Grêle

Situation lors d'une tempête de grêle soudaine

Plus de la moitié des bâtiments en Suisse subiront, au moins une fois en 50 ans, une averse de grêle violente avec des grêlons d'un diamètre supérieur ou égal à 3 cm. Des grêlons de cette taille tombent à une vitesse frôlant les 90 km/h. Sur les bâtiments, ils peuvent perforer les matériaux synthétiques et les crépis ou déformer les stores et les tôles fines. Les dommages causés par l’impact des grêlons sur un élément de construction dépendent de la taille, de la vitesse et de la forme des grêlons. Si la façade perd son étanchéité, de l'eau peut s'infiltrer et engendrer d’importants dommages subséquents. Une simple averse de grêle peut à elle seule causer en quelques minutes de gros dégâts sur un grand nombre de bâtiments.

La forme et la taille des grêlons, ainsi que le type et l’intensité des effets de la grêle, sont influencés par le climat, la topographie et les conditions de vent. L’action de la grêle est aussi déterminée par la forme de l’ouvrage, son emplacement, la nature de ses surfaces et l’inclinaison de sa toiture. Les matériaux résistant à la grêle et des produits testés contre la grêle offrent une protection fiable. Remonter les stores (si possible avec un dispositif automatique) fait aussi partie des bons gestes en cas de risque de grêle.

Bases

Objectif de protection contre la grêle

La norme SIA 261/1 définit un événement d’une périodicité de 50 ans comme objectif de protection contre la grêle pour les bâtiments résidentiels et commerciaux. À partir de la classe d’ouvrage II, l'objectif de protection passe à la classe supérieure de résistance à la grêle. En outre, des exigences du droit des assurances doivent être respectées. Dans la plupart des cas, il est avisé de prévoir pour tous les éléments de l'enveloppe du bâtiment la résistance à la grêle RG3 (grêlon de 3 cm de diamètre) dont la mise en œuvre est simple. Il faut particulièrement être prudent avec les produits en matière synthétique, car ils peuvent rapidement perdre leur capacité de résistance en vieillissant.

Informations générales concernant la survenue de grêle

Sans orage, pas de grêle : Le risque de grêle est particulièrement élevé lors des orages d’été (voir tempêtes orageuses). Une règle empirique grossière veut que la fréquence de la grêle soit approximativement égale au dixième de celle des orages. Le risque de chute de grêle est le plus élevé dans les régions où des masses d’air froid et sec rencontrent des masses d’air chaud et humide, ainsi que le long des Préalpes, où la convection est accentuée par la topographie.

Formation de grêlons : La stratification de l’atmosphère doit être instable. La formation de gros grêlons requiert de puissants courants ascendants dans un nuage d’orage. Tant qu’ils restent en suspension, les grêlons peuvent retirer des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace de l’air ambiant des nuages, et poursuivre ainsi leur croissance. Les courants ascendants se concentrent généralement dans des cheminées étroites situées à l’intérieur des nuages orageux. Lorsque l’ascendance cesse subitement dans une cheminée, la masse de gouttes et de grêlons jusqu’alors en suspension s’abat brusquement. Le même orage peut produire plusieurs chutes de grêle distinctes en différents endroits. Une colonne de grêle s’étend habituellement sur une longueur de quelques kilomètres et une largeur inférieure à un kilomètre.

La forme des grêlons est très variable. L’une des plus fréquentes est quasi sphérique, avec un rapport de 0,8 entre le diamètre minimal et le diamètre maximal. Mais des formes présentant des excroissances oblongues, arrondies ou anguleuses sont aussi possibles. Ces formes particulières peuvent occasionner une charge particulière lorsqu’elles percutent l’enveloppe du bâtiment. Le critère déterminant pour l’assignation à une classe de grêlons est leur poids.

Exemples de formes de grêlons

Comparaison de taille : grêlon arrondi du 21.06.2007 au Tessin (source: P. Flüeler)
Comparaison de taille : grêlon arrondi du 21.06.2007 au Tessin (source: P. Flüeler)

Termes techniques

La durée d’une averse de grêle influence la grandeur de l’énergie cinétique totale de la grêle et l’épaisseur de grêle accumulée. Lorsqu’elle se prolonge, il est possible que la surface touchée du bâtiment se refroidisse brusquement. Le comportement des matériaux doit être étudié dans ces conditions (diminution de la résistance, rupture fragile).

La direction d'incidence détermine quelles façades d’un bâtiment sont touchées. L’angle d’incidence détermine l’intensité de l'action. C’est lorsque l’impact est perpendiculaire à la surface que la charge subie par l’élément considéré est la plus grande. La direction et l’angle d’incidence peuvent varier au cours d’une averse de grêle. Dans les cas extrêmes, il est possible que les façades et les toits soient atteints par des grêlons provenant de tous les côtés.

La hauteur d'accumulation/l’épaisseur de grêle accumulée, ainsi que l’accumulation et le glissement de grêle sur les toits doivent être pris en compte (cf. situations de danger neige). Ces phénomènes peuvent représenter une lourde charge notamment sur les toitures à redans. La grêle peut boucher les installations d'évacuation des eaux.

Par colonne de grêle, on décrit une zone de grêle d’un seul tenant, en partant d’une cellule orageuse.

Détermination de la protection grêle requise

Les effets de l’impact des grêlons sur un élément de construction dépendent de manière déterminante de la taille, la vitesse et la forme des grêlons.

Tableau : Échelle des dommages occasionnés par la grêle

L'intensité des dégâts infligés à un élément de construction dépend de la taille des grêlons. Il est indispensable de connaître la taille des grêlons et la fréquence de la grêle pour pouvoir déterminer les mesures de protection.

La délimitation des zones de grêle selon la norme SIA 261/1 annexe G est identique à la carte de grêle de l'AEAI (50 ans).

Dans le cadre du projet « Climatologie de la grêle en Suisse », de nouvelles cartes de danger de grêle ont été établies sur la base des données actuelles. Ces nouvelles cartes du risque de grêle représentent la base scientifique la plus récente et montrent que le risque de grêle a été sous-estimé dans de nombreuses régions jusqu'à présent. Cela signifie qu'en de nombreux endroits, la recommandation générale de l'objectif de protection pour une résistance à la grêle de 3 cm s'applique déjà pour une période de retour de 20 ans.

Danger de grêle sur une surface de référence de 100 m2: taille des grêlons pour une période de retour de 50 ans

vers le géoportail fédéral (geo.admin.ch)

Légende de la carte du risque de grêle avec indication des diamètres des grelons pour une période de retour de 50 ans sur une surface de référence de 100 m2 (LEHA 100)

Légende et informations complémentaires:

Les cartes du danger de grêle montrent les valeurs de retour de la taille des grêlons LEHA-100 statistiquement estimées pour la période de retour de 50 ans. LEHA-100 décrit la plus grande taille des grêlons attendue sur une surface de référence de 100 m2. LEHA est dérivé de la taille de grêle maximale estimée par kilomètre carré avec l'algorithme radar MESHS (données radar de MétéoSuisse pour la période de 2002 à 2020). Les nouvelles cartes du danger de grêle représentent la taille des grêlons en fonction de la période de retour T. Ils décrivent la taille des grêlons qui sera dépassée dans les conditions climatiques actuelles, par surface de référence, avec une probabilité de 1/T par an. Ainsi, la carte pour 50 ans montre quelle taille de grêlon peut être attendue sur le long terme en moyenne une fois tous les 50 ans, ou avec une probabilité de 2% par an. Ces cartes fournissent une base actualisée pour évaluer le danger de grêle local. La carte des zones de grêle de l'annexe G1 de la norme SIA 261/1 (2020) reste valable sans modification.

  • MESHS : Maximum Expected Severe Hail Size est défini comme la taille maximale de la grêle estimée par kilomètre carré. Cela signifie que la plupart des grêlons à l'intérieur de cette surface sont plus petits.
  • LEHA : Largest Expected Hail on a Reference Area est une dérivation mathématique de la taille de la grêle MESHS définie pour un kilomètre carré. Il décrit le plus gros grêlon attendu sur une zone de référence plus petite. Dans des cas extrêmes, un grêlon MESHS peut avoir un impact sur la zone de référence petite, mais cela se produit rarement.
Données initiales
Symbole / unité Désignation
d [mm]: Diamètre du grêlon
γ [°]: Angle d'incidence (dans le plan vertical)
φ [°]: Direction d'incidence (dans le plan horizontal)
α [°]: Inclinaison du toit

ρh [kg/m3]:

Densité de la glace composant le grêlon (870 kg/m3)

ρl [kg/m3]:

Densité de l'air (1.226 kg/m3)

cd

Coefficient de résistance de l'air (0.05)

vf [m/s]:

Vitesse de chute verticale du grêlon (sans l'influence du vent)

vh [m/s]:

Vitesse horizontale du grêlon sous l'influence du vent

vw [m/s]:

Vitesse du vent (rafales)

vfw [m/s]:

Vitesse de chute verticale du grêlon avec influence du vent

vAS [m/s]:

Vitesse minimale approximative d'endommagement (laboratoire)
T [h]: Durée de la chute de grêle
a [m]: Épaisseur accumulée

qa [N/m2]:

Charge due au dépôt de grêle
m [kg]: Masse

Ek [J]:

Énergie cinétique d'un grêlon

ET [J/m2]:

Énergie cinétique totale de la grêle, par élément de surface et par événement
RG ­ Classes de Résistance à la grêle (de RG1 à RG5)

g [m/s2]:

Accélération gravitationnelle (9.81 m/s2)

Situations de danger

Il existe deux situations de danger principales pour la grêle : en absence de vent, une averse de grêle percute avant tout les surfaces de toits et épargne les façades. En cas de vent (situation normale), les surfaces de toit et de façades exposées au vent sont également touchées.

Actions

Pour procéder au dimensionnement, il faut disposer de données concernant la taille des grêlons, la fréquence et le vent. La taille des grêlons peut être tirée de la carte des zones de grêle (SIA 261/1).

Énergie cinétique d’un grêlon

L’énergie cinétique d’un grêlon en chute libre se calcule comme suit :

Vitesse de chute verticale d’un grêlon sans influence du vent

La vitesse de chute vf des grêlons peut être estimée en appliquant la formule ci-après avec un diamètre de grêlon d en [mm] comme variables d’entrée déterminantes :

Vitesses finales, masses et énergies auxquelles il faut s’attendre pour des grêlons de différents diamètres, moyennant certaines hypothèses concernant la densité et le coefficient de résistance à l’air (Résistance à l’écoulement de l’air : cd = 0.5, densité de l’air : ρl = 1.226 kg/m3, densité du grêlon : ρh = 870 kg/m3) :

Tableau : Masse, vitesse finale et Énergie cinétique

Vitesse horizontale du grêlon sous l’influence du vent

Des analyses de la vitesse de chute réelle ont révélé que la vitesse horizontale des grêlons est égale en moyenne à un tiers de la vitesse de chute verticale. Des vitesses horizontales plus élevées sont possibles, selon la force des rafales (rubrique tempête). La vitesse horizontale des débris sphériques peut atteindre environ un tiers de la vitesse du vent (rafales).

La charge due au dépôt de grêle sur les bâtiments vaut :

La charge due au dépôt de grêle est en général inférieure à la charge due à une chute de neige (voir norme SIA 261, altitude de référence SIA 261 Annexe D).

Énergie totale de la grêle

En météorologie et dans l’agriculture, l’énergie totale de la grêle par surface unitaire, exprimée en [J/m2], qui cumule tous les grêlons tombant sur cette surface au cours d’un événement, est un autre paramètre très souvent utilisé pour décrire l’intensité de la grêle. L’énergie totale de la grêle peut aussi être estimée a posteriori au moyen de données radar, sur la base du nombre d’impacts, de la taille des grêlons et du sens du vent.

Types et causes de dommages

Une chute de grêle est susceptible de porter atteinte aux matériaux constituant l’enveloppe du bâtiment en endommageant leur surface, leur forme ou leur structure. Ces trois classes de dommages se caractérisent et sont illustrées comme suit :

Classe de dommages

Définition

Manifestation

Dommages à la surface

Détérioration de la surface des matériaux sous la forme de rugosification, arrachement ou écaillage

Altération réversible
Rugosification
Arrachement
écaillage

Dommages à la forme

Dommages aux matériaux sous la forme de déformations

Bossellement
Voilement

Dommages à la structure

Dommages aux matériaux sous la forme de fissures, ruptures, éclatements ou perforations

Fissuration
Rupture
Éclatement
Perforation

Dommages à la surface causés par la grêle

Dommages à la surface (arrachement de la peinture) causés par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la surface (écaillage) causés au crépi par la grêle. (source: AGV)

Dommages à la forme causés par la grêle

Dommages à la forme causés aux volets roulants par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la structure (bossellement) causés par la grêle. (source: AGV)

Dommages à la structure causés par la grêle

Dommages à la structure causés à la toiture par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la structure causés aux impostes par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la structure causés à une imposte par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la structure (éclatement) causés aux tuiles par la grêle. (source: AGV)
Strukturschaden (Absplitterung) infolge Hagel an Ziegeln. (Bildquelle: AGV)
Dommages à la structure (perforation) causés à une fenêtre de toit par la grêle. (source: AGV)
Dommages à la structure (rupture interne) causés aux fenêtres de toit par la grêle. (source: AGV)
Mesures de protection

En utilisant des matériaux de construction résistant à la grêle, on peut protéger toute l’enveloppe du bâtiment des impacts de grêle. Comme valeur de référence, on recommande une résistance minimale à la grêle de RG 3 (voir répertoire grêle). De plus, les éléments de construction sensibles comme les stores à lamelles ou les matières synthétiques ne devraient jamais être exposés directement à la grêle (voir « Protection grêle – tout simplement automatique »).

Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment: Check-up des dangers naturels

Littérature

Littérature générale

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