Tempêtes

En Suisse, une tempête peut survenir partout et développer des forces considérables. Lors de rafales, la force du vent est localement démultipliée, par ex. sur les toits et les façades. Quand les forces de pression et d’aspiration sont cumulées, elles se renforcent mutuellement, par exemple au niveau des avant-toits ou si le bâtiment n’est pas étanche à l’air. Les normes suisses de construction exigent une bonne résistance aux tempêtes.

Bases

Objectif de protection

La norme SIA 261 définit un événement d’une périodicité de 50 ans comme objectifs de protection contre le vent pour les bâtiments résidentiels et commerciaux standard. Les bâtiments, les parois extérieures et le toit doivent résister aux charges importantes qui en découlent et aucun élément de construction ne doit être arraché, p. ex. les éléments de façade ou éléments en saillie tels que les antennes ou les installations solaires. Lorsque l’ensemble des coefficients de sécurité est pris en compte, l’objectif de protection s’avère sensiblement plus élevé (vent d’une périodicité d’env. 150 ans).

Caractéristiques des vents causant des dommages

Les tempêtes hivernales surviennent à la transition entre les zones climatiques subtropicale et polaire, à une latitude de l’ordre de 35 à 70 degrés. Des vagues d’air polaire y rencontrent des masses d’air chaud subtropicales, ce qui provoque la formation de tourbillons dépressionnaires de grande étendue. L’intensité des zones de tempête, proportionnelle à la différence de température entre les deux masses d’air, est donc la plus élevée à la fin de l’automne et en hiver, lorsque les mers sont encore chaudes alors que les masses d’air polaire sont déjà très froides. Les rafales atteignent des pointes de 39 à 56 m/s (140-200 km/h). Dans les cas extrêmes, elles dépassent même 70 m/s (250 km/h) dans les Alpes. Comme les zones de tempête (zones dépressionnaires) peuvent avoir un diamètre de 1000 à 1500 km, ce phénomène est celui qui cause les dommages les plus onéreux par événement en Suisse.

Les tempêtes orageuses représentent les vents de forte intensité les plus fréquents en Suisse. Elles surviennent principalement en été et localement, quand de grands nuages se forment sous l’effet de l’ascension d’air chaud et humide. L’instabilité thermique en résultant est à l’origine de la formation du vent. Cette instabilité est liée à la présence de montagnes ou à l’arrivée d’un front. Les rafales des tempêtes orageuses peuvent atteindre localement des pointes similaires à celles des tempêtes hivernales. On distingue les orages unicellulaires, multicellulaires et supercellulaires (correspondant à une augmentation de la durée et de la violence de l’orage). Les orages unicellulaires forment les orages de chaleur typiques de l’été, d’une courte durée (jusqu’à une heure). Les orages multicellulaires durent d’une à trois heures et sont fréquemment accompagnés de rafales et de chutes de grêle. Les orages supercellulaires durent d’une à six heures et contiennent une cellule en rotation, qui se déplace localement. Ils peuvent être accompagnés de grêle, de rafales de vent, de vents violents descendants (« downbursts ») et occasionnellement de tornades.

Les tempêtes de foehn sont composées de vents chauds, secs et souvent violents sur le versant abrité du vent (sous le vent) de la montagne. Il souffle sur le versant nord des Alpes lorsqu’il y a un afflux d’air en provenance du sud. Sur le versant sud des Alpes, on parle de « foehn du nord », lorsque des masses d’air froid traversent l’arc alpin en provenance du nord ou du nord-ouest. La température élevée et la sécheresse du foehn sont dues au fait que de l’air chaud et humide est forcé de remonter le versant au vent de la montagne, si bien qu’une partie de l’eau y tombe sous forme de pluie (précipitations de barrage). Ainsi, lorsque le foehn redescend, l’air est plus chaud et plus sec qu’à la montée. Le foehn souffle souvent pendant le semestre d’hiver et peut atteindre la force d’un ouragan (le 16 novembre 2002, une vitesse de 60 m/s, soit 215 km/h, a été mesurée dans les Alpes orientales !).

Les tornades n’affectent pas seulement le Centre-Ouest des États-Unis, mais surviennent sous des latitudes tempérées dans le monde entier. Naissant fréquemment dans des cellules orageuses, le long de fronts d’intempéries, elles peuvent être accompagnées de grêle. Le diamètre moyen de la colonne des tornades est de l’ordre de 100 m et la longueur moyenne de leur trajectoire de quelques kilomètres. On estime que la vitesse maximale en bordure du tube de tornades extrêmes est supérieure à 139 m/s (500 km/h). Mais les rafales de la plupart des tornades ne dépassent guère 27,8 m/s (100 km/h).

En Suisse, on compte en moyenne une à cinq tornades par an. Elles surviennent principalement dans le Jura et dans le nord de la Suisse, mais pas dans les Alpes. Si la plupart des tornades affectant le territoire helvétique causent tout au plus des dommages de faible ampleur en raison de leur petite taille, d’importants dommages ne sont toutefois pas à exclure, p. ex. en zones urbaines.

Tornade dans le Jura
Tornade dans le Jura
Dommages infligés par une tornade
Dommages infligés par une tornade

Termes techniques

La vitesse du vent vw dépend du régime local des vents, de la topographie du site (crête, berge de lac), des conditions d’urbanisation (pleine nature, agglomération) et de la hauteur de la mesure (au-dessus du sol).

La direction des vents dominants désigne le point cardinal à partir duquel le vent souffle le plus souvent. Elle peut varier fortement entre les régions et localement : le foehn vient en général du nord (versant sud des Alpes) ou du sud (versant nord des Alpes), la bise vient du nord / nord-est / est et les tempêtes d’hiver, du nord-ouest / sud-ouest.

Rafales : Les rafales de quelques secondes soumettent les ouvrages à de fortes contraintes. Elles peuvent causer des oscillations et des sollicitations cycliques.

Non exposé au vent : Le versant se trouvant sous le vent (p. ex. d’une crête montagneuse).

Exposé au vent : Le versant orienté face au vent.

 

Le danger de tempête en Suisse : Pointes de rafales tous les 50, 100 et 300 ans

Légende
Legende

Remarque : les cartes indiquent le risque régional de pointes de rafales lors de tempêtes d’hiver. Elles ne prennent toutefois pas en compte les effets localisés ainsi que les tempêtes d’été et les rafales d’orage. Les valeurs pour les pointes de rafales ne doivent donc pas être interprétées comme des valeurs précises et exactes et ne remplacent pas une expertise du site. Les pointes de rafales dans les régions exposées des hautes Alpes sont notamment sous-évaluées. Pour les activités de construction, la norme SIA 261 et sa carte Pression dynamique de référence conformément à l’annexe E sont déterminantes.

Échelles de mesure du vent tempétueux : force du vent et dommages potentiels

Les valeurs des échelles de mesure du vent tempétueux sont des vitesses de vent moyennes (sur 10 minutes) et non des pointes de rafales. L’échelle de Beaufort est subdivisée en 13 degrés. À partir de 75 km/h, un vent est considéré comme tempétueux. Des objets de taille moyenne peuvent alors être déplacés ou des tuiles soulevées du toit. Les vents de vitesse supérieure à 118 km/h sont assignés au degré le plus élevé de l’échelle, les « ouragans », qui peuvent entraîner des ravages désastreux.

Echelle de Beaufort (vitesses moyennes sur dix minutes)
Relation : vitesse moyenne - pointes de rafales

Les rafales peuvent atteindre des vitesses supérieures à 150 km/h sur le Plateau et dans les Préalpes. Sur les crêtes alpines, elles peuvent dépasser même les 250 km/h. C’est la raison pour laquelle il existe l’échelle Torro applicable aux tempêtes d’Europe centrale, qui décrit les dommages possibles dans une plage de 75 à 500 km/h :

Échelle Torro (rafales tempétueuses en Europe centrale, Dotzek et al. 2000)

Pour les prévisions météorologiques et les alertes orages (www.dangers-naturels.ch, www.alarmemeteo.ch) les classes suivantes de force du vent sont utilisées :

Niveaux d'alerte Alarme-Météo
Degrés de danger MeteoSuisse

Paramètres d’intensité pour le dimensionnement

Les actions sont déterminées selon les normes SIA. Pour procéder au dimensionnement des mesures visant à protéger des objets, il faut disposer de données concernant la pression dynamique de référence, la direction des vents dominants et les conditions de vent locales. La pression dynamique de référence et la méthodologie s’y rapportant sont tirées de la norme SIA 261. Les données concernant la direction des vents dominants et les conditions de vent locales seront éventuellement complétées par un spécialiste.

Les projeteurs ont tout intérêt à exiger de leurs partenaires de construction la preuve du respect des normes SIA, en particulier de la norme SIA 261. De nombreux sinistres sont dus à des preuves manquantes, incomplètes ou à des liaisons insuffisantes. Il est donc important que le maillon le plus faible – « la dernière vis » – corresponde à ces normes.

Données initiales

Notations

qp [kN/m2]: Pression dynamique
vw [m/s]: Vitesse du vent
vt [m/s] Vitesse du débris
ρl [t/m3]: Densité de l'air
v [m]: Largeur du bâtiment (selon la norme SIA 261)
d [m]: Longueur du bâtiment (selon la norme SIA 261)
h [m]: Hauteur du bâtiment (selon la norme SIA 261)
α [°]: Inclinaison du toit
φ [°]: Direction du vent dans le plan horizontal
m [t]: Masse d'un objet percutant le bâtiment
hb [m]: Hauteur de chute de l'arbre
Ekin [J]: Energie cinétique à l'impact d'un débris
g [m/s2]: Accélération gravitationnelle (9.81 m/s2)
Situations de danger

Les effets du vent sur le bâtiment

Si vous cliquez sur ce bouton, des vidéos de YouTube seront intégrées sur l’ensemble du site internet. YouTube pourra dès lors collecter des informations à votre sujet.

Situation de danger 1 : Bâtiment étanche (pas de pression interne)

Les façades et toits subissent des forces de pression et de succion en fonction de la direction du vent et de sa vitesse.

Représentation schématique de la pression et de la succion du vent au cas d'un bâtiment étanche au vent en plan et en élévation

Situation de danger 2 : Bâtiment non étanche (pression interne et succion interne)

Un bâtiment est considéré comme ouvert lorsque la proportion d’ouvertures sur l'une des faces du bâtiment est supérieure à 5 % de la surface en question. Sont considérés comme ouvertures les orifices d’aération, fentes de ventilation, portes, fenêtres, bandes vitrées et éléments similaires, qui ne sont pas toujours fermés en cas de tempête. Une fenêtre ou une porte ouverte occasionne soit une pression interne, soit une succion interne, selon que cette ouverture est située sur les côtés du bâtiment exposés ou non exposés au vent. Une situation particulièrement défavorable est une superposition dans la même direction des forces de pressions et de succion générées par des sollicitations internes et externes.

Représentation schématique de la pression et de la succion du vent au cas d'un bâtiment non étanche au vent en plan et en élévation

Situation de danger 3 : Toit en saillie

Sur un toit raide en saillie, des forces de pression depuis le bas et des forces de succion depuis le haut se superposent sur le côté non exposé au vent. Sur un toit plat en saillie, ce phénomène se produit des deux côtés.

Situations de danger de vent : pression et succion sur les toits en saillie (différentes inclinaisons du toit)

Situation de danger 4 : Impact de débris

L’impact de débris emportés par le vent menace principalement la façade exposée au vent, surtout ses fenêtres non protégées. Cela a pour effet qu’un bâtiment étanche perd son étanchéité. Les personnes encourent donc un danger élevé. L’énergie cinétique dégagée lors de l’impact d’un débris dépend de sa masse m et de sa vitesse vt (inférieure à celle du vent). Les débris peuvent être des éléments de toiture ou de façade arrachés, du gravier emporté sur un toit plat, un chapeau de cheminée, un meuble de jardin, du petit bois, un appareil de jeu ou de jardin, etc.

Situation de danger 5 : impact d’un arbre

Le toit et les balcons sont les premiers touchés par la chute d’un arbre. Dans sa chute, un arbre peut aussi pénétrer à l’intérieur du bâtiment. L’énergie cinétique de l’impact dépend en grande partie de la hauteur de chute et de la masse de l’arbre m.

Lors d'une forte tempête, un arbre tombe sur le toit d'une maison et un trampoline s'envole
Actions

Détermination de la charge du vent

La charge du vent est déterminée selon la norme SIA 261. Les facteurs suivants sont considérés : l’altitude, la catégorie de terrain, la hauteur du bâtiment, la direction du vent, la forme du bâtiment, les parties non étanches et les ouvertures, la surélévation dynamique des résonances. Lors de la détermination de la charge du vent, il faut aussi considérer l’action de la neige afin d’identifier la situation de danger déterminante.

Pression dynamique

Selon la norme SIA 261, la pression dynamique dépend de la nature du vent, de la rugosité du sol (catégories de terrain : rives de lacs, vastes plaines, localités / milieux ruraux et zones urbaines étendues), de la forme de la surface du terrain et de la hauteur de référence.

La pression dynamique qp et la vitesse du vent vw sont reliées comme suit :

(densité de l’air = 0,00125 [t/m3])

Pointes de succion

Les bords et les angles des surfaces subissant une succion imputable au vent sont le siège de pointes de succion dues aux changements de direction marqués, générant des vitesses de courant élevées. Ces pointes peuvent être plusieurs fois supérieures à la succion moyenne dans les secteurs normaux. Les secteurs concernés du bâtiment doivent être dimensionnés spécifiquement et il faut mettre en œuvre des mesures contre des succions accrues dues au vent.

Sous-toiture ouverte / fermée

La sous-toiture est considérée comme ouverte lorsque sa perméabilité à l’air est supérieure à celle de la couverture ou de l’étanchéité (p. ex. tôle d’acier trapézoïdale sans dispositif d’étanchéité aux liaisons et aux raccords). Une sous-toiture est fermée lorsque sa perméabilité à l’air est inférieure ou au maximum égale à celle de la couverture ou de l’étanchéité.

Pression exercée par l’impact de débris

Lors des tempêtes, la pression exercée par l’impact des débris emportés par le vent exerce une action déterminante, en sus de la charge due au vent (situation de danger 4). Les bâtiments élevés équipés de façades sensibles (p.ex. en verre) sont particulièrement vulnérables à ce phénomène. Il convient de veiller tout particulièrement à ce qu’il n’y ait pas de danger pour les personnes.

Dérivée des travaux de Wills et al. (2002), la vitesse des débris et leur énergie cinétique peuvent être estimées en regard de la vitesse du vent qui les emporte. Les objets surfaciques revêtent l’énergie destructrice la plus élevée, suivis des objets linéaires et des objets sphériques.

Tableau : Vitesse et énergie cinétique de débris surfaciques
Tableau : Vitesse et énergie cinétique de débris allongés
Tableau : Vitesse et énergie cinétique de débris sphériques

Pour des énergies jusqu’à environ 50 [J], l’action dommageable des débris percutant une façade peut être estimée au moyen des méthodes de calcul des dommages dus à la grêle. Pour des énergies supérieures à 50 [J], il faut être très prudent lorsque l’on extrapole des données concernant la grêle.

Force d’impact d’un arbre qui se renverse

La force d’impact d’un arbre qui se renverse dépend de sa taille, de son diamètre, de la formation de sa couronne et de sa distance par rapport au bâtiment touché, ainsi que de la hauteur du bâtiment en question. La force varie sur une fourchette de 10 à plus de 100 kN (de 1 à plus de 10 t). Voir Schlüter, Gerold 2003.

Cheminement des efforts du toit aux fondations (verticalement et horizontalement)

Les forces calculées à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment doivent être transmises du toit aux fondations par l'intermédiaire de l’ensemble de la construction et de ses composants. Des dommages surviennent lorsque le cheminement des efforts est discontinu, par exemple lorsqu’il est interrompu entre la couverture du toit et la dalle du bâtiment ou entre un pilier et les fondations.

Protagonistes et responsabilités concernant le dimensionnement

De nombreux sinistres sont dus à des vérifications insuffisantes ou inexistantes ou à un manque de communication. Il est nécessaire d’appliquer de manière cohérente les normes de construction. Les tâches et responsabilités des différents acteurs sont réglementées dans les normes SIA, notamment dans les normes SIA 101, SIA 102 et SIA 103.

Types et causes de dommages

Rupture de l’enveloppe du bâtiment

Des éléments du toit et de la façade (en particulier les liaisons) n’ont pas résisté aux forces de succion. De nombreux bâtiments subissent des dommages sous la forme de rupture de quelques éléments, généralement exposés, de l’enveloppe.

Dommages au toit et à la façade dus à la tempête et aux stores à lamelles pliées, débris gisant dans la rue

Rupture de l’ensemble du toit

La rupture de l’ensemble du toit est souvent due à des conditions de vent particulières, par ex. à un endroit exposé sur une vaste plaine. Pour les nouveaux bâtiments, ce type de dommages est très rare, et très souvent imputable à des fautes de construction.

Les dommages observés à la toiture des nouvelles constructions et des transformations sont le plus souvent dus à un manque de transmission des charges dans la construction porteuse, notamment en raison de :

  • Fixation insuffisante ou fixation mécanique déficiente de la couverture sur la construction porteuse, spécialement aux angles et aux bords, mais aussi au milieu du toit
  • Collage déficient entre la couverture et l’isolation thermique ou entre celle-ci et la construction porteuse
  • Raccords ou fermetures de bords insuffisants ou inadaptés
  • Omission de la pression régnant dans le bâtiment et de l’ancrage des éléments sur les bords

L’utilisation de clous lisses au lieu de vis ou, à défaut, de clous rainurés ou torsadés s’est soldée par un dommage total de ce toit en tôle profilée.

Utilisation de clous lisses

Il arrive fréquemment que les liaisons entre la couverture et le voligeage, entre le voligeage et le contre-lattage, ainsi qu'entre le contre-lattage et les chevrons ne soient pas vérifiées numériquement. Le maître de l'ouvrage ou son représentant est tenu d'exiger explicitement cette vérification du chef de projet ou du spécialiste qui en est chargé.

Liaisons entre la couverture et le voligeage

Ce toit d'une nouvelle construction, dont les fixations entre le contre-lattage et les chevrons étaient insuffisantes. Il a été soulevé et projeté sur la place de parc (danger pour les personnes!).

Fixations insuffisantes entre le contre-lattage et les chevrons

Les avant-toits dépourvus de sous-toiture sont inaptes à résister aux efforts de pression et de succion générés par le vent, même de faible vitesse.

Avant-toits dépourvus de sous-toiture

Soulèvement du bâtiment

Le soulèvement de tout le bâtiment ou de parties de celui-ci affecte principalement les constructions légères.

Rupture de l'ensemble de la structure porteuse

La rupture de l’ensemble de la structure porteuse est exceptionnelle en Suisse. Ce phénomène peut se produire quand la construction n’est pas ou trop peu résistante au vent.

La construction ouverte en bois de la photo n’a pas résisté aux charges occasionnées par l’ouragan Lothar. La superposition de pression interne et de forces de succion a provoqué l’effondrement de la structure porteuse. On peut partir du principe que la construction n’a pas été correctement dimensionnée en tenant compte du vent.

Pression interne

Les dommages dus à la pression régnant à l’intérieur de bâtiments sont rares en Suisse.

Une fenêtre n’a pas résisté à la charge occasionnée par la pression du vent de la tornade. Il en a résulté une importante pression interne, qui a arraché les portes de leurs ancrages dans cet espace intérieur.

Entretien insuffisant

La négligence dans l’entretien des toits, façades, portes, volets, stores et fenêtres peut être à l’origine de l’apparition de points faibles. Les défauts les plus fréquents revêtent la forme de tuiles manquantes ou défectueuses, crochets tempête manquants, toit perméable, planches de rive ou de virevent pourries, chapeaux de cheminées abîmés ou façades défectueuses. Ces petits dommages peuvent être la cause de dommages subséquents plus graves.

Transformation inappropriée

L’équilibre statique peut être compromis en cas de modification des parois ou des colonnes porteuses. Il n’est pas rare que des composants importants du contreventement du bâtiment soient affaiblis ou retirés sans rétablir l’équilibre des forces. Les éléments restants subissent alors des charges additionnelles qui n’avaient pas été prises en compte lors du dimensionnement initial.

Une conversion incorrecte comporte de grands risques, comme le montrent ici les poutres coupées à cause d'un tuyau.
Mesures de protection

Le respect rigoureux des normes de construction permet d’assurer une protection suffisante contre les tempêtes pour le système porteur et l’enveloppe du bâtiment (cf. objectifs de protection). Pour procéder au dimensionnement selon la norme SIA 261, il convient de fournir toutes les preuves (p.ex. par l’intermédiaire d’un ingénieur civil) et d’appliquer les normes de constructions en conséquence. Demandez à vos partenaires de construction de vous fournir les preuves correspondantes. De nombreux dommages sont dus à des vérifications insuffisantes ou inexistantes ou à un manque de communication.

Recommandations 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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Tempêtes

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