Cours AIA : Stratégies de conception pour les systèmes de murs et de toitures métalliques

La polyvalence, les performances fiables et les coûts d'installation relativement faibles rendent les systèmes de murs et de toits préfabriqués en panneaux métalliques attrayants pour les applications de construction sophistiquées.

Il y a des années, les systèmes préfabriqués de murs et de toits en panneaux métalliques n'étaient pas largement acceptés dans les applications commerciales haut de gamme. Alors que ces systèmes étaient rentables, les perceptions esthétiques les reléguaient aux grands bâtiments de stockage, aux installations de fabrication et aux magasins à grande surface. Cependant, la polyvalence, les performances fiables et les coûts d'installation relativement bas ont rendu ces systèmes attractifs dans des applications plus sophistiquées.

Aujourd'hui, les propriétaires et les architectes collaborent souvent pour utiliser ces produits dans des solutions de conception distinctives et esthétiquement innovantes. Les fabricants, reconnaissant une opportunité, ont élargi leurs gammes de produits dans le but d'amplifier l'utilisation des produits dans une gamme de types de bâtiments. Bien sûr, aucun système d'enceinte de bâtiment n'est sans défis et considérations de conception.

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De la structure et de l'étanchéité à l'efficacité énergétique, la longévité et les performances des systèmes de murs et de toitures métalliques dépendent de la compréhension des propriétés des matériaux, des exigences du code et des meilleures pratiques.

La plupart des systèmes de murs et de toits en métal sont exclusifs, chaque fabricant ayant ses propres profils, méthode de fixation et spécifications de performance. Cependant, il existe des similitudes fondamentales dans ces assemblages.

Les systèmes métalliques sont disponibles dans une variété de matériaux, l'aluminium étant le plus courant en raison de sa durabilité relative, de sa résistance à la corrosion et de sa légèreté. Les panneaux en aluminium sont disponibles en plaques plates - une plaque solide d'environ un huitième de pouce d'épaisseur - ou en panneaux composites, où l'isolation en mousse est prise en sandwich entre deux couches de fine feuille d'aluminium.

L'acier est un autre matériau couramment utilisé. Solide et offrant une résistance aux chocs supérieure, l'acier est souvent sélectionné pour les façades dans les zones à fort trafic et pour les toits qui doivent couvrir de plus longues distances entre les supports. Cependant, la résistance de l'acier signifie qu'il est plus lourd que les autres matériaux, ce qui nécessite une structure sous-jacente plus importante pour supporter la charge. L'acier nécessite également un revêtement protecteur pour empêcher la détérioration due à la corrosion.

Les panneaux de zinc sont également de plus en plus populaires en raison de l'apparence distinctive et de la durabilité offertes par la patine de surface acquise lors des intempéries. La formation de patine se produit naturellement en présence d'humidité et de dioxyde de carbone. Des précautions doivent être prises là où de l'humidité peut être présente sans quantité suffisante de dioxyde de carbone, comme sous les panneaux de toit, où la condensation et d'autres humidités accidentelles peuvent provoquer de la corrosion. Cela peut également se produire dans des zones où des quantités importantes d'eau s'accumulent, telles que les gouttières. Lors de l'utilisation de panneaux de zinc, des revêtements de protection appliqués sur les surfaces à risque doivent être pris en compte.

Le cuivre est une option de matériau extrêmement durable qui ne nécessite généralement pas de revêtement protecteur. Cependant, comme pour le zinc, l'utilisation de tels revêtements en sous-face de panneaux peut être conseillée sous certaines conditions. Le cuivre non revêtu a également tendance à tacher les surfaces et les matériaux adjacents au fil du temps.

L'acier inoxydable ne nécessite jamais de revêtement protecteur et offre un aspect brillant. Une alternative esthétique est la plaque terne, en acier inoxydable recouvert d'un alliage à plus de 99% d'étain. La plaque Terne offre un aspect patiné similaire au zinc mais, comme le zinc, nécessite une ventilation derrière les panneaux pour éviter les piqûres et la corrosion.

Selon le matériau utilisé, un certain nombre de finitions et de revêtements peuvent être sélectionnés en fonction des exigences esthétiques et de performance. Les peintures, telles que les fluoropolymères, sont largement utilisées dans les applications murales métalliques, car elles sont disponibles dans une gamme de couleurs et résistent à la décoloration.

Les revêtements en émail vitrifié fusionnent le verre en poudre à la surface du métal à haute température. Comme les fluoropolymères, ils sont durables et offrent aux concepteurs un certain nombre d'options d'apparence.

De nombreuses finitions ont été développées davantage pour leurs propriétés protectrices que pour leurs options d'apparence. La galvanisation, par exemple, est une couche protectrice sacrificielle de zinc appliquée sur l'acier qui a un aspect gris argenté et est utilisée pour empêcher la corrosion de l'acier sous-jacent. L'anodisation, un processus électrolytique utilisé sur l'aluminium pour augmenter sa résistance à la corrosion, n'est disponible que dans une gamme limitée de couleurs (généralement noir, bronze et argent).

Il est important de se rappeler que toutes les finitions ne sont pas compatibles avec tous les matériaux. Même lorsqu'un revêtement ou une peinture appropriée est sélectionnée, le moment de l'application peut avoir un impact significatif sur la longévité. En règle générale, il est préférable d'appliquer les revêtements et les peintures après la formation du métal, afin d'éviter les ruptures capillaires dans le matériau au niveau des virages.

De manière générale, il existe deux types de systèmes de murs métalliques disponibles : "fermés" et "ouverts".

Les assemblages fermés (également appelés systèmes "barrière" ou "face scellée") utilisent les panneaux muraux métalliques pour résister à l'infiltration des intempéries (air et eau) dans le bâtiment. Le système de panneaux muraux métalliques est la barrière à l'air et à l'humidité de la façade. Pour obtenir une protection contre les intempéries, les joints entre les panneaux métalliques doivent être scellés pour former une barrière complète.

Les systèmes ouverts, comme leur nom l'indique, n'offrent pas la protection principale contre l'infiltration d'air et d'humidité. Dans ces applications, un moyen de protection secondaire doit être inclus derrière les panneaux, en tenant compte de la manière dont l'humidité qui imprègne le revêtement peut être renvoyée vers l'extérieur. Les écrans pare-pluie sont une forme courante de système ouvert qui est devenu de plus en plus populaire au cours de la dernière décennie.

La façon dont les systèmes de panneaux muraux métalliques sont installés et fixés au substrat (et finalement à la structure du bâtiment) est un autre élément déterminant de leur conception. Les panneaux sont le plus souvent fixés à un système de sous-ossature métallique composé de traverses en "z", de montants métalliques ou de configurations exclusives. Cette fixation peut être réalisée de deux manières : par l'utilisation d'attaches "apparentes" ou "cachées".

Avec les systèmes de fixation exposés, les panneaux sont fixés au substrat à l'aide de fixations qui sont vissées à travers le panneau et laissées exposées pour faciliter l'installation et l'effet esthétique. Bien que les fixations soient souvent scellées pour limiter l'infiltration d'eau, cette méthode est le plus souvent utilisée dans les systèmes à panneaux ouverts.

Les systèmes utilisant des attaches dissimulées utilisent des clips pour fixer les extrémités des panneaux au système de sous-cadre avec des boulons. Cette méthode peut fournir un aspect propre et ininterrompu au système de panneaux métalliques dans des assemblages fermés ou ouverts.

Les systèmes de toits métalliques préfabriqués sont généralement définis comme étant soit "hydrocinétiques" soit "hydrostatiques".

Les systèmes hydrocinétiques ne sont pas nécessairement « étanches ». Ces assemblages évacuent l'eau en la déplaçant sur leur surface et hors du toit aussi rapidement que possible. Cela nécessite que les toits hydrocinétiques aient une pente adéquate pour déplacer efficacement l'eau et limiter l'infiltration sous les panneaux. Étant donné que les joints des panneaux ne sont pas étanches aux intempéries, les systèmes hydrocinétiques nécessitent un système de substrat/sous-couche pour protéger l'intérieur du bâtiment contre l'humidité accidentelle qui s'infiltre sous la surface du toit.

Les systèmes hydrostatiques, quant à eux, sont des pare-eau et des pare-air qui constituent la principale protection au niveau du toit contre l'infiltration des intempéries dans le bâtiment.

Les systèmes de toiture en métal sont également classés en fonction de leur capacité à s'étendre entre les éléments structuraux. Les systèmes architecturaux ne peuvent pas couvrir de longues distances et nécessitent un substrat continu pour le support. De ce fait, ces assemblages sont souvent hydrocinétiques, puisque le substrat nécessaire au support peut également servir de surface pour un système de protection de sous-couche.

Les systèmes structuraux peuvent s'étendre entre les éléments structuraux sans l'aide d'un substrat continu. Les panneaux de ces systèmes tirent leur résistance de diverses manières, y compris l'utilisation de métaux plus résistants, de panneaux plus épais, d'extrémités de panneau surélevées, de nervures intermédiaires et d'ondulations dans le profil du panneau. Étant donné que les systèmes structuraux ne nécessitent aucun substrat, ils sont souvent hydrostatiques.

Quel que soit le système choisi, les panneaux de toit en métal sont généralement emboîtés ou «assemblés» ensemble. Des exemples de méthodes d'emboîtement comprennent les joints plats, les joints debout et les lattes. Dans les applications hydrostatiques, les coutures peuvent également être scellées à l'aide d'un scellant ou d'une soudure pour une intégrité supplémentaire contre les intempéries.

Qu'il s'agisse de concevoir un système de mur métallique préfabriqué, un système de toiture ou les deux, l'architecte ou l'ingénieur doit tenir compte de certaines considérations de conception fondamentales. Bien que les fabricants puissent jouer un rôle déterminant dans cet effort, un professionnel de la conception connaissant l'enveloppe du bâtiment est souvent indispensable. Voici une brève liste de certains des problèmes à résoudre lors de la conception.

• Structure. L'une des principales considérations pour les assemblages d'enceintes de construction est leur intégrité structurelle. Les systèmes de revêtement de façade et de toit doivent avoir la capacité de résister à une variété de forces auxquelles ils peuvent être soumis, y compris la gravité, la charge sismique, la charge du vent, la déflexion et la dérive entre les étages. Il est important de se rappeler que chaque composant du système, du substrat aux attaches en passant par les panneaux eux-mêmes, doit être pris en compte lors de la conception du revêtement pour répondre aux exigences structurelles nécessaires.

• Agrandissement. Les métaux augmenteront ou diminueront en taille en réponse à un changement de température. La tendance d'un métal à être affecté de cette manière est définie comme son coefficient de dilatation thermique. Plus le coefficient est élevé, plus un matériau se dilate ou se contracte en raison d'un changement de température. Le zinc et l'aluminium, par exemple, ont des coefficients relativement élevés (respectivement 19,0 et 13,1), tandis que celui de l'acier est relativement faible (7,0). Cela signifie que les panneaux de zinc se dilateront près de trois fois plus et l'aluminium près de deux fois plus que l'acier.

L'adaptation à un tel mouvement doit être intégrée dans la conception pour éviter des problèmes tels que le flambage, la défaillance des fixations et la détérioration de l'intégrité du système. La tolérance de mouvement peut être obtenue de diverses manières, y compris le rainurage des ouvertures de fixation, la limitation de la longueur des sections de panneau et l'incorporation de joints de dilatation.

• Intégrité météorologique : la capacité des assemblages de toiture et de façade à résister à l'infiltration d'air et d'humidité est essentielle. Comme indiqué précédemment, ces systèmes peuvent être soit "fermés" (hydrostatiques) soit "ouverts" (hydrocinétiques). Dans les deux cas, la prise en compte de l'intégrité climatique et de l'adaptation à l'humidité sont des défis de conception nécessaires.

Dans les façades métalliques préfabriquées, les systèmes de barrières «fermées» ou à face scellée reposent sur un joint primaire entre les joints - souvent un ruban de couture ou un système d'étanchéité élastomère - pour assurer l'intégrité aux intempéries. Ces joints primaires entre les panneaux ont une durée de vie plus courte que les panneaux eux-mêmes et sont donc la première partie du système à tomber en panne. Par conséquent, ils présentent un problème d'entretien permanent.

Dans les systèmes de façade "ouverts", le substrat derrière les panneaux (souvent un revêtement de qualité extérieure avec un revêtement ou un revêtement résistant à l'eau sur des poteaux métalliques) agit comme la principale protection contre les infiltrations d'air et d'eau. Dans de tels cas, l'eau qui se retrouvera inévitablement derrière les panneaux métalliques doit être canalisée vers l'extérieur du bâtiment par un système de solin et de suintement. Même avec une telle protection en place, le volume d'eau pouvant s'infiltrer derrière les panneaux doit être limité.

Les systèmes de toiture hydrostatique reposent sur la pente du toit et l'intégrité des joints des panneaux (souvent améliorés avec du ruban adhésif, du mastic ou de la soudure) pour empêcher l'eau de s'infiltrer dans le bâtiment. Les systèmes hydrocinétiques limitent également l'infiltration d'eau à travers la pente du toit et l'intégrité des joints, mais ne l'éliminent pas. Dans de tels systèmes, une sous-couche composée, par exemple, de papier feutre #30 et d'une feuille intercalaire (papier de construction), doit être appliquée sur le substrat pour protéger l'intérieur du bâtiment. Sous certains climats, une membrane de protection au périmètre du toit s'étendant d'au moins 24 pouces sur le bâtiment doit également être envisagée pour limiter les effets délétères du verglas.

Les toits à forte pente doivent comprendre des gouttières, des guides et des tuyaux de descente de taille et de configuration adéquates pour éliminer l'eau qui s'accumule à la surface ou au substrat. Les gouttières peuvent être externes ou « encastrées » (dissimulées).

Enfin, «l'intégrité aux intempéries» comprend non seulement la résistance à l'humidité, mais à l'air. La plupart des autorités gouvernementales ont maintenant des exigences spécifiques limitant le flux d'air à travers l'enceinte du bâtiment. Comme pour la protection contre l'humidité, les systèmes fermés reposent sur le système de panneaux métalliques pour résister à un tel flux d'air, tandis que les systèmes ouverts dépendent d'une barrière de substrat pour empêcher l'infiltration d'air.

• Performance thermique. Les enveloppes des bâtiments doivent répondre à des exigences de plus en plus strictes en matière de performances énergétiques et thermiques. Les systèmes métalliques bénéficient d'une faible masse thermique ; cependant, ce ne sont pas de très bons isolants. Par conséquent, l'utilisation d'isolation dans l'assemblage doit être prise en compte lors de la conception. Typiquement, l'isolant est installé entre les panneaux métalliques et le substrat sous-jacent, et est composé de laine minérale ou de mousse plastique comme le polystyrène extrudé ou le polyisocyanurate.

Les exigences de performance énergétique varient selon la zone climatique et le code modèle du bâtiment adopté dans une région. À New York, par exemple, les assemblages de toit doivent inclure une isolation avec une résistance thermique d'au moins R-30. Les murs à ossature métallique doivent inclure R-7,5 d'isolant continu, plus un R-13 supplémentaire d'isolant entre les poteaux de sous-ossature.

Comme la plupart des systèmes de murs et de toits en panneaux métalliques préfabriqués sont, par définition, les transmissions métalliques, linéaires et ponctuelles (courts-circuits thermiques qui transfèrent l'énergie entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment) doivent être prises en compte et éliminées dans la mesure du possible. De telles mesures contribuent également à réduire le potentiel de condensation à l'intérieur des assemblages.

En raison de la nécessité de fixer les panneaux au substrat, souvent au moyen d'entretoises métalliques, l'isolation à l'intérieur de l'assemblage est fréquemment interrompue, provoquant des courts-circuits thermiques et réduisant l'efficacité globale du mur ou du toit. Dans de tels cas, des isolateurs, généralement sous la forme de revêtements légers et hautement poreux appelés aérogels, peuvent être appliqués au système de sous-cadre pour réduire le transfert d'énergie le long de sa surface.

• Condensation. Le potentiel de condensation à se développer dans la façade ou le système de toiture doit être pris en compte lors de la conception et des mesures doivent être prises pour limiter les effets néfastes d'une telle humidité. Bien qu'une ventilation adéquate derrière ou sous les panneaux soit parfois suffisante, un pare-vapeur correctement conçu et installé est souvent nécessaire.

• Atténuation du son. En règle générale, les systèmes de panneaux métalliques ne sont pas très efficaces pour atténuer le transfert du son. Lors de la conception, la cote STC ("classe de transmission sonore") ou OITC ("classe de transmission extérieure/intérieure") pour le projet doit être établie et les propriétés d'atténuation acoustique du système doivent être identifiées. Des mesures peuvent alors être prises pour améliorer les propriétés de l'ensemble, par exemple en incorporant une isolation supplémentaire ou des cavités d'air.

• Combustibilité. L'utilisation de certains matériaux de construction dans un système d'enceinte à panneaux métalliques préfabriqués (tels que des plastiques en mousse comme isolant ou un matériau central dans des panneaux métalliques composites) peut présenter des problèmes de combustibilité. Le professionnel de la conception doit faire référence au code applicable pour les exigences régissant la combustibilité de tels assemblages. Gardez à l'esprit que ce n'est pas seulement l'assemblage lui-même qui doit se conformer à ces exigences ; les détails de la transition vers les systèmes de construction adjacents (comme entre les planchers et entre les murs et les toits) doivent être pris en compte pour obtenir la protection contre l'incendie requise sur l'ensemble de l'enveloppe extérieure.

• Apparence. Bien que cet article se concentre sur les aspects techniques des systèmes de murs et de toits métalliques, l'apparence est néanmoins une considération de conception essentielle. Des considérations techniques peuvent affecter cette apparence générale, et il faut veiller à éviter les choix qui peuvent avoir un effet néfaste sur l'esthétique.

Consultez les fabricants concernant le potentiel de problèmes tels que la télégraphie, où le contour des raidisseurs ou des attaches sous-jacents apparaît sur la surface du panneau métallique, ou la mise en conserve d'huile, une apparence ondulée ou alvéolée sur la surface du panneau.

• Accumulation de neige et de glace. Dans certains climats, la possibilité que la neige et la glace s'accumulent sur les toits est préoccupante. De telles accumulations peuvent endommager les ensembles périmétriques et tomber du bâtiment, créant un danger.

Une mauvaise conception du drainage peut souvent conduire à une telle accumulation sur les bords du toit. Les gouttières et les guides qui sont trop petits ou mal configurés ne peuvent pas éliminer adéquatement le ruissellement avant qu'il ne gèle à nouveau, ce qui entraîne de grandes accumulations de glace au niveau des gouttières et des avant-toits qui peuvent endommager les assemblages de périmètre et s'infiltrer dans le bâtiment par un processus connu sous le nom de « extraction de glace ». Lors de la conception, des calculs doivent être effectués pour s'assurer que le système de drainage du toit est dimensionné de manière adéquate et que les gouttières sont configurées conformément aux normes reconnues telles que le Sheet Metal and Air Conditioning Contractors' National Association Architectural Sheet Metal Manual.

Même avec un système de drainage bien conçu, le potentiel d'accumulation de neige et de glace en quantités suffisamment importantes pour constituer un danger existe toujours. Il faudrait envisager d'intégrer un système de pare-neige approprié dans la conception du toit pour limiter cette possibilité. Comme pour le système de drainage d'un toit, des calculs doivent être effectués pour affirmer que le système retient la neige et la glace d'une manière qui favorisera la libération progressive du ruissellement au fil du temps et limitera l'accumulation dans une zone du toit. Idéalement, de tels systèmes ne devraient pas pénétrer dans les panneaux métalliques du toit.

Une bonne ventilation du grenier aide à prévenir la formation de digues de glace au niveau des avant-toits, soulageant ainsi la pression exercée sur le système de pare-neige et réduisant les risques de fuites.

• Métaux différents. Différents métaux qui entrent en contact les uns avec les autres dans l'assemblage peuvent entraîner de la corrosion, par action galvanique, et des taches, par ruissellement d'eau. Lorsque le potentiel d'action galvanique existe, les métaux dissemblables doivent être séparés par un revêtement protecteur ou une autre méthode.

• Durabilité. Il est important de noter que de nombreux systèmes de panneaux métalliques préfabriqués comprennent entre 25 % et 95 % de matériaux recyclés. À la fin de leur durée de vie, la plupart des systèmes de panneaux métalliques peuvent être recyclés à nouveau.

La complexité et les exigences de performance des systèmes de boîtiers, en général, et des systèmes de panneaux métalliques préfabriqués, en particulier, font des maquettes et des tests une considération valable. Voici un résumé des options disponibles à diverses étapes de la conception et de la construction.

Lors de la phase de conception, les données d'essai et la documentation technique du fabricant doivent être fournies. Cela permet à l'équipe de conception soit de confirmer que l'assemblage proposé peut répondre aux diverses exigences du projet, soit d'identifier les informations clés qui pourraient manquer. Une documentation technique incomplète du fabricant peut indiquer que le système n'est pas approprié pour l'application ou que des tests supplémentaires sont nécessaires pour valider son utilisation.

Pendant la pré-construction, une maquette visuelle (VMU) permet à toutes les parties prenantes d'observer un échantillon représentatif du système proposé et de l'approuver pour l'esthétique et l'intention de conception. Le VMU devrait permettre à l'équipe de confirmer l'apparence générale, les proportions, la couleur et la texture, ainsi que l'efficacité des tentatives visant à limiter les caractéristiques visuelles indésirables, telles que la « télégraphie » et la « mise en conserve d'huile ».

Un VMU peut être une maquette spécifique au projet fabriquée sur site ou hors site, ou il peut s'agir d'un système similaire installé sur un projet précédent, tel qu'identifié par l'équipe de conception et le fabricant.

Une maquette de performance (PMU) est un échantillon représentatif de l'ensemble de boîtier installé dans une installation d'essai hors site, où des méthodes d'essai approuvées peuvent vérifier la conformité du système aux exigences de performance, y compris l'intégrité structurelle, la résistance thermique, l'acoustique et la résistance à l'air et à l'eau. Les tests PMU ont généralement lieu en même temps que la construction.

En bref, les données publiées par un fabricant donnent un aperçu des performances d'un mur ou d'un toit, mais elles ne remplacent pas les tests de vérification indépendants. Les tests VMU avant la construction établissent les paramètres de conception, tandis que les tests PMU in situ pendant la construction, pour des problèmes tels que la résistance à l'air et à l'eau, permettent de valider que le système répond aux exigences de performance.

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