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.
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).
Les tempêtes hivernales peuvent causer des pointes de rafales de 140 à 200 km/h dans toute la Suisse. Dans les Alpes, elles peuvent même dépasser les 250 km/h. Ce phénomène est celui qui cause les dommages les plus onéreux par événement en Suisse.
Les tempêtes les plus fréquentes en Suisse se produisent souvent avec des orages, surtout en été.
Le fœhn – un vent descendant souvent tempétueux – peut atteindre la force d’un ouragan, avec des pointes de rafales à 130-160 km/h (voire plus de 250 km/h sur les crêtes).
Des tornades peuvent aussi se produire en Suisse, souvent dans des cellules orageuses avec de la grêle. Elles sont souvent très localisées. En Suisse, elles apparaissent surtout dans le Jura et le nord du pays, mais pas dans les Alpes.
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.
Légende
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.
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.
| km/h | m/s | Degré | Appelation | Remarques |
|---|---|---|---|---|
< 1 |
0–0.2 | 0 | Calme |
La fumée s'élève verticalement. |
1-5 |
0.3–1.5 | 1 | Très légàre brise |
La direction du vent est rélévée seulement par l'entraînement de la fumée. |
| 6–11 | 1.6–3.3 | 2 | Légère brise |
Le vent est perçu au visage. |
12-19 |
3.4–5.4 | 3 | Petite brise |
Les feuilles frémissent, le vent déploie les drapeaux légers. |
| 20–28 | 5.5–7.9 | 4 | Jolie brise |
Les petites branches sont agitées, le vent déploie les drapeaux lourds |
| 29–38 | 8.0–10.7 | 5 | Bonne brise |
De plus grandes branches sont agitées, le vent dans le visage est assez désagréable. |
| 39–49 | 10.8–13.8 | 6 | Vent frais |
Les grandes branches sont agitées, le vent siffle dans les fils. |
| 50–61 | 13.9–17.1 | 7 | Grand frais |
Les arbres frêles sont agités, la marche contre le vent devient pénible. |
| 62–74 | 17.2–20.7 | 8 | Coup de vent |
Les grands arbres sont agités, des branches se cassent, la marche contre le vent devient presque impossible. |
| 75–88 | 20.8–24.4 | 9 | Fort coup de vent |
Les objets légers sont déplacés, des tuiles peuvent se relâcher aux endroits exposés. |
| 89–102 | 24.5–28.4 | 10 | Tempête |
Les meubles de jardin et les objects légers sont renversés, des arbres sont brisés. |
| 103–117 | 28.5–32.6 | 11 | Orkanartiger Sturm | Leichte Schäden an Dachziegeln und Verblechungen, geringe Schäden an Leichtbauten |
118 - 133 |
32.7 - 36.9 | 12 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
134 - 149 |
37.0 - 41.4 |
13 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
150 - 166 |
41.5 - 46.1 |
14 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
167 - 183 |
46.2 - 50.9 |
15 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
184 - 202 |
51.0 - 56.0 |
16 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
> 202 |
> 56 |
17 |
Ouragan |
Ravages désastreux. |
Force du vent |
Type de vent |
km/h | m/s | Echelle de Beaufort |
|---|---|---|---|---|
faible |
Vitesse moyenne |
< 14 | ≤ 3.9 | env. 1-2 |
Pointes de rafales |
-30 | ≤ 8.3 | ||
modéré |
Vitesse moyenne |
15-29 | 3.9-8.1 | env. 3-4 |
Pointes de rafales |
31-60 | 8.6-16.6 | ||
fort |
Vitesse moyenne |
30-56 | 8.3-15.5 | env. 5-7 |
Pointes de rafales |
61-89 | 16.9-24.7 | ||
tempétueux |
Vitesse moyenne |
57-99 | 15.8-27.5 | env. 8-10 |
Pointes de rafales |
90-149 | 25.0-41.4 | ||
Ouragan |
Vitesse moyenne |
> 99 | > 27.5 | env. 11-12 |
Pointes de rafales |
≥ 149 | ≥ 41.4 |
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 :
| km/h | m/s | Echelle | Effets |
|---|---|---|---|
| 76 ±14 | 17 – 25 | T0 | Taux de dommages: Tléger = 0.05 %, Tmassif = 0.01 % |
| 104 ±14 | 25 – 33 | T1 | Taux de dommages: Tléger = 0.10 %, Tmassif = 0.05 % |
| 135 ±16 | 33 – 42 | T2 | Taux de dommages: Tléger = 0.25 %, Tmassif = 0.10 % |
| 167 ±16 | 42 – 51 | T3 | Taux de dommages: Tléger = 0.80 %, Tmassif = 0.25 % |
| 202 ±18 | 51 – 61 | T4 | Taux de dommages: Tléger = 3 %, Tmassif = 0.80 % |
| 238 ±18 | 61 – 71 | T5 | Taux de dommages: Tléger = 10 %, Tmassif = 3 % |
| 275 ±20 | 71 – 82 | T6 | Taux de dommages: Tléger = 30 %, Tmassif = 10 % |
| 315 ±20 | 82 – 93 | T7 | Taux de dommages: Tléger = 90 %, Tmassif = 30 % |
| 356 ±22 | 93 – 105 | T8 | Taux de dommages: Tléger = 100 %, Tmassif = 60 % |
| 400 ±22 | 105 – 117 | T9 | Taux de dommages: Tléger = 100 %, Tmassif = 80 % |
| 445 ±23 | 117 – 130 | T10 | Taux de dommages: Tléger = 100 %, Tmassif = 90 % |
| 491 ±23 | 130 - 143 | T11 | Taux de dommages: Tléger = 100 %, Tmassif = 95 % |
MeteoSuisse |
Alarme-Météo |
|
|---|---|---|
1 |
= |
0 |
2 |
= |
1 |
3 |
= |
2 |
4 & 5 |
= |
3 |
L'action du vent est déterminée selon les normes SIA (en particulier SIA 261). Pour cela, il faut disposer de données concernant la pression dynamique de référence, la direction des vents dominants et les conditions de vent locales. S'y ajoutent des valeurs comme le lieu, la hauteur et la forme du bâtiment et des facteurs de sécurité. Ces valeurs doivent être déterminées par un spécialiste.
Les projeteurs ont tout intérêt à exiger de leurs partenaires de construction la preuve du respect des normes SIA. De nombreux sinistres sont imputables à l'insuffisance voire l'absence de preuves ou à des liaisons sous-dimensionnées. Il est donc important que le maillon le plus faible – « la dernière vis » – corresponde à ces normes.
Les effets du vent sur le bâtiment
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.
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 ici comme ouvertures les orifices d’aération, fentes de ventilation, portes et fenêtres (ouvertes), bandes vitrées et similaires.
Une fenêtre ou une porte ouverte occasionne soit une pression interne, soit une succion interne. Quand une pression et une succion se forment dans la même direction, leur effet conjoint est particulièrement fort.
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.
Situation de danger 4 : Impact de débris
Si des débris percutent l'enveloppe du bâtiment, ils peuvent le mettre en danger. Les personnes encourent davantage de danger dans un bâtiment qui a perdu son étanchéité. L’énergie de l’impact dépend de la masse des débris et de leur vitesse.
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 de l’impact dépend de la hauteur de chute et de la masse de l'arbre.
Rupture de l’enveloppe du bâtiment
Les liaisons entre le toit et la façade sont particulièrement affectées par les forces de succion. Cela peut engendrer de nombreux dommages aux bâtiments.
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 souvent imputable à des défauts 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.
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.
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!).
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.
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.
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.
Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment :
Egli, Th. (2007): Recommandations - Protection des objets contre les dangers naturels météorologiques. Association des établissements cantonaux d'assurance incendie, Berne.
Fondation de prévention des établissements cantonaux d'assurance (2014): Prevent-Building – une méthode et un outil d’évaluation de l’efficacité, de la rentabilité et de l’acceptabilité des mesures de protection des bâtiments, destinés à parer aux risques naturels gravitationnels et météorologiques. Rapport concernant la phase 1 incluant les adaptations de la phase 2. Groupe de travail Prevent-Building: WSL-Institut pour l'étude de la neige et des avalanches SLF, Egli Engineering AG, Geotest SA, B,S,S. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)
Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.
Ambrose, J., Vergun, D. (1997): Simplified building design for wind and earthquake forces. John Wiley & Sons, Third Edition, New York. ISBN: 978-0-471-19211-4.
Dotzek et al. (2000): Die Bedeutung von Johannes P. Letzmanns “Richtlinien zur Erforschung von Tromben, Tornados, Wasserhosen und Kleintromben“ für die heutige Tornadoforschung. Meteorologische Zeitschrift, 9, 165-174.
Dyrbye, C., Hansen, S.O. (1997): Wind loads on structures. John Wiley and Sons, Chichester.
FEMA (1999): Midwest Tornado of May 3, 1999 – Observations, Recommendations, and Technical Guidance. Building Performance Assessment Report, FEMA 342. Federal Emergency Management Agency, Washington.
FEMA (2008): Design and Construction Guidance for Community Safe Rooms. Federal Emergency Management Agency, No. 361, Second Edition, Washington.
Gerhardt, H.J. (2005): Windschäden. Schadenfreies Bauen, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart.
GDV (2016): Schutz vor Sturm. Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e. V. (GDV). VdS Schadenverhütung, VdS 2089, Köln.
GDV (2000): Sturm – Eine Gefahr für das Dach. Merkblatt zur Schadenverhütung. Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft, VdS Schadenverhütung, VdS 2089, Köln.
Holmes, J.D. (2015): Wind loading of structures. Spon Press, London.
Janser, F. (1995): Windbeanspruchung belüfteter Aussenwände. Dissertation an der Technischen Universität, Berlin.
Lawson, T. (2001): Building Aerodynamics. Imperial College Press, London.
Lee, B.E., Wills, J. (2002): Vulnerability of Fully Glazed High-Rise Buildings in Tropical Cyclones. Journal of Architectural Engineering, Vol. 8, No.2, American Society of Civil Engineers, Reston.
Massong, F. (1998): Statik am Dach: Grundlagen, praktische Anwendung und Berechnungshilfen. Verlag Rudolf Müller, Köln.
Melaragno, M. (1996): Severe Storm Engineering for Structural Design. Gordon and Breach Science Publishers, United States.
Minor, J.E. (2002): Formal Engineering of Residential Buildings. Journal of Architectural Engineering, Vol. 8, No.2, American Society of Civil Engineers, Reston.
Ruscheweyh, H. (1982): Dynamische Windwirkung an Bauwerken. Band1: Grundlagen, Band 2: Praktische Anwendungen, Bauverlag GmbH, Wiesbaden / Berlin.
Schlüter, F.-H., Gerold, M. (2003): Auslegung von Gebäudestrukturen gegen Baumwurf, VDI-Baudynamik. Kassel.
Schunck, E., Oster, H.J., Barthel, R., Kiessl, K. (2002): Dach Atlas – Geneigte Dächer. Birkhäuser Verlag, 4. Auflage, Basel.
Simiu, E., Scanlan, R.H. (1996): Wind effects on structures – fundamentals and applications to design. Third Edition, John Wiley & Sons, Third Edition, New York.
Sockel, H. (1984): Aerodynamik der Bauwerke. Vieweg & Sohn, Braunschweig.
Weidmann, M. (2010): Sicherheit von Dächern und Fassaden bezüglich schadenverursachendem Wind. Projekt "Schadensverminderung an Gebäudehüllen unter extremer Windeinwirkung" - Synthesebericht für Architekten, Bauherren und Gebäudeeigentümer. Präventionsstiftung der Kantonalen Gebäudeversicherungen, Bern.
Wills, J.A.B., Lee, B.E., Wyatt, T.A. (2002): A model of wind-borne debris damage. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 90, S. 555 – 565, Elsevier Science Ltd., Amsterdam. doi: 10.1016/S0167-6105(01)00197-0
Zimmerli, B., Hertig, J.A. (2006): Wind – Kommentar zum Kapitel 6 der Normen SIA 261 und 261/1 (2003) Einwirkungen auf Tragwerke. Dokumentation D 0188, SIA, Zürich.
Zuranski, J.A. (1978): Windeinflüsse auf Baukonstruktionen. Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, 2. Auflage, Köln.