Les contraintes thermiques dans les vitrages - évaluation et décision

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Les contraintes thermiques dans les vitrages : évaluation et décision P. Steenhoudt . tt Novembre 2004 r Centre Scientifique & Technique de la Construction Table des matières 1 INTRODUCTION.................................................................................................................................. 3 2 CONTRAINTES ET CASSES THERMIQUES DES VITRAGES ....................................................................... 3 3 PARAMÈTRES INFLUENÇANT LE RISQUE DE CASSE THERMIQUE............................................................. 5 3.1 Les conditions climatiques ..................................................................................................... 5 3.2 Les caractéristiques du vitrage .............................................................................................. 5 3.3 La pose du vitrage.................................................................................................................. 6 3.4 L’orientation et l’inclinaison du vitrage ................................................................................... 6 3.5 Les ombres portées et les réflexions extérieures .................................................................. 6 3.6 L’environnement intérieur....................................................................................................... 7 3.7 Les films et autocollants..........................
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            Les contraintes thermiques dans les vitrages : évaluation et décision  P. Steenhoudt                    Centre Scientifique & Technique de la Construction   Novembre 2004  
Table des matières  1 INTRODUCTION..................................................................................................................................3 2 CONTRAINTES ET CASSES THERMIQUES DES VITRAGES.......................................................................3 3 PARAMÈTRES INFLUENÇANT LE RISQUE DE CASSE THERMIQUE.............................................................5 3.1 Les conditions climatiques.....................................................................................................5 3.2 Les caractéristiques du vitrage..............................................................................................5 3.3 La pose du vitrage..................................................................................................................6 3.4 L’orientatione t l’inclinasion du vitrage...................................................................................6 3.5 Les ombres portées et les réflexions extérieures..................................................................6 3.6 L’environnement intérieur.......................................................................................................7 3.7 Les films et autocollants.........................................................................................................7 4 EVALUATION DU RISQUE DE CASSE THERMIQUE...................................................................................8 4.1 Méthode selon le FIV 01 « Evaluation des contraintes thermiques dans les vitrages »........9 4.2 Méthode selon la norme française NF P 78-201-1/A1 – DTU 39 (France, Vitrage Décision) 11 4.3 Méthode selon « Glass and thermal safety » de Pilkington.................................................14 4.4 Cas pratiques d’évaluation du risque de casse thermique..................................................15 5 POSSIBILITÉS OFFERTES PAR LES LOGICIELS DE SIMULATIONS THERMIQUES.......................................18 6 COMMENTAIRES..............................................................................................................................19 BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................20  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 2
1 Introduction La problématique de la casse thermique des vitrages doit être prise en considération lors de la conception des doubles façades ventilées (DFV). Le choix de ces façades est souvent étroitement lié aux systèmes de chauffe et de refroidissement du bâtiment. Des dispositifs assurant la circulatio1n de l’air et des protections solaires intégrées dans les cavités séparant les vitrages sont prévus.  Ce sont autant d’éléments susceptibles d’accroître les risques de casse thermique. L’évaluation de ce risque fait appel à des méthodes de calcul complexes qui prennent en compte tous les éléments exerçant une influence sur la température du verre. Les méthodes disponibles actuellement ont été mises au point uniquement pour des vitrages simples ou multiples intégrés dans une façade à simple paroi. Ces méthodes sont examinées dans le cadre de cette étude, avant d’envisager le développement ou l’élargissement d’une d’entre elles au cas des doubles façades ventilées. 2 Contraintes et casses thermiques des vitrages Une cause majeure des bris de vitrage dans les bâtiments est l’apparition de contraintes thermiques dans le verre. Ces contraintes sont la conséquence d’un gradient de température formé dans le plan du vitrage. Celui-ci peut-être induit par différentes sources de chaleur ou de refroidissement. Souvent, dans un vitrage simple ou un vitrage multiple, ce gradient s’établit entre la zone du vitrage exposée aux rayons du soleil et la zone périphérique protégée par le châssis ou une autre zone ombrée par un élément extérieur (auvent, terrasse surplombante,.bâtiment à proximité, arbre, ). Lorsque les rayons du soleil atteignent la surface du verre, leur énergie est soit absorbée, soit réfléchie ou transmise à travers le verre. L’énergie qui est absorbée par le verre génère une augmentation de la température de celui-ci et les conditions d’équilibre préexistantes sont rompues. Si le verre est chauffé uniformément par cette absorption d’énergie et que son support autorise la dilatation du verre, aucune contrainte n’est induite. En revanche, si le verre n’est pas chauffé de manière homogène, on observe au sein de ce dernier une différence de température qui génère des allongements différentiels. La partie plus froide du verre empêche la partie plus chaude de se dilater librement, ce qui donne naissance à des contraintes de compression dans la partie chaude et de traction dans la zone froide. Ces contraintes thermiques sont proportionnelles à la différence de température observée. Le verre étant nettement moins résistant à la traction qu’à la compression, les contraintes de traction sont susceptibles de dépasser la contrainte de rupture du verre. Le cas échéant, il s’ensuit un bris de vitrage. On parle alors de casse thermique. La plupart du temps, les casses thermiques prennent naissance au bord du vitrage qui constitue la zone de moindre résistance. La rupture est caractéristique et différente d’une                                                  1 Les différents concepts de DFV sont exposés dans le document ‘Classification & illustration des concepts de DFV’. CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 3
rupture due à un effort mécanique. Le plan de rupture est d’abord perpendiculaire à la fois au bord et aux deux faces du vitrage. Ensuite, la fracture se propage en se divisant éventuellement en deux ou plusieurs branches de fracture.    Les contraintes thermiques et la problématique de la casse thermique des vitrages ont été mises en évidence lors de l’apparition des verres de contrôle solaire à forte absorption énergétique. Sous l’effet de l’ensoleillement, un vitrage s’échauffe d’autant plus que son absorption énergétique est plus élevée. Lorsqu’un risque de casse thermique existe, il y a lieu d’utiliser du verre trempé ou du verre durci qui résistent à des différentiels de température relativement élevés (respectivement ± 200 et 100°C). Un verre recuit ne supporte qu’une différence de température d’environ 30°C. Le verre trempé sera choisi si une résistance mécanique supérieure est recherchée ou pour des raisons de sécurité (protection contre les blessures). Plusieurs méthodes de calculs ont été développées pour évaluer le risque de casse thermique en fonction de la pondération de chacun des paramètres susceptibles de créer un différentiel de température au sein du vitrage.  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 4
3 Paramètres influençant le risque de casse thermique Ci-après sont renseignés les principaux paramètres qui influencent la température du verre, génèrent des contraintes thermiques et augmentent par conséquent le risque de casse thermique des vitrages. 3.1 Les conditions climatiques La température du vitrage dépend directement de l’intensité du rayonnement solaire qui l’atteint. Celle-ci varie notamment en fonction du moment de la journée, de l’emplacement géographique du bâtiment, de la saison, du type de ciel (couvert, nuageux) et de la pollution atmosphérique. La température extérieure est la plus basse durant la nuit. Elle augmente progressivement durant la journée avec l’appartiion du soleil. Le vitrage suit cette variation de température alors que l’inertie thermique de l’encadrement du vitrage freine l’augmentation de la température des bords du vitrage. C’est donc la différence maximale de température entre le jour et la nuit et l’intensité maximale du rayonnement solaire qui doivent être prises en compte pour évaluer le risque de casse thermique en fonction des conditions climatiques. 3.2 Les caractéristiques du vitrage La capacité d’absorption du flux d’énergie solaire est une caractéristique du verre qui influence directement le taux de contraintes thermiques. Plus le facteur d’absorption énergétique du vitrage est élevé et plus le risque de casse thermique est élevé. Cette valeur peut être obtenue auprès des fabricants. La finition et l’état des bords constituent également des paramètres importants en regard de la casse thermique des vitrages. Un bord présentant des écailles entraînera la rupture du verre à des contraintes thermiques inférieures à celles supportées par un verre dont les bords sont sans écaille. Le rodage des bords permet en partie de réduire le risque de casse thermique.  Le même raisonnement s’applique à la surface du verre qui sera plus sensible aux casses thermiques si elle est gravée, sablée ou seulement griffée. Les dimensions des verres contribuent aussi au risque de casse thermique. Plus celles-ci sont importantes, plus la surface développée par les bords du verre (produit du périmètre par l’épaisseur) est grande et plus la probabiilté d’observer des défauts de bord est élevée. La composition du vitrage (nombre de verres, largeur des lames d’air) influence également le risque de casse thermique. Tout autre facteur étant égal, la température du verre extérieure d’un double vitrage est habituellement supérieure à celle d’un simple vitrage. Ceci s’explique par le faible transfert de chaleur au travers de la lame d’air. L’effet sera d’autant plus prononcé que le vitrage est triple. Le même problème se pose lorsque des vitrages sont montés dans des châssis coulissants ou pouvant amener un vitrage devant un autre. Dans ce cas, la superposition des vitrages ou la présence d’un montant derrière un vitrage peut conduire à une augmentation de la température du verre extérieur étant donné le peu de ventilation et l’énergie radiante du montant (voir aussi § 3.6).  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 5
3.3 La pose du vitrage Les gradients de température dans un vitrage dépendent aussi des éléments qui le supportent et l’encadrent.  Plus li’nertie thermique de l’ensemble du châssis ou du cadre est élevée et plus la température du pourtour du verre sera inférieure à celle de la partie visible. Cette inertie dépend à la fois des propriétés des matériaux qui constituent le châssis et de la conception de celui-ci. Le risque de casse thermique sera, par exemple, moins élevé pour un vitrage posé dans un châssis en aluminium avec coupure thermique que pour un même vitrage posé dans un châssis en bois ou en acier. De même, les propriétés thermiques des matériaux de construction qui constituent la baie ont une influence. Si le châssis ou le cadre est en contact direct avec une structure en béton, il restera froid plus longtemps que si la structure est en bois. Il convient d’ailleurs d’isoler au mieux le châssis du reste du bâtiment de manière à réduire les risques de casse thermique. 3.4 L’orientation et l’inclinaison du vitrage Si un vitrage est exposé au soleil, le risque de casse thermique est accru. Dans l’hémisphère nord, les vitrages non exposés sont ceux dont l’orientation est comprise entre - 60° et + 45° autour du nord (zone non hachurée). L’inclinaison du vitrage doit aussi être considérée puisque l’incidence du rayonnement solaire varie avec l’angle d’inclinaison. Si un vitrage est faiblement incliné par rapport à l’horizontal, sa surface interceptera une plus grande quantité du rayonnement solaire. Autrement dit, les risques de casse thermique sont plus importants pour un vitrage en toiture que pour un vitrage en façade. De plus, selon l’inclinaison, une part plus ou moins importante des contraintes dues au poids propre du vitrage vient s’additionner aux contraintes d’origine therimque. Cet effet est surtout important lorsque le vitrage ne repose que sur deux de ses côtés. Signalons encore qu’un vitrage de toiture en porte-à-faux dont une partie a les deux faces en ambiance extérieure présente un risque élevé de casse thermique. 3.5 Les ombres portées et les réflexions extérieures Un ombrage partiel et prolongé peut générer un gradient de température entre deux zones du vitrage. C’est le cas lorsqu’un vitrage exposé au solei lest en partie abrité par un auvent, une marquise, des balcons, des stores ou des murs attenants. Il faut aussi tenir compte de la présence à proximité du vitrage d’arbres ou de bâtiments pouvant projeter des ombres. Un vitrage posé en retrait du plan de la façade sera également partiellement ombré. La présence de surfaces réfléchissantes (neige, eau, bâtiment blanc) à proximité augmente la quantité d’énergie lumineuse absorbée par le clair de jour du vitrage et augmente donc le risque de casse thermique.  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 6
3.6 L’environnementi ntérieur  La présence de stores, de rideaux et d’autres dispositifs d’ombrage internes peut avoir un double effet sur la température du vitrage. D’un côté, les réflexions du rayonnement solaire (objets clairs) et les énergies radiantes (objets sombres) de ces dispositifs contribuent à l’augmentation de la température. D’un autre côté, le manque de circulation de l’air dans l’espace compris entre le vitrage et le dispositif d’ombrage minimise les déperditions de chaleur du vitrage. Il est donc conseillé de mettre cet espace en communication avec l’air du local et d’augmenter au mieux la distance entre le vitrage et le dispositif (40 à 50 mm). Il en va de même pour les murs à l’arrière des allèges, les plafonds, les parois intérieures et les bords des planchers (type mezzanine ou palier) situés devant le vitrage. Leur présence se traduit toujours par un échauffement du vitrage. Sur cette même base, un canapé ou un meuble posé non loin d’un vitrage accroît le risque de casse thermique.  Toute source de chaleur, comme les radiateurs et les convecteurs, située à proximité d’un vitrage ou dirigée vers celui-ci entraînera aussi un accroissement local de la température du vitrage et donc l’apparition d’u ngradient de température. De manière analogue, un système de ventilation pulsant de l’air froid ou tout dispositif de refroidissement de l’air constitue un facteur de risque de casse thermique. 3.7 Les films et autocollants Les autocollants, décorations ou films à contrôle solaire (film réfléchissant) appliqués sur un vitrage sont susceptibles de provoquer des casses thermiques. Cependant, pour des raisons de sécurité, des autocollants doivent parfois être apposés sur certains vitrages de manière à les rendre visibles.  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 7
4 Evaluation du risque de casse thermique Pour évaluer le risque de casse thermique d’un vitrage, il faut    9 déterminer le différentiel de température maximal qui pourrait apparaître instantanément entre deux zones du plan d’un verre, 9 connaître la contrainte de rupture du verre en traction, 9 Etablir une relation entre la différence de température et la contrainte thermique. En Europe, il existe actuellement trois méthodes reconnues qui répondent à ces questions pour évaluer le risque de bris de vitrage par contraintes thermiques : 1. FIV 01  (Fédération de l’industrie du verre, Février 1997): « Evaluation des contraintes thermiques dans les vitrages » 2. Glass and thermal safety  (Pilkington) 3. La norme française NF P 78-201-1/A1 – DTU 39 (09/1998): Travaux de bâtiment : Travaux de miroiterie-vitrerie, Partie 1 : cahier des clauses techniques – Amendement A1  Pour ces trois méthodes d’évaluation, le principe du calcul proposé consiste à justifier que la contrainte d’origine thermique potentielle résultant de la différence de température instantanée entre deux zones d’un même verre reste effectivement inférieure à la contrainte thermique admissible, à savoir la contrainte de rupture du verre utilisé. Si ce n’est pas le cas, un verre trempé ou un verre durci devra être prescrit. Il n’existe actuellement pas de document normatif européen traitant du sujet. Début 2004, un groupe de travail (WG 08) du CEN TC 129 « Glass in Building » s’est réuni pour établir une norme européenne spécifiant une méthode d’évaluation des contraintes thermiques dans les vitrages. Le CSTC participe à l’élaboration de cette norme.  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 8
4.1 Méthode selon le FIV 01 « Evaluation des contraintes thermiques dans les vitrages » Il s’agit d’une méthode de calcul établie en 1976 par l’Association Internationale à but Scientifique « Glass In Building ». Elle a été publiée en 1997 par La Fédération de l’industrie du Verre (F.I.V.) sous la référence FIV 01. Cette méthode ne s’applique qu’aux vitrages d evision. Pour les allèges, les verres doivent être d’office traités thermiquement. Seuls les vitrages appartenant aux façades exposées au rayonnement solaire incident doivent faire l’objet d’un calcul. Les paramètres pris en compte par la méthode de calcul du FIV 01 sont les suivants :  - les conditions climatiques - les paramètres liés au vitrage et à sa pose - les paramètres « architecturaux » extérieurs au bâtiment - les paramètres « architecturaux » intérieurs au bâtiment  Cette méthode de calcul n’est valable que dans certaines conditions : - pas de surchauffe du verre intérieur due aux stores ou aux rideaux (une circulation d’air suffisante doit être assurée), - pas d’air chaud pulsé vers le vitrage, ni dans l’espace compris entre les stores ou rideaux et le vitrage, - pas d’autocollants, décoration, etc. sur le vitrage.  La méthode d’évaluation du risque présentée dans le FIV 01 propose un calcul du gradient thermique corrigé en fonction des trois paramètres suivants : 1/ Si des rideaux ou des stores sont posés devant les vitrages, un T’ est ajouté au gradient T:  ∆T1 =T +    Si une ventilation est assurée :  T’ = 3 à 5°C  Si aucune ventilation n’est assurée :  T’ = 6 à 8°C 2/ L’inlfuence du châssis se traduit par la multiplication du gradient thermique par un facteur de correction f1 :  T2 =T1 x f1   Le facteur f1 varie de 1 à 0,5 selon le type de châssis :  Type de châssis Facteur f1Béton 1 Acier clair 0,9 Acier sombre 0,8 Acier avec coupure thermique 0,8 Alu clair sans coupure thermique 0,8 Bois ou PVC 0,75 Alu sombre sans coupure thermique 0,7 CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 9
AMloun atavgeec  cVoEuCp ure thermique 00,,57  3/ L’inlfuence des ombres portées se traduit par la multiplication du gradient thermique par un facteur de correction f2 :  T3 =T2 x f2Le facteur f2 varie de 1,1 à 1,5 selon le type d’ombre et selon qu’il s’agit du verer extérieur ou du verre intérieur.  Critère de décision La contrainte thermique du vitrage dépend du gradient thermique et se calcule selon la formule suivante :    σth = E . α . T3  ùO- Le module d’élasticité du verre E = 73 000 MPa -  Le coefficient de dilatation du verre sodocalcique α = 9 10-6 /K  σth = 0,657 T3 La contrainte de rupture du verre recuit, σmax ,est de 20 N/mm2 dans le FIV 01  Il y aura bris de vitrage si σth > σmax autrement dit si T3 > 30,44°C Le gradient thermique admissible dans un verre recuit sera donc égal à 30°C  Si T3 < 30°C  Pas de traitement thermique nécessaire Si T3 > 30°C  Traitement thermique nécessaire (trempé ou durci)  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 10
4.2 Méthode selon la norme française NF P 78-201-1/A1 – DTU 39 (France, Vitrage Décision) L’amendement A1 de la norme française établit les exigences et les méthodes de détermination des vitrages plans non organiques utilisés en extérieur des bâtiments et susceptibles d'être exposés à l'ensoleillement ou de tous vitrages exposés aux effets des corps de chauffe Par contre, la méthode d’évaluation des risques de casse thermique proprement dite s’applique uniquement aux vitrages, équipés ou non de stores ou de voilage, non situés devant une paroi opaque ni directement exposés aux effets d’un corps de chauffe mais susceptibles d’être exposés à l’ensoleillement (voir zones hachurées renseignées ci-dessus).  Hypothèses principales 1/ Les caractéristiques énergétiques globales individuelles (Transmission, Absorption et Réflexion) des composants du clair de jour (verre et store) doivent être déterminées selon l’ISO/DIS 9050. Elles sont en principe données dans les documents techniques du fournisseur, pour chacune des faces du produit. Si le type de store à poser n’est pas connu au stade du projet, on prendra comme caractéristiques énergétiques celles d’un store « standard » : T = 10% ; A = 50%, R = 40% Pour les locaux devant être totalement occultés (salles de projection), le calcul est effectué avec un store noir avec les caractéristiques énergétiques suivantes : T = 0% ; A = 90%, R =  %012/ Les coefficients d’échange thermique superficiel dépendent de l’inclinaison du vitrage. 3/ Les conditions climatiques les plus défavorables sont prises en compte : - le flux solaire maximal - la température extérieure maximale, pour le verre extérieur - la température extérieure minimale, pour le verre intérieur 4/ La température des locaux est supposée constante et égale à 25°C en été et 20°C en hiver. 5/ Trois types de feuillure (châssis) sont considérés : - les feuillures à inertie thermique faible : Type A - les feuillures à inertie thermique moyenne : Type B - les feuillures à inertie thermique forte : Type C 6/ Trois inclinaisons des vitrages par rapport à l’horizontal son tdistinguées dans la norme : - Vitrages verticaux (angle > 60°) - Vitrages inclinés (60°> angle > 30°) - Vitrages horizontaux (angle < 30°)  CSTC – Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision– Page 11
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