiques
Déperditions calorifiques
Le métal étant un bon conducteur de chaleur, les vis (en métal) provoquent des déperditions supplémentaires. Les diamètres des noyaux des vis courantes se situent entre 3 et 4 mm. Le graphique suivant, qui a été obtenu par un programme de pointe pour des calculs thermiques par éléments finis, montre que les vis en acier au carbone amènent une augmentation de la valeur U de la toiture d'environ 1 à 2 % par vis (ill. 6).
Une toiture fixée mécaniquement comporte en moyenne 6 vis par m2, on peut donc déduire que la perte totale se situe aux alentours de 10 %. Ceci nécessite une épaisseur d'isolant plus élevée (10%) par rapport à une toiture sans fixations mécaniques. On peut réduire les déperditions de chaleur en optant pour des vis en acier inoxydable ou prévoyant des coupures thermiques.
Condensation sur la pointe de la vis
Du fait des déperditions de chaleur locales plus élevées par temps froid, la température de la pointe de la vis est un peu plus basse que celle du reste du bac acier. Les calculs montrent que dans les bâtiments appartenant aux classes de climat I à III, aucune condensation ne se produira sur la partie saillante. Dans la classe climatique IV (production d'humidité élevée) par contre, la condensation pourrait se produire. Cependant, vu qu'on n'emploie pas de fixation mécanique dans ces cas (voir RB 98-5), le problème de condensation ne se pose pas.
Durabilité: corrosion des fixations mécaniques
Au niveau de la durabilité, la résistance à la corrosion des fixations métalliques est primordiale. De la corrosion se présente dès que 2 conditions sont réunies:
- une différence de concentration d'oxygène, inévitable le long du manchon de la vis.
- un électrolyte (de l'eau).
Dans une toiture, l'isolant peut être humidifié de différentes manières: par la pluie, la rosée et le brouillard pendant la pose, par des fuites éventuelles, par l'humidité de construction et par la condensation superficielle ou interne. Le risque de corrosion est toujours présent même pour des toitures courantes et les vis doivent donc avoir une certaine résistance à la corrosion. La qualité de la protection contre la corrosion est mesurée par l'essai Kesternich. L'on exige la classe 2 après 12 cycles Kesternich selon la directive UEAtc. Une étude spéciale s'impose pour des environnements plus corrosifs
Types de vis (exemples):
- l'acier au carbone non traité est très sensible à la corrosion et ne doit pas être utilisé.
- l'acier au carbone à traitement de surface (par zingage, phosphatage, coating organique, etc.) est sensible à la corrosion: classe à tester.
- acier inoxydable: satisfait à la classe 2.
Sollicitation du vent sur les toitures fixées par un procédé mécanique
Le vent exerce des forces de succion sur une toiture plate. La sollicitation du vent qui en résulte dépend principalement des éléments suivants:
- la situation géographique (côte, ville,..).
- la hauteur du bâtiment.
- la surpression régnant à l'intérieur du bâtiment, fonction de l'étanchéité à l'air du support de toiture et de la façade.
- l'endroit sur la toiture: plus élevée le long des rives de toiture et maximale sur les coins.
La perméabilité à l'air de l'isolant joue également un rôle puisqu'elle influence l'égalisation des différences de pressions dans le complexe de toiture. L'adhérence éventuelle du pare-vapeur au bac acier et le compartimentage lors de la pose de l'isolant ont un effet positif puisqu'ils s'opposent à cette égalisation. L'action du vent doit être transférée au support de toiture par l'intermédiaire des fixations. La sollicitation du vent est déterminée actuellement par les normes nationales et le sera plus tard par les normes européennes qui sont en cours d'élaboration et qui entreront en vigueur vers l'année 2002.
Répartition de la sollicitation du vent sur les différentes couches de toiture
Si la sollicitations du vent est connue pour une situation donnée, le niveau auquel la force est transférée à la vis peut être différent (tableau 2). Les facteurs suivants interviennent:
- niveau de la fixation: au niveau de l'isolant ou de la sous-couche(ill. 6 et 7) ou plutôt au niveau de l'étanchéité (ill. 8).
- perméabilité à l'air de l'isolant: perméable (laine minérale non revêtue), plutôt perméable à l'air mais avec parement imperméable (laine minérale revêtue) ou imperméable à l'air (PUR).
- le pare-vapeur: présent ou non, adhérent ou non au bac acier.
Une étude détaillée à été effectuée pour les différentes cas possibles (18 cas retenus). Le tableau 8 montre le résultat pour les combinaisons les plus significatives. Pour les deux dernières combinaisons, les calculs ont démontré la nécessité de vérifier la fixation éventuelle complémentaire de l'isolant.
Calcul du nombre de vis-Répartition des vis
Une fois la résistance utile de la vis connue et la sollicitation du vent calculée pour les différentes zones de la toiture (coins, rive, zone centrale) on peut déterminer zone par zone le nombre de vis nécessaire par m2.
Répartition idéale des vis
La répartition idéale des vis sur la plaque d'isolant est indiquée à illustration 9. Selon cette répartition, les forces exercées sur les différentes vis sont à peu près égales. De plus, jusqu'à 4 vis en rang, les valeurs absolues des moments dans le champ sont pratiquement identiques à celles au-dessus des points d'appuis.
Hypothèses et simplifications:
- calcul selon la théorie de l'élasticité.
- calcul des forces comme pour les poutres à x points d'appui, sans influence mutuelle entre les rangées de vis.
- fixations considérées comme des charnières.
Répartition des vis dans la pratique: Exemple
Cependant, il n'est pas toujours possible de respecter la répartition idéale sur la toiture (différence entre les modules des bacs acier et de l'isolant, schémas de pose, dimensions de l'isolant et des bacs, précision de la mise en oeuvre, etc.). Si l'écart est trop grand, il peut être nécessaire d'augmenter le nombre de vis.
Illustration 10: Efforts dans les vis en pratique par comparaison à une répartition idéale
Conclusions
L'étude approfondie de la fixation mécanique sur bac acier qui à été faite par un groupe de travail au sein du CSTC a résulté dans le développement des essais et des calculs originaux et a révélé en plus des points de vue nouveaux et importants. Les résultats donnent lieu à des recommandations pratiques tant pour le concepteur que pour l'entrepreneur d'étanchéité. Cet article donne un aperçu d'une étude qui est encore en cours d'élaboration. Le groupe de travail chargé d'élaborer la nouvelle Note d'Information Technique est ouvert à toutes suggestions et critiques. Le document complet sera publié en 1999 et pourra être obtenu auprès du CSTC.
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