La construction dans les régions sujettes à la neige exige une approche rigoureuse de la conception et de la construction de structures qui dépasse de loin les pratiques générales de construction.Le poids de la neige, combiné au potentiel des barrages de glace, de la dérive et du gel des cycles, crée des défis uniques qui doivent être abordés par des codes de construction soigneusement conçus.Ces codes ne sont pas seulement des suggestions; ils sont des normes juridiquement exécutoires qui protègent les vies et les biens.

Concepts de base de la charge de neige dans les codes de construction

La pierre angulaire des codes de construction liés à la neige est la détermination précise des charges de neige. Un toit de bâtiment doit être capable de supporter l'accumulation maximale de neige prévue sans déflexion ou défaillance excessive.

Charge de neige au sol

La charge de neige au sol (pg) représente le poids de la neige au sol à un endroit donné, habituellement exprimé en livres par pied carré (psf) ou en kilopascals (kPa). C'est le point de départ pour tous les calculs de la charge de neige au toit.Les codes du bâtiment fournissent des cartes (p. ex., la figure 1608.2 du BAC) qui montrent les valeurs de la charge de neige au sol à travers le pays. Ces cartes sont basées sur un intervalle moyen de 50 ans de récurrence, ce qui signifie qu'il y a une probabilité annuelle de dépassement de 2 %.

Charge de neige sur le toit

La charge de neige sur le toit (pf) est généralement inférieure à la charge de neige sur le toit, car la neige sur le toit est sujette à la fonte, au glissement et au vent. Les codes fournissent des formules pour convertir la charge de neige sur le sol en charge de neige sur le toit, en tenant compte de facteurs comme :

  • [Ce[][]][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:
  • [][[Compte des pertes de chaleur du bâtiment.
  • Comme mentionné, un multiplicateur pour les bâtiments dont la défaillance présenterait un risque plus élevé (p. ex. hôpitaux, écoles, installations d'urgence).

La formule de base de l'ASCE 7 (Charges minimales de conception pour les bâtiments et autres structures) est p[f = 0,7 × C[e × C[t × I[s × pg.

Charges inégales et de drifting

Les codes de construction exigent que les concepteurs tiennent compte des charges de neige déséquilibrées causées par le vent, la géométrie du toit et les structures adjacentes.

  • Dérivation vers le vent/vers le sol: Courbure de neige des pentes et des dépôts vers le vent sur les pentes vers le vent, créant parfois des charges deux à trois fois la charge équilibrée.
  • Dérision du toit :[ La neige s'accumule contre des parois ou des parapets plus hauts, formant des dérives profondes.
  • Les charges de vallée: Les intersections des plans de toit (p. ex., les pignons croisés) peuvent piéger la neige.
  • Les barrages et les bassins de glace :[ La réverbération des eaux de fonte aux arbustes ajoute du poids et peut surcharger les systèmes de drainage.

Les codes (article 1608 de la CBI, chapitre 7 de l'ASCE) fournissent des procédures détaillées pour le calcul de ces charges dérivées.

Éléments de conception structurelle pour la résistance aux neiges

Une fois les charges déterminées, le système structural doit être conçu pour résister à ces contraintes, ce qui implique non seulement le pont de toit, mais aussi le chemin de charge à travers les fermes, les poutres, les colonnes et les fondations.

Pente de toit et géométrie

Les codes ne prévoient pas de pente spécifique, mais ils reconnaissent que les pentes au-dessus d'un certain seuil (généralement 1 sur 2 ou 2 sur 12) permettent de glisser la neige, réduisant ainsi les charges de conception. Cependant, la neige coulissante peut créer des risques pour les occupants, les piétons et les voitures garées.

Les toits plats ou à pente basse (en dessous de 1 sur 4) exigent une attention particulière au drainage et à l'étang.Les codes exigent des pentes minimales pour l'écoulement du toit (généralement 1/4 pouce par pied), et pour la conception structurale, ils exigent une considération d'instabilité de l'étang – une accumulation progressive d'eau qui peut conduire à l'effondrement.

Continuité du trajet de chargement

Un bâtiment n'est que aussi fort que sa connexion la plus faible. Les codes exigent que toutes les charges soient transférées en continu du pont du toit à la fondation.

  • Raccords de pont à travers le sol: Le revêtement de toit doit être cloué ou vissé correctement sur des chevrons ou des fermes, avec des motifs qui résistent à la fois au soulèvement (vent) et à la charge de neige vers le bas.
  • Raccordements de structure:[ Les plaques de connecteur métallique en traverses doivent être conçues pour la pleine charge. Dans les zones de neige épaisse, les codes exigent souvent une épaisseur accrue de plaque de connecteur ou plus de clous.
  • Les murs et colonnes portant des charges:[ Ces éléments doivent être dimensionnés pour transporter les charges cumulatives de toit plus les charges réelles des étages supérieurs.Les charges de neige sont considérées comme des charges réelles mais sont souvent traitées comme des charges à court terme; des contrôles de fluage et de déviation à long terme peuvent être nécessaires pour les structures en bois.
  • Fondation: La taille et la profondeur du pied doivent tenir compte des charges de neige associées au gel au sol. Dans les régions très froides, la profondeur du gel peut dépasser 4 pieds, et les codes exigent des fondations en dessous de cette profondeur pour éviter le gel.

Les chapitres 16 (Conception structurelle) et 23 (Bois) du document IBC contiennent ces prescriptions en détail.

Sélection du matériel

Le choix du matériau affecte directement la capacité d'un bâtiment à supporter des charges de neige en toute sécurité.

  • Bois: Utilisé couramment pour la construction résidentielle dans les régions de neige. Les codes (National Design Specification for Wood Construction) prévoient des ajustements pour la durée de la charge – les charges de neige sont considérées comme à court terme (moins de 10 ans), ce qui permet des contraintes plus élevées que pour les charges permanentes.
  • Acier: Utilisé pour les toits commerciaux et industriels. L'acier est solide et ductile, mais les codes exigent une prise en compte des effets de dérive de la neige et du potentiel de flambage local.
  • Concrete: Les toits préfabriqués ou moulés sont courants dans les écoles et les hôpitaux. L'autopoids du béton est important, donc la conception de la charge nette de neige est essentielle. Les codes nécessitent également un renforcement pour la température et le rétrécissement des fissures qui pourraient être aggravées par les charges de neige.
  • Matériaux de toiture:[ Le revêtement métallique (souple, fixation exposée) est favorisé pour la couverture de neige, mais doit être fixé pour résister au soulèvement.Les bardeaux d'asphalte peuvent supporter des charges modérées mais peuvent entraîner des dommages au barrage de glace. Le code exige que le revêtement du toit soit évalué en fonction des conditions de neige et de glace prévues (p. ex., ASTM D3161 pour la résistance au vent, mais les essais spécifiques à la neige sont moins fréquents; il faut davantage compter sur le pont de structure).

Connexions et détails

Les codes exigent que toutes les connexions dans le trajet de charge soient conçues pour la charge ultime (conception de la force) ou la contrainte de travail (conception de la contrainte admissible).

  • Pour le soulèvement du vent combiné à la neige, il faut des attaches de chevrons aux murs jusqu'aux fondations. La neige peut ancrer le toit, mais le vent peut le soulever; les codes combinent ces effets.
  • Extension et contraction:[ Les grands toits s'étendent et se contractent avec la température. Les charges de neige peuvent exacerber les mouvements thermiques.
  • Raccords de toit à mur:[ Dans les zones à neige profonde, la connexion entre les fermes de toit et les plaques supérieures doit être notée pour les charges verticales et horizontales.

Dispositions supplémentaires du Code pour la sécurité hivernale

La résistance à la charge de neige dépasse la capacité structurale pure. Les codes traitent de plusieurs autres dangers uniques aux climats froids.

Prévention des barrages de glace

Les barrages de glace se forment lorsque la chaleur du bâtiment fait fondre la neige sur le toit supérieur, et l'eau se regele à l'eau plus froide. L'eau piégée peut se remettre sous des bardeaux, causant des fuites et des pourritures qui compromettent la structure du toit.

  • Sous-couche de barrière de glace :[ Une membrane étanche autocollante installée aux arêtes, s'étendant au moins 24 pouces à l'intérieur de la ligne de paroi extérieure (ou plus dans des climats sévères).
  • Aération et isolation de la toiture :[ Pour maintenir le pont du toit à froid, les codes exigent une zone de ventilation minimale (1:300 ratio) et une isolation avec une valeur R adéquate pour empêcher le transfert de chaleur.
  • Drainage: Les gouttières et les downspouts doivent être dimensionnés pour le ruissellement de la fonte des neiges.

Charges de drift de neige sur les toits et les structures adjacentes

Pour les marches de toit (où un toit inférieur fait face à un mur plus haut), le code fournit des équations pour calculer la hauteur et l'intensité de la dérive. Par exemple, ASCE 7-16 La section 7.7 précise que la charge de dérive est une distribution triangulaire avec une charge maximale de pd[ = γ × hd, où γ est la densité de neige et h]dd est la hauteur de dérive.

Toit-Drainage et Pondage

Le BAC (section 1611) et l'ASCE 7 (chapitre 8) exigent que les toits soient conçus pour drainer l'eau dans les 48 heures et que le système structurel soit contrôlé pour déceler l'instabilité des bassins, condition où la déviation du toit sous l'eau entraîne une étang plus profond, entraînant une plus grande déviation, etc. Les codes exigent une pente minimale de 1/4 pouce par pied pour le drainage du toit et des drains secondaires (ponts, débordements) de 100 ans.

Givre et pied de pied

Dans les régions sujettes à la neige, le sol gèle profondément. Les codes de construction exigent que les pieds soient placés sous la ligne de gel pour empêcher le givre, c'est-à-dire le mouvement ascendant du sol en raison de la congélation de l'eau. Les profondeurs de gel typiques dans le nord des États-Unis et au Canada varient de 3 à 6 pieds.

Adoption, exécution et modifications locales du Code

La compréhension du processus d'adoption du code est essentielle pour les professionnels de la conception. Le GRV et le CRI sont des codes modèles; les États et les administrations locales les adoptent avec des modifications qui peuvent modifier considérablement les exigences en matière de charge de neige.

Cartes des charges de neige

Le BAC fournit une carte de base de la charge de neige, mais de nombreuses juridictions la remplacent par des cartes plus détaillées spécifiques à l'état. Par exemple, New York, Minnesota et Colorado ont leurs propres cartes reflétant les données historiques et récentes de chute de neige. Les concepteurs doivent vérifier quelle carte s'applique dans la juridiction du projet.

Variations locales

Les modifications locales communes comprennent:

  • Charges de neige plus élevées au sol :[ Certaines municipalités font passer l'événement de 50 ans à 100 ans pour tous les bâtiments.
  • Exigences particulières de dérive :[ Par exemple, dans les zones où les ceintures de neige sont connues (p. ex. zones de neige à effet lac), les codes peuvent exiger des charges de dérive plus élevées ou une charge de neige sur tous les gouttières.
  • Entretien et enlèvement:[ Certains codes locaux incluent des exigences opérationnelles, comme l'obligation pour les propriétaires de bâtiments d'enlever la neige des toits lorsque les charges dépassent un certain pourcentage de la charge de conception.

Inspections et certification

Pendant la construction, les responsables du bâtiment inspectent les éléments structuraux pour vérifier leur conformité.

  • Fonctionnement et connexions de la faille: S'assurer que les roulements de la truss sont sur des supports solides, non sur des murs secs ou de l'air.
  • Installation de la barrière de glace:[ Vérifier le chevauchement approprié et l'auto-scellement autour des pénétrations.
  • Installation de la protection contre les neiges: Certaines juridictions exigent des aménagements de protection contre les neiges.
  • Continuité du trajet de charge:[ Vérifier que les traverses de crête, les traverses de collier et les traverses de chevrons sont installés par plans.

Le International Code Council fournit la certification aux responsables du code, et de nombreuses localités exigent que les inspecteurs aient une formation supplémentaire sur la conception de la charge de neige.

Études de cas et leçons tirées des défaillances structurelles

L'examen des échecs passés renforce l'importance d'une conformité rigoureuse au code.

L'épicerie du Minnesota 2011 s'effondre

En janvier 2011, un toit s'est effondré dans une épicerie de St. Cloud, au Minnesota, tuant une personne et en blessant plusieurs personnes. La défaillance a été attribuée à une combinaison de neige extrêmement lourde (qui dépassait les 50 ans d'existence) et de charges déséquilibrées de dérive. Le toit était un plan plat, à faible pente avec un drainage inadéquat et aucune considération des charges de dérive dans la conception originale (qui était basée sur des dispositions de code plus anciennes).

Les chutes de toit du Massachusetts 2014

Plusieurs effondrements de toit ont eu lieu, dont une église et un entrepôt. Les enquêtes ont révélé que de nombreuses structures avaient été construites sous des codes plus anciens avec des charges de neige plus faibles (p. ex. 30 psf) que les charges réelles de l'hiver (estimation 70-100 psf). Les événements ont conduit à des mises à jour du code d'urgence et à une pression pour des mises à jour plus fréquentes des cartes de la charge de neige, qui intègrent maintenant les projections du changement climatique.

Ces cas soulignent la nécessité pour les concepteurs de respecter non seulement le minimum de code, mais aussi de considérer le potentiel d'événements extrêmes, en particulier dans un climat changeant.FEMA a publié des lignes directrices sur la sécurité de la charge de neige et l'évaluation des risques pour les bâtiments existants.

Considérations relatives aux changements climatiques et tendances futures du Code

Les changements climatiques modifient les tendances des chutes de neige, augmentant la fréquence des tempêtes de neige extrêmes dans certaines régions et diminuant les chutes de neige globales dans d'autres. Les codes du bâtiment commencent à intégrer ces changements.

Augmentation des charges de neige au sol

Par exemple, l'État de New York a mis à jour ses cartes de la charge de neige en 2018 en se fondant sur les données jusqu'en 2015, ce qui montre une augmentation de 10 à 20 % dans de nombreux secteurs. L'édition IBC=2024 devrait inclure une nouvelle carte de la charge de neige basée sur les données climatiques mises à jour.

Événements de pluie sur neige

L'un des scénarios les plus dangereux est la forte pluie qui tombe sur un tas de neige. La pluie ajoute du poids et peut déclencher des coulées de glissement ou de louche. ASCE 7-22 comprend maintenant une charge de pluie sur neige pour les toits avec des pentes de moins de 1/2 pouce par pied.

Cycles de gel et d'intrusion dans l'humidité

Les hivers plus chauds avec plus de cycles de gel et de dégel peuvent conduire à la formation de barrages glaciaires, même dans les régions où les hivers froids étaient stables. Les codes répondent en exigeant une étanchéité et un contrôle de la vapeur plus robustes.

Résilience et design adaptatif

Les concepteurs de projets de prospective vont au-delà des codes prescriptifs pour adopter une conception axée sur la performance, en utilisant l'évaluation probabiliste des risques pour les structures de taille pour une gamme de charges de neige possibles.Cette approche peut être plus rentable que simplement augmenter les charges, et elle offre une meilleure résilience.

Recommandations pratiques pour les professionnels

Pour assurer la conformité et la sécurité, les professionnels travaillant dans les régions sujettes à la neige devraient adopter les pratiques suivantes:

  • Vérifie toujours l'édition de code applicable et les modifications locales. Le code en vigueur peut changer à mi-projet; utiliser les suppléments de l'année et de la juridiction locale.
  • Engineer un ingénieur de structure pour tous les toits résidentiels sauf les plus simples. Les charges de dérive de neige et les complexités de géométrie du toit nécessitent un calcul professionnel.
  • Utilisez les cartes les plus récentes de la charge de neige. Si le code local utilise une carte plus ancienne, envisagez de réaliser une étude spécifique au site, en particulier pour les bâtiments importants.
  • Documenter toutes les hypothèses et tous les calculs de conception. Cela protège contre la responsabilité et aide pendant les inspections.
  • Coordonner avec les entrepreneurs de toiture sur la barrière de glace, les garde-neige et le drainage. De nombreuses défaillances résultent d'une mauvaise installation, et non d'une conception.
  • Plan d'accès au déneigement. Veiller à ce que les trappes de toit, les surfaces de marche et les ancres pour la protection contre les chutes fassent partie de la conception.
  • Restez informé des mises à jour de code. Rejoignez des organisations comme [NIBS et assistez à des séminaires sur la conception de la charge de neige.

Conclusion

Pour construire en toute sécurité dans les régions sujettes à la neige, il faut bien comprendre les éléments de code spécialisés.De l'informatique des charges de neige au calcul de la dérive à la sélection des matériaux appropriés et à la continuité de la trajectoire de charge, chaque décision est importante. Les récentes mises à jour du code reflétant les changements climatiques et les leçons tirées des échecs passés font de ce domaine un domaine en évolution.