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..........................
Les contraintes thermiques dans les vitrages:évaluationetdécisionP.SteenhoudtCentre Scientifique & Technique de la ConstructionNovembre2004
Table des matières 1INTRODUCTION..................................................................................................................................32CONTRAINTES ET CASSES THERMIQUES DES VITRAGES.......................................................................33PARAMÈTRES INFLUENÇANT LE RISQUE DE CASSE THERMIQUE.............................................................53.1Les conditions climatiques.....................................................................................................53.2Les caractéristiques du vitrage..............................................................................................53.3La pose du vitrage..................................................................................................................63.4Lorientationetlinclinasionduvitrage...................................................................................63.5Les ombres portées et les réflexions extérieures..................................................................63.6Lenvironnementintérieur.......................................................................................................73.7Les films et autocollants.........................................................................................................74EVALUATION DU RISQUE DE CASSE THERMIQUE...................................................................................84.1Méthode selon le FIV 01 « Evaluation des contraintes thermiques dans les vitrages »........94.2Méthode selon la norme française NF P 78-201-1/A1 DTU 39 (France, Vitrage Décision)114.3Méthode selon « Glass and thermal safety » de Pilkington.................................................144.4Cas pratiques dévaluation du risque de casse thermique..................................................155POSSIBILITÉS OFFERTES PAR LES LOGICIELS DE SIMULATIONS THERMIQUES.......................................186COMMENTAIRES..............................................................................................................................19BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................20CSTC 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 lair et des protections solaires intégrées dans les cavités séparant les vitragessontprévus.Cesontautantdélémentssusceptiblesdaccroîtrelesrisquesdecassethermique. Lévaluation 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 denvisager le développement ou lélargissement dune dentre 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 lapparition de contraintes thermiques dans le verre. Ces contraintes sont la conséquence dun 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 sétablit 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. Lénergie qui est absorbée par le verre génère une augmentation de la température de celui-ci et les conditions déquilibre préexistantes sont rompues. Si le verre est chauffé uniformément par cette absorption dénergie et que son support autorise la dilatation du verre, aucune contrainte nest induite. En revanche, si le verre nest 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 quà la compression, les contraintes de traction sont susceptibles de dépasser la contrainte de rupture du verre. Le cas échéant, il sensuit 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 dune 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 dabord 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 lapparition des verres de contrôle solaire à forte absorption énergétique. Sous leffet de lensoleillement, un vitrage séchauffe dautant plus que son absorption énergétique est plus élevée. Lorsquun risque de casse thermique existe, il y a lieu dutiliser 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 quune différence de température denviron 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 lintensité du rayonnement solaire qui latteint. Celle-ci varie notamment en fonction du moment de la journée, de lemplacement 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 lappartiion du soleil. Le vitrage suit cette variation de température alors que linertie thermique de lencadrement du vitrage freine laugmentation de la température des bords du vitrage. Cestdoncladifférencemaximaledetempératureentrelejouretlanuitetlintensitémaximale 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 dabsorption du flux dénergie solaire est une caractéristique du verre qui influence directement le taux de contraintes thermiques. Plus le facteur dabsorption 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 létat 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 sapplique 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 lépaisseur) est grande et plus la probabiilté dobserver des défauts de bord est élevée. La composition du vitrage (nombre de verres, largeur des lames dair) influence également le risque de casse thermique. Tout autre facteur étant égal, la température du verre extérieure dun double vitrage est habituellement supérieure à celle dun simple vitrage. Ceci sexplique par le faible transfert de chaleur au travers de la lame dair. Leffet sera dautant 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 dun montant derrière un vitrage peut conduire à une augmentation de la température du verre extérieur étant donné le peu de ventilation et lénergie 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 etlencadrent.Pluslinertiethermiquedelensembleduchâssisouducadreestélevéeetplusla 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 dailleurs disoler au mieux le châssis du reste du bâtiment de manière à réduire les risques de casse thermique. 3.4 Lorientation et linclinaison du vitrage Si un vitrage est exposé au soleil, le risque de casse thermique est accru. Dans lhémisphère nord, les vitrages non exposés sont ceux dont lorientation est comprise entre - 60° et + 45° autour du nord (zone non hachurée). Linclinaison du vitrage doit aussi être considérée puisque lincidence du rayonnement solaire varie avec langle dinclinaison. Si un vitrage est faiblement incliné par rapport à lhorizontal, 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 linclinaison, une part plus ou moins importante des contraintes dues au poids propre du vitrage vient sadditionner aux contraintes dorigine therimque. Cet effet est surtout important lorsque le vitrage ne repose que sur deux de ses côtés. Signalons encore quun 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. Cest le cas lorsquun 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 darbres 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 dénergie 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 Lenvironnementi ntérieur La présence de stores, de rideaux et dautres dispositifs dombrage internes peut avoir un double effet sur la température du vitrage. Dun côté, les réflexions du rayonnement solaire (objets clairs) et les énergies radiantes (objets sombres) de ces dispositifs contribuent à laugmentation de la température. Dun autre côté, le manque de circulation de lair dans lespace compris entre le vitrage et le dispositif dombrage minimise les déperditions de chaleur du vitrage. Il est donc conseillé de mettre cet espace en communication avec lair du local et daugmenter au mieux la distance entre le vitrage et le dispositif (40 à 50 mm). Il en va de même pour les murs à larrière 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 dun vitrage accroît le risque de casse thermique. Toute source de chaleur, comme les radiateurs et les convecteurs, située à proximité dun vitrage ou dirigée vers celui-ci entraînera aussi un accroissement local de la température du vitrage et donc lapparition du ngradient de température. De manière analogue, un système de ventilation pulsant de lair froid ou tout dispositif de refroidissement de lair 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 Pourévaluerlerisquedecassethermiquedunvitrage,ilfaut9déterminer le différentiel de température maximal qui pourrait apparaître instantanément entre deux zones du plan dun verre, 9connaître la contrainte de rupture du verre en traction, 9Etablir 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 lindustrie 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 dévaluation, le principe du calcul proposé consiste à justifier que la contrainte dorigine thermique potentielle résultant de la différence de température instantanée entre deux zones dun même verre reste effectivement inférieure à la contrainte thermique admissible, à savoir la contrainte de rupture du verre utilisé. Si ce nest pas le cas, un verre trempé ou un verre durci devra être prescrit. Il nexiste actuellement pas de document normatif européen traitant du sujet. Début 2004, un groupe de travail (WG 08) du CEN TC 129 « Glass in Building » sest réuni pour établir une norme européenne spécifiant une méthode dévaluation des contraintes thermiques dans les vitrages. Le CSTC participe à lélaboration 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 sagit dune méthode de calcul établie en 1976 par lAssociation Internationale à but Scientifique « Glass In Building ». Elle a été publiée en 1997 par La Fédération de lindustrie du Verre (F.I.V.) sous la référence FIV 01. Cette méthode ne sapplique quaux vitrages d evision. Pour les allèges, les verres doivent être doffice traités thermiquement. Seuls les vitrages appartenant aux façades exposées au rayonnement solaire incident doivent faire lobjet dun 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 nest valable que dans certaines conditions : -pas de surchauffe du verre intérieur due aux stores ou aux rideaux (une circulation dair suffisante doit être assurée), -pas dair chaud pulsé vers le vitrage, ni dans lespace compris entre les stores ou rideaux et le vitrage, -pas dautocollants, décoration, etc. sur le vitrage. La méthode dévaluation 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 + ∆TSiuneventilationestassurée:∆T = 3 à 5°C Siaucuneventilationnestassurée:∆T = 6 à 8°C 2/ Linlfuence du châssis se traduit par la multiplication du gradient thermique par un facteur de correction f1 : ⇒∆T2 =∆T1 x f1 Lefacteurf1 varie de 1 à 0,5 selon le type de châssis : TypedechâssisFacteurf1Béton1Acierclair0,9Aciersombre0,8Acieraveccoupurethermique0,8Aluclairsanscoupurethermique0,8BoisouPVC0,75Alusombresanscoupurethermique0,7CSTC Les contraintes thermiques dans les vitrages : Evaluation et Décision Page 9
AMlounatavgeeccVoEuCpurethermique00,,573/ Linlfuence 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 dombre et selon quil sagit 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 délasticité du verre E = 73 000 MPa - Le coefficient de dilatation du verre sodocalcique α = 9 10-6 /K ⇒σth = 0,657 ∆T3La 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) Lamendement 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 dévaluation des risques de casse thermique proprement dite sapplique uniquement aux vitrages, équipés ou non de stores ou de voilage, non situés devant une paroi opaque ni directement exposés aux effets dun corps de chauffe mais susceptibles dêtre exposés à lensoleillement (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 lISO/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 nest pas connu au stade du projet, on prendra comme caractéristiques énergétiques celles dun 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 déchange thermique superficiel dépendent de linclinaison 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 lhorizontal 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