AVALOIRS DE TOIT À DÉBIT CONTRÔLÉ (ATDC) ASPE Québec - 11 mars 2014

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1 AVALOIRS DE TOIT À DÉBIT CONTRÔLÉ (ATDC) ASPE Québec - 11 mars 2014

2 Contenu de la présentation Une conséquence du développement urbain La charge hydraulique provenant d une pluie La gestion des eaux pluviales L avaloir de toit à débit contrôlé comme méthode de gestion Les caractéristiques d un ATDC La sélection d un ATDC

3 L une des conséquences du développement urbain

4 L imperméabilisation des surfaces et le ruissellement d eau L imperméabilisation des surfaces provenant des nouveaux développements crée une hausse du ruissellement.

5 Le ruissellement de l eau et le débit d eau vers le réseau pluvial municipal Une augmentation du ruissellement cause une augmentation du débit d eau vers le réseau pluvial municipal.

6 Le développement urbain et la capacité limite d un réseau Conséquemment, l imperméabilisation des sols augmente le ruissellement et le débit d eau vers le réseau pluvial municipal et à son épuisement où à sa capacité limite.

7 La précipitation de pluie et la charge hydraulique L article à l annexe de la division B, partie 2 du CNP indique que :

8 L intensité d une précipitation de pluie pour une ville spécifique Au tableau C-2 de l annexe C du CCQ: Note : Ainsi pour la ville de Québec, le tableau C-2 indique d utiliser une intensité de précipitation de 20mm sur 15 minutes pour un avaloir de toit standard.

9 Conversion d une précipitation de pluie en Litres (L) Les articles et du CNP indiquent que :

10 Charge hydraulique sur un toit en Litres (L) Les articles et du CNP indiquent que :

11 Charge hydraulique sur un toit en Litres (L) Pour la ville de Québec, un avaloir de toit standard sur la même surface est de :

12 Charge hydraulique sur un toit en Litres (L) Pour la ville de Québec, la charge hydraulique à un avaloir de toit standard sur une surface de 900m 2 est de :

13 La précipitation et l accroissement de l épaisseur d eau L accroissement de l épaisseur d eau sur un toit a lieu à un certain rythme qui peut être établi comme suit : Intensité (mm) = mm/min 15 minutes ou encore : Intensité (mm) = mm/s 900 s (900s = 15min x 60s/min)

14 La précipitation et l accroissement de l épaisseur d eau Pour la ville de Québec, l accroissement de l épaisseur d eau sur un toit a lieu à un rythme de : 20mm / 15min = 1,33mm/min ou encore : 20mm / 900s = 0,022mm/s

15 La précipitation et l accroissement de l épaisseur d eau Comme l accroissement de l épaisseur d eau a lieu sur une surface, elle peut aussi être exprimé en L/min ou encore en L/s comme suit : Surface (m 2 ) x Intensité (mm) = L/min 15 minutes Surface (m 2 ) x Intensité (mm) = L/s 900 s

16 La précipitation et l accroissement de la quantité d eau Pour la ville de Québec, l accroissement de la quantité d eau sur le toit de 900m 2 a lieu à un rythme de : 900m 2 x 20mm = 1200L/min (317gpm) 15 minutes (Sachant que 3.785L = 1gallUS) 900m 2 x 20mm = 20L/s (317gpm) 900s (Sachant que 1 L/s = 15,85gpm)

17 La précipitation et l accroissement de la quantité d eau L accroissement de la quantité en termes de «débit d eau» est une variable qui peut être utilisée dans les méthodes de calcul d un réseau d évacuation d eaux pluviales et dans les systèmes de gestion des eaux pluviales qui ont été mis en place par différentes villes au Québec. Les données du tableau 1 peuvent être utilisées pour convertir une précipitation de pluie en po./heure en GPM/pi 2.

18 La précipitation et l accroissement de la quantité d eau Tableau 1 Précipitation de pluie Conversion po./heure en GPM/pi 2

19 Le volume d eau provenant d une précipitation de pluie À Québec une précipitation de 15 minutes sur un toit plat de 900m 2 représente une épaisseur d eau de 20mm à un rythme de 20L/s (317gpm) et produit un volume d eau de L (4756gallUS) à la structure du toit. Un réseau d évacuation des eaux pluviales conventionnel devrait être capable d évacuer les eaux pluviales au même rythme qu elles tombent à la surface d un toit.

20 Le volume d eau provenant d une précipitation de pluie Conséquemment, les 18000L (4756gallUS) d eaux de pluie qui tombent sur le toit en 15 minutes doivent être évacués à l égout pluvial de la municipalité durant cette période. Soulignons que L d eau en 15 minutes sur un toit de 900m 2 suffit à remplir une piscine hors sol résidentielle d un diamètre de 15 pieds.

21 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie On comprend pourquoi la ville du Québec, par exemple, limite le débit de rejet en provenant d un lot vers son égout pluvial municipal à une valeur de 50L/s.ha. (1 hectare = m 2 ) ou moins et ce contrôle du débit de rejet peut se faire à l aide d avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC). Le règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2 de la ville de Québec indique qu un contrôle du débit de rejet à la source s applique sur une demande permis.

22 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie

23 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

24 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

25 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

26 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Le guide de gestion des eaux pluviales de la ville de Québec

27 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Extraits du guide de gestion des eaux pluviales

28 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Extraits du guide de gestion des eaux pluviales (Climat futur)

29 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie L article du CNP indique que :

30 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Courbes IDF établies par Environnement Canada.

31 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Tableau des IDF de Environnement Canada (Historique)

32 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Comparaison entre les tableaux des IDF La ville de Québec est donc plus exigeante quant au calcul de la charge hydraulique provenant d un avaloir de toit à débit contrôlé.

33 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie 30 minutes

34 Les données sur les précipitations de pluie

35 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie Une prévision dans le temps

36 Gestion du débit de rejet d une précipitation de pluie L analyse d une prévision versus la gestion

37 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) L usage des avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) remonte aux années 50. Exemple ATDC (brevet en 1965) :

38 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Comparativement à un avaloir de toit standard, un ATDC conserve une partie de l eau de pluie sur la toiture en limitant son évacuation à l aide d un déversoir.

39 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) L ATDC produit un emmagasinement d eau. L emmagasinement d eau sur le toit d un bâtiment est similaire à celui d un bassin de rétention. Un ATDC permet donc une gestion du rejet de l eau emmagasinée au toit d un bâtiment sur une certaine période de temps. L apport d eau maximal dans le réseau pluvial municipal est alors réduit.

40 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Un ATDC s apparente à un avaloir de toit standard à l entrée duquel un déversoir a été placé.

41 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) La géométrie du déversoir permet d obtenir un débit d eau prédéfini basé sur la hauteur d eau en amont du déversoir. Le débit ATDC = 5 gpmus / pouce C.E.

42 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) La géométrie du déversoir requis peut être déterminée en utilisant les principes de la mécanique des fluides avec des données expérimentales (cas d un dalot comme trop plein). b h Notes: H = hauteur d eau au-dessus de la base du dalot H = 2 pouces (pour usage primaire - comme un avaloir de toit) H = 1 pouce (pour usage secondaire - comme un trop plein) h hauteur dalot = 2 * hauteur d eau H Coordonner la hauteur d eau avec l ingénieur en structure

43 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Dalot ouvert (scupper channel type): Débit (gpm) = 2.9 bh 1.5 avec h H; Unités : pouces Débit (L/s) = bh 1.5 avec h H; Unités : mm Dalot fermé (scupper close type): Débit (gpm) = 2.9 (H 1.5 h ) avec h < H; Unités : pouces Débit (L/s) = b(h 1.5 h ) avec h < H; Unités : mm Source: FM Global septembre 2006

44 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Dalot ouvert Dalot fermé

45 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Par opposition aux ATDC à déversoir géométrie fixe, les ATDC à déversoir à géométrie variable (ajustable) sont utilisés pour obturer partiellement le déversoir afin de réduire le débit d eau évacué et permettent de nombreux ajustement.

46 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Les fabricants indiquent le débit d eau évacué par un ATDC à différentes épaisseurs d eau en amont du déversoir et ajustements. Ici le débit de l ATDC 10 gpmus / pouce C.E. Le débit d un ATDC est une fonction de la hauteur d eau en amont du déversoir!

47 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Courbe d un ATDC et données spécifiques Pas toujours linéaire

48 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Sur un ATDC, on peut augmenter le nombre de déversoirs au-dessus de un afin d augmenter le débit évacué en fonction de la hauteur d eau en amont des déversoirs.

49 La géométrie du toit là où l on a recours à un ATDC En plus de la précipitation de pluie et des caractéristiques de débit, la géométrie du toit doit être considérée afin de sélectionner le bon ATDC. Les toits peut avoir une géométrie à forme : - plat, - en pente, ou - en de pyramide inversé et dans chaque cas avec ou sans mur contiguë.

50 La géométrie du toit là où l on a recours à un ATDC Pour une même surface (la projection horizontale) : un toit plat contient 2 fois plus d eau qu un toit en pente et un toit plat contient 3 fois plus d eau qu un toit en pyramide inversé. Note : En 1969, l ACEC indique qu une pente de toit d au moins 1/4po/pied est requise avec des ATDC et qu une infiltration d eau dans le bâtiment va éventuellement se produire.

51 La géométrie du toit là où l on a recours à un ATDC Pour une même précipitation de pluie de 50mm (±2 pouces), après une heure, l eau atteint une hauteur de : 50mm (±2 pouces) sur un toit plat ; 100mm (±4 pouces) sur une toit en pente et 150mm (±6 pouces) sur un toit en pyramide inversé L VOLUME D EAU PISCINE 21 PIEDS

52 La géométrie du toit et la charge d eau qui en découle Chaque pouce de colonne d eau (C.E.) uniformément réparti à la surface d un toit correspond à une charge de 5.2 lb/pi 2.

53 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) L usage des ATDC augmente puisqu ils diffèrent l apport d eau évacuée au réseau pluvial municipal dans le temps. Plus la hauteur d eau augmente plus le débit moyen évacué par l ATDC augmente et conséquemment le temps de vidange du toit diminue (en fonction pente toit).

54 Les informations publiées par les manufacturiers d ATDC Certains manufacturiers d ATDC proposent en fonction du type de toit un déversoir d une hauteur de 3 pouces et un second de 6 pouces (pour les toits en pente). La hauteur de 6 pouces ne devraient pas être excédée puisque la capacité maximale de l ATDC est atteinte et la toiture est exposée à une éventuelle surcharge.

55 Les exigences et modifications au CNP Éventuellement, comme une hauteur d eau supérieure à 150mm (6 pouces) pourrait être atteinte, on doit avoir recours à un dalot (en guise de trop plein) ou encore à un avaloir de toit secondaire.

56 ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE SIPHON DE COURSE?!?

57 ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE SÉPARÉS ASSEMBLÉS COMBO OU

58 ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE AVEC SUPERVISION CONTRÔLE WIRELESS

59 Les avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC) Les ATDC sont sélectionnés afin de réduire le débit maximum évacué. Un ATDC choisi correctement ne devrait pas causer de débordement d écroulement. La sélection d un ATDC basée sur l épaisseur d eau maximale sans débordement ou effondrement et avec un débit minimal. La sélection correspond à la quantité d eau maximale possible sur un toit donné.

60 Les informations publiées par les fabricants d ATDC À Québec avec 1 déversoir sur un toit plat de 900m 2 (9684pi 2 ), la hauteur maximale d eau atteint de ±3 pouces. Le débit d eau évacué par le déversoir est alors de ±15gpm (3 po. x 5 gpm/po.).

61 Les informations publiées par les fabricants d ATDC Sur ce même toit plat, le volume d eau maximale est alors de: Volume = 900m 2 x (3 x 25,4)mm = L (±18119gallUS) Le temps de vidange (Draindown time) est de: Temps = 18119gallUS / (15/2)gpm 2416 minutes ou 40,3 heures

62 Le temps maximal de vidange de l eau emmagasinée Des restrictions s appliquent au niveau du temps de vidange (draindown time) de l eau sur un toit. Le CNP et l ASPE demandent que l eau sur le toit soit évacuée en moins de 24 heures et cela à cause de préoccupations par rapport au gel et à la croissance d algues et de moustiques dans de l eau stagnante nontraitée. Le Code de plomberie du Québec faisait état d un temps maximal de 12 heures.

63 Les autres préoccupations Les fabricants d avaloirs de toit et les compagnies d assurances ont aussi certaines préoccupations par rapport à un bassin d eau sur un toit. Une fuite d eau est prévisible

64 Sélection d un ATDC Les exigences du CNP

65 Exemple 1 : Sélection ATDC Première étape (toit plat) 1. Déterminer la surface totale du toit ou la surface individuelle couverte lorsque le toit est divisé par des joints d expansion ou des vallées dans le cas d un toit en pente : Surface totale toit = 60m x 150m = 9000m 2 Surface totale toit = 9000m 2 (96840pi 2 )

66 Exemple 1 : Sélection ATDC Deuxième étape 2. Diviser la surface totale du toit ou la surface couverte par l ATDC par la surface d un déversoir choisi afin d obtenir le nombre de déversoirs requis : On choisie la surface maximale par ATDC soit 900m 2 (9684pi 2 ) comme on désire limiter le nombre d ATDC. On peut dès lors augmenter le nombre de déversoirs par ATDC à plus de 1. Ici, on opte pour deux déversoirs par ATDC ou encore un surface de 450m 2 (4842pi 2 ) par déversoir. Comme la valeur de 5000pi 2 est tabulée pour un déversoir, on choisi cette valeur : Nombre déversoirs = 96840pi 2 / 5000pi 2 = 19,3 déversoirs disons 20 déversoirs donc deux par ATDC.

67 Exemple 1 : Sélection ATDC Deuxième étape (suite) SOLUTION POSSIBLE :

68 Exemple 1 : Sélection ATDC Troisième étape 3. Déterminez les caractéristiques de chaque ATDC à partir du tableau du fabricant : À Québec avec 5000 pi2, le manufacturier indique un débit sur un toit plat de 13,5 gpm à une hauteur d eau de 2,7 pouces et un temps de vidange de 18 heures qui rencontre les exigences du CNP.

69 Exemple 1 : Sélection ATDC Troisième étape suite Il faut choisir un ATDC qui possède deux déversoirs capables d évacuer 13,5 gpm par déversoir à partir des données du fabricant: Un ATDC de 2 pouces avec 2 déversoirs permet d atteindre le débit recherché même l excède. Le débit maximal à un ATDC = 27 gpm (1,70 L/s).

70 Exemple 1 : Sélection ATDC Quatrième étape 4. Établir les diamètres du réseau d évacuation d eaux pluviales : Le débit à l ATDC de 1,70 L/s est converti en L (Article du CNP) : Charge = 1,70 L/s x 900L/1L/s = 1530 L

71 Exemple 1 : Sélection ATDC Quatrième étape (suite) Diamètres avec des ATDC : Diamètres avec des avaloirs de toit standards :

72 Exemple 2 : Sélection ATDC Bâtiment à Québec avec deux toits dont l un possède une surface verticale contiguë comme un mur. La pente totale des toits est de 6 pouces.

73 Exemple 2 : Sélection avec des avaloirs de toit standards Lorsque l on dimensionne un avaloir de toit standard, le CNP, tout comme les lignes guides de conception de l ASPE indiquent d ajouter que la moitié de la surface de la plus grande surface contiguë à la surface de la projection horizontale de l aire à desservir par l avaloir : Pour des avaloirs standards, avec une précipitation de 20 mm (15 min) à Québec, on a : AT1 : Surface = 2500 pi 2 (232,3 m 2 ) Débit = 232,3 m 2 x 20mm = 4646 L AT2 : Surface = 2000 pi 2 + (3000/2) pi 2 = 3500 pi 2 (325,3 m 2 ) Débit = 325,3 m 2 x 20mm = 6506 L

74 Exemple 2 : Sélection avec des avaloirs de toit standards (SOLUTION POSSIBLE)

75 Exemple 2 : Sélection avec des avaloirs de toit standards (SOLUTIONS POSSIBLES)

76 Exemple 2 : Sélection ATDC 1 Étapes 1, 2 et 3 (toit pente 6 ) 1. Surface du déversoir de l ATDC 1 = 2500 pi 2 (232,3 m 2 ) 2. Nombre de déversoir dans l ATDC 1 = 1 3. Caractéristiques : Débit = 21,5 gpm (1,36 L/s) avec une hauteur d eau maximale de 4,3 pouces et un temps de vidange de 3,5 heures.

77 Exemple 2 : Sélection ATDC 1 Confirmation avec le fabricant Le fabricant fournit un tableau qui indique le débit du déversoir : Selon ce tableau, un avaloir de toit de 2 pouces avec 1 déversoir convient à cette application car un déversoir fourni 5 gpm/po.c.e. fois 4,3 po. = 21,5 gpm comme requis. Charge = 21,5 gpm = 1,36 L/s = 1124 L

78 Exemple 2 : Sélection ATDC 1 Étape 4 (DIAMÈTRES - SOLUTION POSSIBLE)

79 Exemple 2 : Sélection ATDC 2 Étapes 1, 2 et 3 (toit pente 6 ) L approche utilisée avec un avaloir de toit standard en présence d un mur contiguë n est pas valide pour la sélection d un ATDC. Exemple d une mauvaise approche!!! : AT2 : Surface = 2000 pi 2 + (3000/2) pi 2 = 3500 pi 2 (325,3 m 2 ) Par interpolation, le débit = 22,1 gpm (1,4 L/s) avec une hauteur d eau maximale de 4,42 pouces et un temps de vidange de 5,3 heures.

80 Exemple 2 : Sélection ATDC 2 L approche à préconiser AT2 : Surface = 2000pi 2 + (3000/2)pi 2 = 3500pi 2 Avaloir de toit standard : Précipitation d eau = 2,4 po./h Densité précipitation = 0,0250 gpm/pi 2 Débit à 3500pi 2 = 0,0250 gpm/pi 2 x 3500pi 2 Débit à 3500pi 2 = 87,4 gpm Densité à 2000pi 2 = 87,4 gpm / 2000pi 2 Densité à 2000pi 2 = 0,04368 gpm/pi 2 ATDC correspondante : Densité à 2000pi 2 = 0,0250 gpm/pi 2 Débit à 2000pi 2 = 0,0250 gpm/pi 2 x 2000pi 2 Débit à 2000pi 2 = 50 gpm

81 Exemple 2 : Sélection ATDC 2 L approche à préconiser Hauteur d eau maximum : Hauteur max. = 50 gpm / 2 déversoirs / 5 gpm/po. Hauteur max. = 5 po. Temps de vidange : Temps vidange (5/12) pi x 2000 pi2 x 7,48 gall/pi3 / (50/2) gpm Temps vidange 249 min. ou 4,1 heures On peut avoir recours à un ATDC de 3 po. à 2 déversoirs qui évacue le débit requis (voir page suivante).

82 Exemple 2 : Sélection ATDC 2 Confirmation avec le fabricant Le fabricant fournit un tableau qui indique le débit du déversoir : Selon ce tableau, un avaloir de toit de 3 pouces avec 2 déversoirs convient à cette application car 2 déversoirs fournissent 2 x 5 gpm/po.c.e. x 5 po. = 50 gpm comme requis. Charge ATDC 2 = 50 gpm = 3,15 L/s = 2839 L

83 Exemple 2 : Sélection ATDC 2 (DIAMÈTRES - SOLUTION POSSIBLE)

84 Particularités des tableaux de calcul des ATDC Les données des tableaux de calcul des ATDC ne sont pas assez récentes et remontent aux années 1961 et Les données des tableaux sont basées sur des pluies de 50 et 100 ans. Les méthodes de calcul modernes peuvent être utilisées pour choisir les ATDC en plus d utiliser les paramètres de conception requis comme la période de récurrence d une pluie.

85 La modélisation dans le calcul d un ATDC Le problème du concept fondamental d un ATDC est similaire à un problème de mécanique des fluides où l on a un réservoir contenant de l eau et qui est drainé par l entremise d une ouverture.

86 La modélisation dans le calcul d un ATDC

87 Exemple de gestion de l eau de pluie

88 Les ATDC fin de la présentation