IBGE. Diagnostic et améliorations thermiques de l enveloppe des bâtiments. Recueil de notions de base

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1 IBGE Diagnostic et améliorations thermiques de l enveloppe des bâtiments Séminaire des 03 et 10 mai Recueil de notions de base Crabbé Claude Ir. Arch.

2 Chapitre I Définitions et théorie Quelques définitions La conduction thermique La propagation de la chaleur à travers une paroi Les ponts thermiques Les grandeurs hygrothermiques La condensation Les classes de climats intérieurs Le sur-refroidissement I - 1.

3 Quelques définitions Volume protégé La NBN B définit le volume protégé de la façon suivante : Le volume protégé d'un bâtiment est le volume de l'ensemble des locaux du bâtiment, y compris les dégagements, que l'on souhaite protéger des déperditions thermiques : vers l'ambiance extérieure; vers le sol; vers des espaces voisins qui n'appartiennent pas à un volume protégé. Enveloppe du bâtiment L'enveloppe d'un bâtiment est l'ensemble des parois ou parties de parois (verticales, horizontales ou inclinées) séparant le volume protégé du bâtiment : de l'ambiance extérieure; du sol; des espaces voisins qui n'appartiennent pas à un volume protégé. Toiture plate Un toit plat est un toit rendu étanche par l'application d'une étanchéité se composant de matériaux souples se chevauchant de façon étanche. (CSTC) Un toit plat est un toit à faible pente, voire sans pente, et avec une étanchéité sans joints. (SIA 271) On considère toujours l'ensemble de la toiture. Une toiture plate se compose généralement d'un élément porteur, d'une pente, d'une isolation thermique, d'un pare vapeur, d'une étanchéité et d'une protection extérieure. Toiture inclinée Un toit incliné est un toit rendu étanche par l'application d'une couverture se composant d'éléments en matériaux durs enchevauchés comme des écailles. (CSTC) Un toit à pents inclinés est un toit dont les pans ont une inclinaison permettant une couverture en éléments plans imbriqués. (SIA 238) Conduction thermique La conduction de chaleur est le transport d'énergie thermique dans les matières de particule à particule. Elle se produit dans les matières solides (ex : les murs), liquides et gazeuses. Par exemple, c'est par conduction qu'une cuisinière électrique transmet sa chaleur aux casseroles. Dans les matières liquide et gazeuses l'influence de la convection l'emporte toutefois sur la conduction. I - 2.

4 Convection thermique La convection est le transport de la chaleur par déplacement de son support. C'est le cas dans les gaz (ex : l'air) et les liquides. Par exemple, de l'air en mouvement léchant une paroi plus chaude évacue sa chaleur par convection. Rayonnement thermique Le rayonnement thermique est la transmission d'énergie thermique de surface à surface par ondes électromagnétiques. Tout corps d'une température supérieure au zéro absolu émet de tels rayons qui se propagent dans l'espace, y compris dans le vide. C'est de cette façon que nous est transmise la chaleur du soleil. Matériau hydrophobe Un matériau hydrophobe est un matériau qui ne s'humidifie pas : l'eau ruisselle à sa surface et ne pénètre pas à l'intérieur. Couche d'égalisation La couche d'égalisation sur une toiture plate sert à compenser les rugosités ainsi que les inégalités de la structure porteuse. Couche de séparation Une couche de séparation est une couche intermédiaire destinée à la séparation définitive entre deux matériaux incompatibles. Couche de protection Sur une toiture plate, la couche de protection est un matériau en forme de lés disposés directement sur l'étanchéité qui protège celle-ci des sollicitations mécaniques, par exemple lors de la pose des protections et couches d'usure. Couche de glissement La couche de glissement permet à deux couches de la couverture de toit plat de se déplacer les unes par rapport aux autres. En général, une couche de glissement est constituée de deux deux feuilles de polyéthylène d'une épaisseur de 200 µ chacune, qui glissent l'une par rapport à l'autre. Parfois, pour faciliter ce glissement, on insère entre elles un voile non tissé de polyester, on talque ou on huile l'interface. Couche de désolidarisation La couche de désolidarisation d'une toiture plate est un voile de verre ou une natte de polyester destinés à désolidariser du support une étanchéité posée en indépendance totale ou clouée. I - 3.

5 Couche de drainage Sur une toiture plate, la couche de drainage, généralement placée au dessus de l'étanchéité, permet à l'eau qui traverse les protections lourdes, comme les pavements, de s'évacuer, évitant ainsi qu'elle stagne sur l'étanchéité et gorge le massif de protection. Elle peut être constituée suivant les cas, d'une couche de gravier, d'un couche non tissée de fibres de polyester, d'un matelas de filaments synthétiques recouvert de filtres, ou d'une feuille synthétique rigide embossée destinée à créer sous elle, un vide de drainage. Couche de diffusion de vapeur Elle est utilisée sur les toitures plates. Aussi appelée couche de décompression, elle a pour fonction de répartir la pression de la vapeur d'eau sous une membrane étanche à celle-ci. Elle est en général placée entre l'isolant et la membrane d'étanchéité. Dans le cas d'une pose en semi-indépendance, elle peut être réalisée à l'aide d'une membrane perforée avec complément de bitume, ou d'une membrane dont la surface de collage pour soudure au chalumeau est réduite à 50 % par des stries non adhérentes connectées entre elles. Dans le cas d'une pose en indépendance (lestée), la couche de diffusion est réalisée à l'aide d'un voile de verre brut ou une natte de polyester. La couche de diffusion de vapeur n'est pas nécessaire lorsque l'isolant lui-même permet la diffusion de vapeur. Couche filtrante La couche filtrante a pour fonction de laisser passer l'eau tout en maintenant les particules de terre, de sable, de gravier ou des déchets quelconques au niveau supérieur. Elle est généralement constituée d'un voile non tissé de polyester. Couche d'air horizontale Une couche d'air est considérée comme horizontale lorsque le dièdre quelle forme avec un plan horizontal est inférieur à 30. Couche d'air verticale Une couche d'air est considérée comme verticale lorsque le dièdre quelle forme avec un plan horizontal est supérieur ou égal à 30. I - 4.

6 Couche d'air non ventilée Une couche d'air dans une paroi verticale est considérée comme non ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la longueur totale L de la face chaude de la couche d'air exprimée en m, est inférieur ou égal à 5. S (cm²) / L (m) < 5 Une couche d'air dans une paroi horizontale est considérée comme non ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la superficie totale A de la face chaude de la couche d'air exprimée en m², est inférieur ou égal à 5 S (cm²) / A (m²) < 5 Couche d'air peu ventilée Une couche d'air dans une paroi verticale est considérée comme peu ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la longueur totale L de la face chaude de la couche d'air exprimée en m, est supérieur à 5 et inférieur ou égal à 15 5 < S (cm²) / L (m) < 15 Une couche d'air dans une paroi horizontale est considérée comme peu ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la superficie totale A de la face chaude de la couche d'air exprimée en m², est supérieur à 5 et inférieur ou égal à < S (cm²) / A (m²) < 15 I - 5.

7 Couche d'air très ventilée Une couche d'air dans une paroi verticale est considérée comme très ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la longueur totale L de la face chaude de la couche d'air exprimée en m, est supérieur à < S (cm²) / L (m) Une couche d'air dans une paroi horizontale est considérée comme très ventilée lorsque le rapport entre : la somme des superficies de tous les orifices de ventilation S (admission d'air, sortie d'air, décharge d'eau, fissures, joints) entre la couche d'air et l'ambiance extérieure exprimée en cm², et la superficie totale A de la face chaude de la couche d'air exprimée en m², est supérieur à < S (cm²) / A (m²) Délamination délamination La délamination est la destruction d'un matériau plat qui se rompt en lames parallèles à sa grande face. La force de délamination est une force de succion répartie qui s'exerce sur la surface du matériau pour provoquer sa rupture. Résistance à la délamination des matériaux isolants : Matériaux Résistance à la délamination N/mm² (1N/mm² = 9,81kgf/mm²) Laine de verre 0,006 Laine de roche 0,010 Perlite expansée 0,007 Verre cellulaire revêtu de bitume 1,000 PUR et PIR 0,080 PSE (PS20) + revêtement 0,080 I - 6.

8 Pelage Pelage La force de pelage est une force s'exerçant localement sur le matériau, capable d'arracher le revêtement des panneaux isolants. Une force de pelage est bien plus contraignante sur le complexe étanchéité - isolant d'une toiture plate que la force de délamination. Lorsque le pelage est amorcé le phénomène s'amplifie. Celui-ci se produit dans des zones critiques des toitures plates comme les rives des bâtiments particulièrement exposés. Pour l'éviter, on veillera : à une bonne conception des rives libres, à une fixation ou un lestage suffisant dans les zones critiques, à une étanchéité parfaite à l'air. I - 7.

9 La conduction thermique La conduction thermique est le mode de propagation de l'énergie thermique à travers les matières. Les éléments qui constituent les matières reçoivent et transmettent l'énergie aux éléments voisins par contact. Toutes les matières ne transmettent pas l'énergie de la même façon. Certains, comme les métaux, sont de bons conducteurs thermiques. D'autres, comme le bois ou les matières synthétiques, sont de médiocres conducteurs. Parmi ces matières, les matériaux de construction seront, eux aussi, plus ou moins conducteurs de l'énergie thermique. On caractérisera les matériaux par les coefficients suivants : La conductivité thermique du matériau La résistivité thermique du matériau La perméance thermique d'une couche de matériau (P) La résistance thermique d'une couche de matériau (R) La conductivité thermique La conductivité thermique ( ) est une caractéristique propre à chaque matériaux. Elle indique la quantité de chaleur qui se propage : en 1 seconde, à travers 1 m² d'un matériau, épais d'un 1 m, lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1 C). I - 8.

10 La conductivité thermique s'exprime en W/mK. Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau est conducteur de la chaleur. Plus elle est faible, plus le produit est isolant. Ce coefficient n'est valable que pour les matériaux homogènes. Il n'a pas de sens pour les matériaux hétérogènes au travers desquels la chaleur se propage en même temps par conduction, convection et rayonnement. Le coefficient de conductivité thermique d'un matériau varie en fonction de la température et de l'humidité de celui-ci. Les documentations technico-commerciales des matériaux devront donc préciser avec la valeur du les conditions dans lesquelles cette valeur est utilisable. On tâchera de s'approcher des valeurs normales d'utilisation. Température entre 10 C et 20 C. Pratiquement on distinguera : i Conductivité thermique d'un matériau dans une paroi intérieure ou dans une paroi extérieure, à condition que le matériau soit protégé contre l'humidité due à la pluie ou à la condensation. e Conductivité thermique d'un matériau dans une paroi extérieure qui n'est pas protégé contre l'humidité due à la pluie ou à la condensation. Remarque : est une caractéristique physique du matériau indépendant de sa forme. La résistivité thermique La résistivité thermique ( ) est l'inverse de la conductivité thermique. Elle s'exprime en mk/w. Plus la résistivité thermique est élevée, plus le matériau est isolant. I - 9.

11 La perméance thermique La perméance thermique (P) indique la quantité de chaleur qui se propage : en 1 seconde, à travers 1 m² d'une couche de matériau, d'une épaisseur déterminée, lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1 C). La perméance thermique s'exprime en W/m²K. Plus la perméance thermique est élevée, plus la couche laisse passer la chaleur. Ce coefficient est valable que pour les matériaux homogènes et pour les matériaux hétérogènes. Matériau homogène : P = / d où d = épaisseur de la paroi. Matériau hétérogène : P est déduite d'essais effectués en laboratoire. I - 10.

12 La résistance thermique La résistance thermique (R) est l'inverse de la perméance thermique. Elle s'exprime en m²k/w. R = 1 / P C'est la mesure de performance de la couche isolante. Plus la résistance thermique est élevée, plus la couche est isolante. Ce coefficient est valable que pour les matériaux homogènes et pour les matériaux hétérogènes. Matériau homogène : R = d / où d = épaisseur de la paroi. Matériau hétérogène : R u (utile) est déduite d'essais effectués en laboratoire. En général, la résistance thermique des couches dont l'épaisseur d <0.001 m n'est pas prise en compte pour le calcul de la résistance thermique totale des parois. Résistance thermique utile (R u ) de certaines couches de matériaux anisotropes (extrait de la NBN B ). Maçonnerie en blocs creux Plancher brut préfabriqué en éléments creux en terre cuite Plancher brut préfabriqué en béton lourd (avec éléments creux) Plaques de plâtre entre deux papiers forts béton > kg/m³ béton < kg/m³ d = 0.14 m d = 0.19 m d = 0.29 m d = 0.14 m d = 0.19 m d = 0.29 m R u = 0.11 m²k/w R u = 0.14 m²k/w R u = 0.20 m²k/w R u = 0.30 m²k/w R u = 0.35 m²k/w R u = 0.45 m²k/w 1 creux dans le d = 0.08 m R u = 0.08 m²k/w sens du flux d = 0.12 m R u = 0.11 m²k/w 2 creux dans le sens du flux d = 0.12 m d = 0.16 m d = 0.20 m d = 0.12 m d = 0.16 m d = 0.20 m d < m d > m R u = 0.13 m²k/w R u = 0.16 m²k/w R u = 0.19 m²k/w R u = 0.11 m²k/w R u = 0.13 m²k/w R u = 0.15 m²k/w R u = 0.05 m²k/w R u = 0.08 m²k/w I - 11.

13 La propagation de la chaleur à travers une paroi Une paroi séparant deux ambiances de températures différentes, constitue un obstacle plus ou moins efficace, au flux de chaleur qui va s'établir de la chaude vers la froide. La chaleur va devoir : pénétrer dans la paroi, traverser les différentes couches de matériaux constituant la paroi, traverser des couches d'air éventuelles, et sortir de la paroi. Outre la résistance thermique des différents matériaux (R), les coefficients thermiques utilisés sont les suivants : La résistance thermique d'échange superficiel (R i et R e ) La résistance thermique des couches d'air (R a ) La résistance thermique totale d'une paroi (R T ) Le coefficient de transmission thermique d'une paroi "U" (ou anciennement "k") I - 12.

14 La résistance thermique d'échange superficiel (R i et R e ) La transmission de la chaleur de l'air ambiant à une paroi et vice versa se fait à la fois par rayonnement et par convection.... h i, le coefficient d'échange thermique superficiel entre une ambiance intérieure et une paroi est la somme des quantités de chaleur transmise entre une ambiance intérieure et la face intérieure d'une paroi, par convection et par rayonnement, par unité de temps, par unité de surface de la paroi, et pour un écart de 1 K entre la température de la résultante sèche de l'ambiance et la température de surface. h i s'exprime en W/m²K. R i, la résistance thermique d'échange d'une surface intérieure est égale à l'inverse du coefficient d'échange thermique de surface intérieure h i. R i s'exprime en m²k/w. R i = 1/h i h e, le coefficient d'échange thermique superficiel entre une paroi et une ambiance extérieure est la somme des quantités de chaleur transmise entre la face extérieure d'une paroi et une ambiance extérieure, par convection et par rayonnement, par unité de temps, par unité de surface de la paroi, et pour un écart de 1 K entre la température de la résultante sèche de l'ambiance et la température de surface. h e s'exprime en W/m²K. R e, la résistance thermique d'échange d'une surface extérieure est égale à l'inverse du coefficient d'échange thermique de surface extérieure h e. R e s'exprime en m²k/w. Re = 1/h e I - 13.

15 Valeurs de h i, h e, R i et R e h i R i h e R e paroi verticale flux de chaleur horizontal paroi horizontale flux de chaleur vers le haut paroi horizontale flux de chaleur vers le bas 8 W/m²K 8 W/m²K 6 W/m²K 0,125 m²k/w 0,125 m²k/w 0,167 m²k/w 23 W/m²K 23 W/m²K 23 W/m²K 0,043 m²k/w 0,043 m²k/w 0,043 m²k/w La résistance thermique des couches d'air (R a ) R a, la résistance thermique d'une couche d'air plane est l'inverse de la quantité de chaleur qui est transmise en régime permanent de la face chaude de la couche d'air vers la face froide, par conduction, convection et rayonnement, par unité de temps, par unité de surface et pour un écart de 1 K entre les températures des faces chaudes et froides. R a s'exprime en m²k/w. Résistance thermique d'une couche d'air non ventilée. Epaisseur de la couche d'air Couche d'air verticale Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le haut Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le bas 1 mm 0,035 m²k/w 0,035 m²k/w 0,035 m²k/w 5 mm 0,110 m²k/w 0,110 m²k/w 0,110 m²k/w 10 mm 0,150 m²k/w 0,130 m²k/w 0,150 m²k/w 20 mm 0,170 m²k/w 0,150 m²k/w 0,200 m²k/w 50 mm 0,170 m²k/w 0,150 m²k/w 0,210 m²k/w I - 14.

16 Résistance thermique d'une couche d'air peu ventilée. Epaisseur de la couche d'air Couche d'air verticale Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le haut Couche d'air horizontale Flux de chaleur vers le bas 1 mm 0,017 m²k/w 0,017 m²k/w 0,017 m²k/w 5 mm 0,055 m²k/w 0,055 m²k/w 0,055 m²k/w 10 mm 0,075 m²k/w 0,065 m²k/w 0,075 m²k/w 20 mm 0,085 m²k/w 0,075 m²k/w 0,100 m²k/w 50 mm 0,085 m²k/w 0,075 m²k/w 0,105 m²k/w Résistance thermique d'une couche d'air très ventilée Dans le cas d'une couche d'air très ventilée, on considère que : R a = 0 m²k/w Les matériaux situés du côté froid de la couche d'air n'interviennent pas dans le calcul de la résistance thermique globale R T de la paroi. La température dans la couche d'air est égale à la température extérieure. La résistance thermique d'échange entre la face chaude de la couche d'air et la couche d'air vaut R i. La résistance thermique totale d'une paroi (R T ) La résistance thermique totale R T d'une parois d'ambiance intérieure chaude à ambiance extérieure froide, est égale à la somme des résistances thermiques de toutes les couches de matériaux ou d'air peu ou non ventilé, qui constituent la paroi, et des résistances d'échange superficiel. R T = R i + R 1 + (R 2 ) + (R... ) + (R a ) + R e Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche (d'air ou de matériau) est absente. I - 15.

17 Remarque : Dans le cas où la paroi sépare deux ambiances intérieures l'une froide et l'autre chaude, la formule devient : R T =R i + R 1 + (R 2 ) + (R... ) + (R a ) + R i Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche (d'air ou de matériau) est absente. Autre remarque : Dans le cas où la paroi contient une couche d'air fortement ventilé, on ne considère que la partie située du côté chaud de la couche d'air, et on considère que cette partie sépare deux ambiances intérieures dont celle située côté froid est à la température extérieure. Dans ce cas, formule devient : R T = R i + R 1 + (R 2 ) + (R... ) + R i Les valeurs entre parenthèses n'existent pas lorsque la couche de matériau est absente. I - 16.

18 Le coefficient de transmission thermique d'une paroi "U" (ou anciennement "k") Le coefficient de transmission thermique de la paroi est la quantité de chaleur traversant cette paroi en régime permanent, par unité de temps, par unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d'autre de la paroi. Le coefficient de transmission thermique est l'inverse de la résistance thermique totale (R T ) de la paroi. U (ou k) s'exprime en W/m²K U = 1 / R T Plus sa valeur est faible et plus la construction sera isolée. I - 17.

19 Les ponts thermiques Les ponts thermiques sont des points faibles dans l'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment. A ces endroits, en hiver, la température superficielle de l'enveloppe est plus basse que celle des surfaces environnantes. Ils découlent, en général de : Contraintes constructives Contraintes géométriques Ils vont provoquer : Des dépenses énergétiques Un inconfort sur le plan de l'hygiène La détérioration des matériaux Pont thermique dû à des contraintes constructives Les matériaux isolants ont généralement des capacités limitées en matière de résistance aux contraintes mécaniques. Le principe de la continuité de la couche isolante n'a pas été respecté, ou n'a pu l'être dans certains cas, à certains endroits. Il s'agit par exemple d'ancrages ou d'appuis entre d'éléments situés de part et d'autre de la couche isolante de la paroi. L'isolant étant localement absent, le flux de chaleur est sensiblement plus dense dans ces parties de la paroi. I - 18.

20 Pont thermique dû à des contraintes géométriques Ce type de pont thermique est dû à la forme de l'enveloppe à un endroit. A cet endroit, la surface de la face extérieure est beaucoup plus grande que la surface de la face intérieure. La surface chauffée (intérieure) est plus petite que la surface de refroidissement (extérieure). Dépenses énergétiques provoquées par les ponts thermiques Dans le cas d'un bâtiment bien isolé, les ponts thermiques peuvent entraîner des déperditions de chaleur proportionnellement très importantes par rapport aux déperditions totales. En outre, si on ne tient pas compte des déperditions dues aux ponts thermiques, l'installation de chauffage peut être sous dimensionnée. C'est surtout le cas lorsque le bâtiment est très bien isolé et lorsque les installations de chauffage sont dimensionnées de façon optimale. Inconfort sur le plan de l'hygiène provoqué par les ponts thermiques Les ponts thermiques provoquent une condensation en surface lorsque la température de celleci descend en dessous du point de rosée de l'air ambiant. L'humidité de la paroi permet le développement de moisissures. Celles-ci, outre leur aspect désagréable, dégagent des substances pouvant être odorantes et pouvant provoquer chez certaines personnes des phénomènes d'allergie. Du point de vue hygiénique et confort les moisissures doivent donc être évitées. I - 19.

21 Détérioration des matériaux provoquée par les ponts thermiques Lorsque les quantités d'eau condensées sont importantes et ne peuvent être éliminée quotidiennement, elles pénètrent les revêtements et papiers peints, et provoquent leur détérioration. Les carrelages, les revêtements plastiques, les peintures synthétiques à l'huile résistent mieux aux détériorations. Lorsque la condensation se fait dans le bois, celui-ci va pourrir plus ou moins vite en fonction de son essence et du traitement de protection dont il a bénéficié. Si la condensation est importante, toute l'épaisseur de la paroi peut être fortement humide. La structure porteuse de la construction elle-même se dégrade sous l'effet de l'humidité permanente et éventuellement aussi du gel des matériaux. I - 20.

22 Les grandeurs hygrométriques La pression partielle de vapeur L'air que nous respirons contient toujours un peu de vapeur d'eau. On peut considérer cette vapeur comme un gaz, dont la pression fait partie de la pression atmosphérique. La pression de la vapeur d eau, à elle seule, est dénommée pression partielle de vapeur d eau, et est représentée par le symbole p v. Ainsi, la vapeur d eau contenue dans un air à 20 C et 50 % HR présente une pression de vapeur partielle de Pa (par comparaison, la pression atmosphérique est de PA). Si la pression de la vapeur d eau atteint sa valeur maximale, il y a saturation de l air et on parle de pression partielle de la vapeur d eau à la saturation, ou de pression saturante p vs. Il est possible de calculer la valeur de la pression de saturation en fonction de la température. L humidité absolue L'humidité absolue est le nombre de grammes de vapeur d'eau présents dans 1 kg d'air sec, en abrégé g eau /kg air sec. Dans le système d unités SI, on utilisera le kg eau /kg air sec. Comme symbole, les lettres "x", ou "w", ou "r" sont généralement utilisées. Puisque 1 m ³ d air pèse environ 1,2 kg, en ajoutant 20 % à la valeur de l humidité absolue, on obtient la quantité d eau présente par m ³ d air. Exemple : de l air à 20 C, 50 % HR, contient 7,36 grammes d eau par kg, soit 8,7 grammes d eau par m ³. Nous donnons ci-dessous quelques valeurs indicatives : A B C D à l'extérieur en hiver (HR = 80 %) dans un local (HR = 60 %) dans un local (HR = 60 %) à l'extérieur en été (HR = 70 %) Température [ C] Humidité absolue en [g eau /kg air sec] -5 2,1 18 7,8 20 8, I - 21.

23 Ces valeurs d'humidité absolue sont lues sur les ordonnées d'un diagramme de l'air humide. On voit donc que, pour des climats "standards", plus la température augmente et plus l'humidité absolue est élevée (plus l air peut porter de l eau à l état vapeur). Dans nos régions, on peut dire qu'en hiver l'air est "sec", même s il pleut dehors (parce que l humidité absolue est faible), et qu en été, l'air est "humide" même s il y a du soleil (parce que l humidité absolue contenue par m ³ d air est élevée). Il est possible de calculer l humidité absolue en fonction de la pression partielle. L humidité relative L'humidité relative s'exprime en %. C est le rapport entre la pression partielle de vapeur d eau "p v " et la pression de saturation de la vapeur d eau "p vs ". Le symbole représentatif est souvent. = 100 x p v / p vs En bonne approximation, sa valeur est proche du rapport entre l humidité absolue portée par l air et l humidité absolue maximale qu il peut porter lorsqu il est saturé. Ceci donne une signification intuitive à cette grandeur : pour une température donnée, elle caractérise en somme la faculté que possède l'air d'absorber encore de la vapeur d'eau avant qu'elle ne condense. Par exemple, 40 % d'humidité relative signifie que l'air peut absorber encore beaucoup de vapeur d eau puisqu il n est qu à 40 % de la saturation. A 100 %, on est à la limite de la saturation de l'air par la vapeur d'eau, du brouillard apparaît. I - 22.

24 Ci-dessous, quelques valeurs d'humidité relative obtenues en chauffant l'air extérieur qui pénètre dans un bâtiment par les joints de fenêtres ou les ouvertures. A automne (matin) Température [ C] Humidité absolue [g eau /kg airsec] Humidité relative [%] 6, B automne C chauffé à D chauffé à E chauffé à Remarques brouillard ou pluie brouillard ou brume Les courbes d'humidité relative sont aisément identifiables sur le diagramme de l'air humide. La température de rosée Imaginons de l air qui serait refroidi, tout en gardant son humidité absolue constante. Cet air va perdre de plus en plus la faculté de porter de l eau à l état vapeur. Au moment où tout l air sera saturé, et que diminuer encore la température engendrerait la condensation partielle de la vapeur d eau, on sait que l on a atteint la température de rosée de l air. Son symbole est t r. r ou I - 23.

25 Sur le diagramme de l air humide, la température de rosée d une ambiance correspond à l intersection entre l horizontale du point d ambiance et la courbe de saturation. Il est possible de calculer cette valeur en fonction de la pression partielle de vapeur. I - 24.

26 La condensation La condensation se produit si, à un endroit, la pression partielle de vapeur devient égale à la pression de vapeur de saturation correspondant à la température régnant à cet endroit. Dans le bâtiment, on distingue 2 grands types de condensation et un 3 se situant entre les deux premiers : La condensation de surface La condensation interne par diffusion de vapeur La condensation interne par transport de vapeur par convection Condensation de surface Lorsque l'air est en contact avec une surface froide dont la température est égale ou inférieure à la température de rosée, il apparaît de la condensation dite de surface. Cette condensation de surface lorsqu'elle est localisée en un endroit précis dénonce la présence d'un pont thermique. Dans les bâtiments, la condensation de surface apparaît d'abord sur les vitres, les châssis métalliques sans coupure thermique, les conduites d'eau froide, et sur les parties froides de l'enveloppe. Pour empêcher la condensation de surface il faut : 1. Avoir une qualité suffisante de l'isolation de l'enveloppe de façon à ce que la température de la face intérieure de celle-ci ne descende pas en dessous de 17.5 C. 2. Diminuer par ventilation complémentaire l'humidité relative de l'air intérieur. 3. Chauffer la face intérieure des parois froides. Si ces mesures ne sont pas applicables ou insuffisantes, la seule façon de limiter les dégâts est de traiter la surface des parois pour empêcher la pénétration de l'eau de condensation par capillarité dans les parois, et de pouvoir recueillir et évacuer l'eau condensée. I - 25.

27 Condensation interne par diffusion de vapeur La condensation interne, c'est-à-dire au sein d'un élément de construction, se produit si, à un endroit de cet élément, la pression de vapeur réelle devient égale à la tension de saturation correspondant à la température régnant à cet endroit. Ce phénomène résulte des différences de pression de vapeur et de température de part et d'autre de ou dans l'élément. La diffusion de vapeur Tout comme la chaleur qui se déplace des zones de température plus élevée vers les zones de température plus basse, la vapeur d'eau se déplace des zones à forte concentration en vapeur vers les zones à faible concentration en vapeur. On parle de diffusion de vapeur. Quand on considère un bâtiment, il existe toujours une différence de pression de vapeur entre l'intérieur et l'extérieur; à l'intérieur, on exerce des activités diverses produisant de l'humidité (production de vapeur par les occupants, plantes, lessive, cuisson, nettoyage) augmentant ainsi la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air. La pression partielle de vapeur intérieure est donc toujours supérieure à celle correspondant au climat extérieur. La diffusion crée un flux de vapeur à travers la paroi, de l'intérieur vers l'extérieur. "Coefficient de résistance à la diffusion de vapeur" d'un matériau Le mouvement de diffusion de vapeur dont il est question ci-dessus, sera d'autant plus important que le matériau constituant la paroi sera plus perméable à la vapeur càd que son coefficient de résistance à la diffusion de vapeur est faible. Le coefficient de résistance à la diffusion de vapeur d'un matériau indique dans quelle mesure, la vapeur d'eau traverse plus difficilement ce matériau que l'air. La valeur d'un matériau est toujours supérieure à 1. I - 26.

28 La quantité de vapeur d'eau diffusant à travers une couche d'un matériau déterminé ne dépend pas uniquement de la valeur µ du matériau mais aussi de l'épaisseur de cette couche. L'épaisseur équivalente de diffusion d indique la résistance qu'offre une couche de matériau à la diffusion de vapeur d'eau. µd est le produit du coefficient de résistance à la diffusion de vapeur ( ) par l'épaisseur du matériau (d) et s'exprime en mètres. Le µd d'une couche de matériau correspond à l'épaisseur en m de la couche d'air stationnaire qui exercerait la même résistance à la diffusion de vapeur que la couche de matériau. Résistance à la diffusion de vapeur d'une paroi homogène et calcul de la densité de flux de vapeur à travers cette paroi Considérons la diffusion de vapeur à travers une couche de matériau plane et homogène d'une épaisseur d; diffusion résultant d'une différence de pression partielle de vapeur. A = superficie (m²), p v1 = pression de vapeur à la face intérieure (Pa), p v2 = pression de vapeur à la face extérieure (Pa) p v1 > p v2 La différence de pression de vapeur (p v1 - p v2 ) entraîne une diffusion de vapeur d'eau de l'intérieur vers l'extérieur. La quantité de vapeur diffusant du plan 1 vers le plan 2 en t secondes, à travers une surface A (m²) sera : directement proportionnelle à la surface considérée A (m²), directement proportionnelle à la différence de pression de vapeur (p v1 - p v2 ) (Pa), directement proportionnelle à la durée de temps considérée t (s), inversement proportionnelle à l'épaisseur du matériau d (m), inversement proportionnelle au coefficient de résistance à la diffusion I - 27.

29 Remarque : on peut obtenir une résistance à la diffusion très élevée en utilisant soit une couche mince d'un matériau ayant une valeur très élevée (= PARE-VAPEUR), soit une couche épaisse d'un matériau ayant une valeur peu élevée. "Résistance à la diffusion de vapeur" d'une paroi composite Généralement, une paroi se compose de plus d'une couche. La résistance à la diffusion totale d'une paroi composite s'obtient en faisant la somme des résistances à la diffusion des couches constituantes. Z t = Z 1 + Z 2 + Z 3 + Z n = Z k ou Z t = 5,4 x 10 9 x ( 1 d d n x d n ) Tout comme dans le cas du transfert de chaleur, la vapeur d'eau doit vaincre une certaine résistance en passant d'une paroi vers l'air ambiant et inversement. Toutefois, ces résistances de passage sont si faibles que l'on n'en tiendra pas compte. I - 28.

30 Evolution de la pression de vapeur dans une paroi composite (régime stationnaire) Comme pour le transfert de chaleur, l'évolution de la pression de vapeur dans chaque couche de la paroi est rectiligne si l'on se trouve en régime stationnaire. Pour une paroi composite, il suffit donc de calculer les pressions de vapeur au droit des interfaces des différentes couches et de relier les points ainsi obtenus par des droites. Condensation interne Il se produira de la condensation interne dans une paroi s'il y a une différence de température et de pression de vapeur dans cette paroi et que, localement, la pression de vapeur est égale à la tension de saturation. La condensation interne par diffusion de vapeur a pour effet de créer dans la construction des zones mouillées en permanence et donc une perte d'isolation thermique et, éventuellement, une dégradation des parois. Contrairement à la condensation de surface, la condensation interne n'est pas visible directement. Il n'y a pas de condensation interne dans une paroi constituée d'un seul matériau. Si on veut éviter la condensation interne dans une paroi constituée de plusieurs couches de matériaux différents, il faut que la perméabilité à la vapeur de ceux-ci augmente de l'intérieur vers l'extérieur. Si ce n'est pas possible, il faut poser un pare-vapeur du côté chaud de la paroi pour provoquer une chute de la pression de vapeur avant l'isolant. I - 29.

31 Influence de la position du pare-vapeur sur la condensation interne La position du pare-vapeur dans un élément de construction est très importante. Le parevapeur joue un rôle identique à celui de l'isolant thermique dans l'évolution de la température. La paroi est divisée en deux zones bien distinctes : celle du côté extérieur du pare-vapeur réagissant à la pression de vapeur extérieure et celle du côté intérieur du pare-vapeur réagissant à la pression de vapeur intérieure. Pratiquement toute la différence de pression de vapeur entre l'intérieur et l'extérieur se situe donc au droit du pare-vapeur. Prenons comme exemple une paroi homogène offrant une certaine résistance thermique. Cet élément ne donnera pas lieu à de la condensation interne. L'évolution de la tension de vapeur réelle (courbe p ci-dessous) reste en tout point inférieure à la tension de vapeur maximale (courbe p vs ). Si la face extérieure reçoit une finition très imperméable à la vapeur, la courbe p vs reste identique puisque l'évolution de la température ne change pas, mais l'évolution de la pression de vapeur (courbe p v ) change. Il y aura condensation interne juste derrière la couche parevapeur. La pose d'une couche étanche à la vapeur, du côté intérieur, remédie à la situation. La tension de vapeur maximale (p vs ) reste toujours supérieure à l'évolution de la pression de valeur réelle (p v ). Cet exemple montre que la couche pare-vapeur doit toujours se trouver du côté chaud de l'élément de construction. I - 30.

32 Influence de la position de l'isolation sur la condensation interne Prenons le même exemple et examinons la position de la couche d'isolation. La résistance à la diffusion de vapeur de l'isolation est considérée comme négligeable par rapport à celle du reste de la paroi. Ce qui change, c'est la tension de vapeur maximale puisque la présence de l'isolation influence l'évolution de la température dans la paroi. Si l'isolation se trouve du côté intérieur, la tension de vapeur calculée est supérieure à la tension maximale au droit de l'interface isolation-brique. Il en résulte une condensation interne. La mise en oeuvre d'un pare-vapeur efficace du côté intérieur peut remédier au problème. La mise en œuvre de l'isolation du côté extérieur empêche également la formation de condensation interne pour autant que l'isolation ne reçoive pas une finition étanche à la vapeur. I - 31.

33 Les classes de climats intérieurs Pour évaluer les risques de condensation dans les matériaux ou à la surface de ceux-ci, il est nécessaire de connaître les conditions de climat intérieur qui sont présumées exister dans les locaux limités par les parois. En fonction des valeurs moyennes annuelles de température et d'humidité relative de l'air intérieur des bâtiment, le CSTC dans ses publications distingue différentes classes de climat intérieur en fonction de la valeur annuelle moyennes de pression de vapeur d'eau p i à l'intérieur du bâtiment. En fonction des pressions de vapeur moyennes annuelles (p i ), le tableau suivant (extrait de la NIT 183 du CSTC) indique la classe de climat intérieur du local situé sous la toiture. Définition du bâtiment Bâtiment avec une production de vapeur nulle ou faible. Exemples p i Classe lieux de stockage pour marchandises sèches églises salles de sport d'utilisation modérée < p i < I Bâtiment bien ventilé avec une production de vapeur limitée. habitations de grande dimension écoles magasins bureaux non climatisés unités de soins hospitaliers < p i < II Bâtiment d'utilisation intense. habitations sociales flats maisons de soins bâtiments faiblement climatisés (HR < 60 %) < p i III Bâtiment avec une production de vapeur élevée. piscines locaux industriels humides blanchisseries bâtiments fortement climatisés (HR > 60 %) < p i IV I - 32.

34 Le sur-refroidissement Par temps clair, la voûte céleste présent une température pouvant être jusqu'à 50 K plus faible que celle de l'ambiance terrestre. Une onde infrarouge quitte alors tous les corps "chauds" de la terre vers le ciel. La température de ces matériaux descend jusqu'à 10 K sous la température ambiante. L'humidité de l'air risque alors de condenser au contact de ces corps. C'est l'origine de la rosée du matin, du givre sur la voiture, I - 33.

35 Chapitre II La toiture plate Les différents types de toitures plates La toiture chaude La toiture inversée La toiture combinée La toiture froide Les éléments constitutifs Les supports Les pare-vapeurs Les isolants Les étanchéités Les bitumes Les protections II - 1.

36 Les choix Choisir l étanchéité Choisir la pose de l étanchéité Choisir l isolant Choisir la fixation Choisir la protection Choisir la pente Pose et fixation La pose des étanchéités La pose de l isolant La pose du pare-vapeur L accrochage des membranes L accrochage des isolants Eléments de sécurité Compartimentage de l isolant Eléments de contrôle II - 2.

37 Toiture chaude La toiture chaude désigne la toiture plate dont l'isolant est placé sur le support sans lame d'air entre les différentes couches. L'isolant est recouvert par la membrane d'étanchéité. Dans la plupart des cas un écran pare-vapeur doit être interposé entre le support et l'isolant. L'étanchéité peut être lestée ou non. Avantages L'isolant, protégé par le pare-vapeur et la membrane d'étanchéité, reste sec. Il conserve ainsi toutes ses caractéristiques thermiques. Ce système d'isolation de la toiture plate ne nécessite pas de lestage, l'isolant et la membrane pouvant être fixés mécaniquement ou par collage. Il est dans ce cas relativement léger, et peut être appliqué sur des structures existantes qui ne supportent pas une augmentation de charge. L'isolant étant appliqué à l'extérieur de l'enveloppe du bâtiment il protège celle-ci des variations de température, et par conséquence, des dilatations et contraintes thermiques, du gel et des condensations. Lorsque le local couvert est à usage permanent, et lorsque le support est de type lourd, le système de la toiture chaude (comme celui de la toiture inversée) augmente l'inertie thermique du local, et le rend plus confortable. Inconvénients La membrane d'étanchéité est soumise à d'importantes variations de température car elle n'est pas protégée par l'isolant. En cas de rénovation dans un but d'amélioration de l'isolation de la toiture, la membrane d'étanchéité existante doit être renouvelée d'office, même si elle est encore bonne. (Celle-ci peut toutefois être conservée pour servir de pare-vapeur.) II - 3.

38 Cas particulier de la toiture chaude : La toiture compacte Dans une toiture compacte l'isolant en plaques de verre cellulaire est directement collé sur le support dans un bain de bitume chaud. Les joints entre les plaques sont remplis de bitume. L'étanchéité est ensuite collée en adhérence totale sur l'isolant, soit à la flamme, soit au bitume chaud. Avantages Cette toiture forme un ensemble étanche exempt de couche susceptible de véhiculer l'air ou l'eau. En cas de défectuosité locale, l'eau ne s'infiltre pas. Les désordres sont limités. On peut en général renoncer au pare-vapeur du fait que l'isolant et les joints entre plaques sont étanches à la vapeur. II - 4.

39 Toiture inversée La toiture inversée désigne la toiture plate dont l'étanchéité est placée sur le support et dont l'isolant est posé sur l'étanchéité. L'isolant est donc mouillé par les eaux pluviales. L'isolant est lesté. Avantages En cas de rénovation dans un but d'amélioration de l'isolation de la toiture, la membrane d'étanchéité existante peut être conservée, si elle est encore bonne. La membrane d'étanchéité fait en même temps office de pare-vapeur. La technique de la toiture inversée protège la membrane d'étanchéité contre les chocs thermiques et le rayonnement ultraviolet, et de ce fait, ralentit son vieillissement. L'isolant étant appliqué à l'extérieur de l'enveloppe du bâtiment, il protège celle-ci des variations de température, et par conséquence, des dilatations et contraintes thermiques, du gel et des condensations. Lorsque le local couvert est à usage permanent, et lorsque le support est de type lourd, le système de la toiture inversée (comme celui de la toiture chaude) augmente l'inertie thermique du local, et le rend plus confortable. Inconvénients Nécessité de mettre en oeuvre un lestage. La construction doit pouvoir supporter ce poids. La pente doit être inférieure à 5. L'eau qui s'infiltre sous l'isolant entraîne des déperditions calorifiques. Il faut en tenir compte lorsqu'on définit l'épaisseur de l'isolant : augmenter l'épaisseur d'environ 20 %. Il est difficile d'éviter la présence de ponts thermiques le long des bords du toit. Entretien plus difficile que pour une toiture chaude non lestée. II - 5.

40 La somme des résistances thermiques des couches situées sous l'étanchéité ne peut excéder 30 % de la résistance thermique globale. Lorsque les conditions climatiques intérieures sont très sévères (classe de climat IV) ou lorsque le support a un effet isolant, il est nécessaire de déterminer par calcul l'absence de condensation sous l'étanchéité et l'absence de glace sous l'isolant. Les structures porteuses en matières végétales ou en fibres organiques et minérales liées au moyen d'un liant minéral, ont une épaisseur minimale de 18 mm afin de garantir une résistance thermique minimale de 0.2 m²k/w (NIT 134 p31). Une couche filtrante d'une charge surfacique d'au moins 120 gr/m² est placée entre l'isolant et la couche de lestage et de protection. Cette couche filtrante doit permettre la diffusion de vapeur, retenir peut d'eau et en rompre le film. Elle doit résister aux intempéries et être imputrescible. Il est déconseillé de poser deux couches d'isolant. Il peut, en effet, y avoir entre les deux couche un film d'eau qui agit en barrière de vapeur provoquant ainsi l'imprégnation de la couche inférieure par l'eau. La couche filtrante et la couche d'usure doivent être perméables à la vapeur pour éviter le même phénomène. II - 6.

41 Toiture combinée La toiture combinée consiste en un mélange des techniques "toiture chaude" et "toiture inversée". L'isolation est mise en place en deux couches. La première couche d'isolant est recouverte par la membrane d'étanchéité. La deuxième couche d'isolant est placée sur la membrane d'étanchéité. Un écran pare-vapeur est parfois interposé entre le support et l'isolant inférieur. Le lestage est nécessaire. Avantages Le pare-vapeur n'est pas nécessaire lorsque la résistance thermique de la couche supérieure est deux fois plus importante que la résistance thermique de la couche inférieure. La technique de la toiture combinée protège la membrane d'étanchéité contre les chocs thermiques et le rayonnement ultraviolet, et de ce fait, ralentit son vieillissement. Diminue les risques de condensation sous la membrane d'étanchéité en cas de précipitation lorsque les conditions climatiques intérieures sont sévères. L'isolant étant appliqué à l'extérieur de l'enveloppe du bâtiment il protège celle-ci des variations de température, et par conséquence, des dilatations et contraintes thermiques, du gel et des condensations. Lorsque le local couvert est à usage permanent, et lorsque le support est de type lourd, le système de la toiture combinée (comme celui de la toiture chaude et celui de la toiture inversée) augmente l'inertie thermique du local, et le rend plus confortable. Inconvénients Ce système n'est conseillé que lorsque des couches d'isolation très épaisses sont nécessaires. Entretien plus difficile que pour une toiture chaude non lestée. II - 7.

42 Toiture froide La toiture froide désigne la toiture plate dont l'isolant est placé en dessous du support de l'étanchéité avec une lame d'air ventilée interposée. Jadis régulièrement mis en oeuvre, ce système est actuellement complètement dépassé et est à proscrire. Avantages Aucun Inconvénients Condensation : l'isolation d'une toiture plate par ce système provoque presque inévitablement de la condensation interne. La vapeur d'eau qui migre de l'intérieur vers l'extérieur se condense sur le support d'étanchéité, dans l'isolant ou dans l'espace aéré et retombe sur l'isolant. La ventilation réelle de la lame d'air est souvent plus faible que celle nécessaire. Le support d'étanchéité est parfois beaucoup plus froid que l'air extérieur de ventilation dont la vapeur se condense sur la face inférieure de l'étanchéité (surrefroidissement). Lorsque le plafond n'est pas étanche à l'air, l'air intérieur chaud est aspiré dans l'espace ventilé et s'y condense d'autant plus que les courants d'air sont importants. Cette condensation peut entraîner l'altération de l'isolant et la suppression de son efficacité, la pourriture des planchers, le gel des matériaux, le décollement ou le ramollissement des matériaux agglomérés, le développement de moisissures, etc. II - 8.

43 De même que l'on évitera de réaliser des toitures froides, on s'abstiendra en règle générale de placer l'isolant à la face inférieur du plancher de toiture, dans un faux plafond, ou entre le plancher et le béton de pente. II - 9.

44 Avantages Aucun Inconvénients Condensation : l'isolation d'une toiture plate par ce système provoque presque inévitablement de la condensation interne. Cette condensation peut entraîner l'altération de l'isolant et la suppression de son efficacité, la pourriture des planchers, le gel des matériaux, le décollement ou le ramollissement des matériaux agglomérés, le développement de moisissures, etc. Chocs thermiques : un toit plat sans isolation thermique est déjà fortement sollicité par les variations de la température en sa partie supérieure. Les tensions thermiques sont cependant tempérées par la chaleur provenant de l'intérieur du bâtiment. A cause de la position de l'isolant du côté intérieur, les variations thermiques sont augmentées, et le support ou le béton de pente subissent donc des chocs thermiques importants et peuvent se fissurer. Ils peuvent également entraîner des désordres dans les parois latérales contiguës et dans la membrane d'étanchéité. Ponts thermiques : la pose de l'isolant sous la toiture sans interruption est difficile à cause des murs porteurs intérieurs. Les interruptions provoquent des ponts thermiques qui entraînent l'apparition de condensation de surface locale. II - 10.

45 Les supports Tant en construction neuve qu'en rénovation, la nature du support du complexe isolantétanchéité est généralement défini. C'est donc la nature du support qui influencera les techniques choisies pour réaliser l'isolation thermique et l'étanchéité, et non l'inverse. Les supports sont à considérer en fonction de leur : capacité portante, déflexion, coefficient de transmission thermique, comportement hygrothermique. Les dalles monolithes La dalle monolithe peut être : Un béton armé plein coulé sur place. Béton coulé sur place. La couche de compression d'éléments préfabriqués en béton ou en terre cuite. Couche de compression sur poutrains et claveaux. II - 11.

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