Concevoir des structures pour résister aux charges de neige est un défi d'ingénierie typique, compliqué par la variabilité inhérente aux conditions météorologiques, principalement l'impact que le vent peut avoir sur plusieurs considérations de conception. Non seulement le vent crée des forces auxquelles la structure doit résister, mais il peut également modifier la façon dont les chutes de neige s'accumulent sur le toit - et donc la charge de neige prévue. De nombreux facteurs influencent l'estimation de la charge de neige pour une structure, et les structures couvertes ne doivent pas seulement supporter des chutes de neige uniques, mais aussi l'accumulation de neige sur plusieurs chutes de neige, souvent accompagnées de précipitations. Le classique exercice d'équilibrage de l'ingénierie permet de déterminer la quantité de support structurel nécessaire pour atteindre la fiabilité requise par le code de la construction.
La grande variabilité des conditions météorologiques en Amérique du Nord se traduit par des niveaux et des schémas d'accumulation de neige très divers. Dans les zones côtières, les cycles de gel et de dégel sont fréquents, ce qui minimise généralement les accumulations tout au long de l'hiver, tandis que les régions montagneuses de l'ouest connaissent les accumulations de neige les plus importantes, qui durent souvent tout l'hiver. La partie orientale du continent connaît des vents et des épisodes de neige/pluie variables, et de nombreuses régions restent suffisamment froides pour entraîner à la fois une accumulation et une dérive importante de la neige, ainsi qu'une formation de glace.
Des décennies de données météorologiques à haute résolution facilitent considérablement le défi de la conception en rendant les estimations des chutes et des accumulations de neige au niveau du sol suffisamment précises. . Le vent a une influence considérable sur la distribution spatiale de l'accumulation de neige, car dans les zones où la vitesse du vent est élevée, le vent emporte la neige et l'empêche de tomber au sol. Dans les zones où la vitesse du vent est plus faible, la neige s'accumule dans l'air et peut tomber, formant des congères.
En l'absence de vent - par exemple dans une forêt profonde ou une vallée de montagne protégée - la charge de neige sur le toit est facile à estimer car elle est identique à la charge de neige au sol. En revanche, dans le cas d'une structure située sur un terrain plat sans aucun élément de surface tel que des arbres ou des bâtiments pour perturber ou ralentir le vent, l'estimation de la charge de neige sur le toit peut être réduite par rapport au cas où il n'y a pas de vent.
La prise en compte du type de terrain et de son impact sur la force du vent sur une structure n'est pas seulement importante pour l'estimation de l'accumulation de neige, mais aussi pour l'estimation des exigences structurelles nécessaires pour résister à la charge du vent. Plus complexe que l'estimation de la charge de neige, la conception de la charge de vent prend en compte les forces statiques du vent sur la structure principale et le revêtement de la structure, et c'est souvent tout ce qui doit être pris en compte pour les bâtiments de faible et moyenne hauteur. Les structures plus hautes ou à longue portée nécessitent souvent un calcul des charges dynamiques qui prend en compte les effets de résonance et d'autres forces dues au vent. Dans les deux cas, l'impact du terrain sur le vent joue également un rôle important dans les calculs de conception.
Les facteurs qui entrent en ligne de compte dans la conception de nos structures toile pour résister aux charges de neige que Mère Nature nous inflige avec tant de négligence sont les suivants :
La charge de neige de base du toit est estimée en utilisant une statistique de 1 sur 50 ans pour la charge de neige au sol dans la région, ainsi que la charge de la pluie et de l'eau de fonte qui s'accumule avec la neige. La pente du toit est une simple question de géométrie. Les deux autres facteurs principaux entrant dans la conception de la charge de neige tiennent compte de l'influence du vent. Étant donné que le type de terrain sur lequel le bâtiment est implanté a une incidence considérable sur l'impact du vent sur la charge de neige, le code de la construction aide les concepteurs à classer le terrain par catégories. La figure 1 montre les trois types de terrain classés par le code du bâtiment dans le "facteur d'exposition" en utilisant les termes "terrain ouvert" et "terrain accidenté" pour décrire les extrémités du spectre. Le code décrit les terrains ouverts comme des zones rurales où "le bâtiment est exposé de tous les côtés au vent sur un terrain ouvert" et où "la surface du toit considérée est exposée au vent de tous les côtés sans obstacles significatifs sur le toit tels que des parapets...". Pour bénéficier de la réduction de la charge de neige requise, il faut également qu'il n'y ait pas de surfaces adjacentes au toit susceptibles de provoquer une accumulation de neige due à la dérive.
Figure 1 : La couleur jaune indique une zone de terrain ouvert, tandis que la couleur rouge indique un terrain accidenté. Le terrain mixte est la zone de transition entre ces deux zones, représentée par un surlignage orange. (Licence d'utilisation de l'image obtenue par Envato Elements et accordée à Calhoun Super Structure).
Pour montrer comment l'estimation du terrain intervient dans le calcul de la charge de neige requise, regardez l'équation ci-dessous pour la charge de neige de calcul, S, tirée du Code national du bâtiment du Canada :
où Cw est le facteur d'exposition au vent, qui est de 1 pour les terrains mixtes ou accidentés, mais qui peut être de 0,75 pour les terrains ouverts (avec les mises en garde décrites ci-dessus) et aussi bas que 0,5 pour les "zones exposées au nord de la limite des arbres". Pour voir comment le choix du site d'une structure peut influer sur la charge de neige de calcul, nous pouvons utiliser les chiffres d'un projet d'exemple de Calhoun Super Structure illustré ci-dessous dans la figure 2.
Figure 2 : Voici des exemples de figures illustrant le calcul de la charge de neige.
En utilisant les chiffres ci-dessus pour un terrain mixte ou accidenté où Cw est égal à 1 (et Cs et Cα ont également la valeur de 1), nous avons :
Si, au contraire, le bâtiment était situé en terrain ouvert, Cw aurait une valeur de 0,75 et la charge de neige de calcul serait calculée comme suit :
La comparaison de ces deux résultats montre que les détails du terrain d'un site de construction proposé peuvent modifier la charge de neige de calcul jusqu'à 30 %, ce qui peut avoir un impact significatif sur le coût et la conception de la structure.
