Exemple de réalisation
Voici, très concrètement, le type de couverture végétalisée rudimentaire dont il est question : installation, sur un toit à faible pente, de divers sedums, d’iris et autres plantes très peu exigeantes comme la vipérine... etc. Le substrat est essentiellement constitué de tuileau pilé (vieilles tuiles plates de récup), qui sert à la fois de drainage et de réserve d’humidité. Cette photo montre un toit végétal de trois ans sans entretien particulier.
Astuce : pour alléger la charge et économiser sur la quantité de plantes installées au départ, le substrat et la végétalisation ont été disposées en andains. Entre chaque andain, un simple paillis d’herbe fauchée au printemps a été ajouté pour conserver un peu d’humidité. Le sedum colonise progressivement ces espaces « vides ».
La pente conseillée : entre 3 et 18%
La végétalisation est particulièrement appropriée aux toitures à faible pentes, c’est à dire dont la pente est inférieure à 15%.
Les différentes couches d’un toit végétalisé rudimentaire
Voici un rapide coup d’œil de ce qui nous attend, avant de développer un peu plus.
Le voligeage
Une volige est destinée à réaliser un plancher continu pour supporter les matériaux de couverture [1]. Le plancher ainsi constitué s’appelle le voligeage.
- Traditionnellement, il s’agit de planches de bois. Dans ce cas choisir une essence de classe d’emploi 2 minimum [2]. Conseil de pose : il est fortement conseillé d’utiliser des clous (zingués) disposés en quinconce, en laissant entre chaque planche un espace vide correspondant à l’épaisseur d’un clou. Le bois peut ainsi de dilater et se contracter sans risque de gondoler ou de fissurer.
- On peut aussi utiliser des panneaux de grandes particules orientées, plus connus sous l’acronyme anglophone d’OSB (Oriented Strand Board). Dans ce cas, choisir un OSB4. Pour des raisons écologiques, vérifiez la présence d’un label de type FSC ou au pire PEFC. Ce n’est pas une garantie absolue mais c’est mieux que rien. Vérifiez aussi la composition... et notamment l’absence de colles (OSB sans formaldéhydes), pour éviter le dégagement de COV (Composé organique volatil).
Si les charges risquent d’être inégalement réparties (à cause d’une disposition du substrat en andains comme sur les photos du début), il est conseillé de poser un voligeage de 3 cm d’épaisseur.
Les clous doivent être protégés contre l’oxydation (zingués) et mesurer si possible 2,5 x l’épaisseur du voligeage.
Dans tous les cas... prévoir une ventilation du bâtiment pour garantir la durabilité du voligeage.
Les acrotères [3] : les acrotères sont des éléments qui dépassent du toit le long des rampants. Il servent à relever la couche d’étanchéité, pour éviter que l’eau ne ruisselle sur les pignons. La hauteur des acrotères doit donc être supérieure à l’ensemble des couches disposées sur la toiture.
| Matériau | Poids moyen kg/m2 |
|---|---|
| Voliges de Sapin douglas de 22mm | 11 à 12 |
| OSB4 de 22mm | 13 à 15 |
| Voliges de Sapin douglas de 3cm | 15 |
Rappel : une masse d’un 1 kg = un poids d’ 1 daN.
Pour simplifier, on retiendra la plus grande valeur : un voligeage pour toit végétalisé pèse environ 15 daN/m2.
L’étanchéité : la membrane EPDM
Un versant de toiture à faible pente est exposé plus longtemps aux eaux de pluie. L’étanchéité doit donc être très soigneusement réalisée... Pour limiter les points d’infiltrations, on utilisera des matériaux appartenant à la famille des « Grands éléments de couverture », imposant pas ou peu de zones de recouvrement transversal.
L’EPDM (sigle de éthylène-propylène-diène monomère) est actuellement le matériau le plus approprié à la réalisation d’une étanchéité de toiture végétalisée. Attention : ne pas prendre de l’EPDM pour bassin... qui n’est pas traité contre le feu. Il faut choisir absolument de l’EPDM pour toitures et terrasses.
Principales qualités chimiques de l’EPDM pour les toitures végétalisées :
- Excellente résistance à l’oxydation (ozone, dioxygène), aux intempéries, à la lumière (UV), au froid ;
- Températures limites : −40 à +150 °C en service limité, −40 à +120 °C en service continu ;
- Très bonne résistance aux acides ;
- Assemblage à froid par vulcanisation ;
- Neutre : le caoutchouc EPDM est un matériau « neutre » qui permet une récupération puis utilisation des eaux pluviales à des fins domestiques [4] :
- Relativement stable dans le temps : les premiers toits couverts il y a plus de 50 ans avec les membranes en EPDM sont toujours étanches, sans avoir nécessité de maintenance particulière ;
- 100% recyclable.
Principales qualités physiques de l’EPDM pour les toitures végétalisées :
- Résistance à la rupture : 13 à 20 MPa ;
- Résistance aux racines ;
- Allongement à la rupture : jusqu’à 450 %, qui lui permet de s’adapter aux mouvements du support ;
- Masse surfacique relativement faible par rapport aux autres solutions d’étanchéité : entre 1,3 et 1,45kg/m2.
Si la surface du voligeage est « propre » (aucun risque de perforation par le dessous), on peut coller l’EPDM directement dessus.
Concernant la mise en œuvre de l’EPDM, il existe suffisamment de ressources sur Internet, que nous vous invitons à consulter. Le seul point vraiment « technique » concerne l’étanchéité de la rive au niveau de l’acrotère. Voici un petit schéma de notre fabrication :
Et deux vidéos assez bien faites :
Le substrat : un minimum de 5 cm de tuileau concassé
L’objectif n’est pas ici de faire pousser des plantes qui demandent une terre profonde ou de qualité... Par exemple, la mode des toits verts avec une pelouse est un non-sens, puisqu’il nécessitera des amendements réguliers. Chaque pluie abondante lessivera le sol d’une partie de ses nutriments et tout sera à recommencer.
Certaines plantes se contentent de presque rien... regardez ce qui se passe sur les tas de cailloux abandonnés, les murs de pierre sèche et les toits en vieilles tuiles.
Notre substrat doit surtout pouvoir :
- Servir de lest pour maintenir la membrane EPDM en place (notamment dans les cas où, sur des toitures de moins de 50m2, on l’aura posée sans encollage) ;
- Constituer un point d’ancrage pour les racines ;
- Avoir des qualités drainantes en cas de fortes pluies ;
- Ne pas glisser en cas de fortes pluies ;
- Avoir une capacité d’absorption en haut ;
- Résister un peu à l’évaporation (présenter des ruptures de capillarité) ;
- Ne pas être trop lourd non plus.
La pouzzolane réunit toutes ces qualités... avec 20 à 25% de pouvoir d’absorption en eau. Mais il y a un équivalent gratuit et disponible en grande quantité : le tuileau, c’est à dire les vieilles tuiles plates que les couvreurs remplacent régulièrement.
Grâce à sa composition (une argile brute avec de nombreuses impuretés) et au mode de cuisson irrégulier des vieux fours à bois, le tuileau concassé constitue un matériau idéal à recycler pour les toitures végétalisées. Plus il est irrégulier, impur et poreux, plus il est investi par les mousses... et plus il est intéressant. Il ne vous reste plus qu’à la pilonner un peu avant de l’étaler sur votre toit, en y ajoutant, éventuellement, un tout petit peu de terre.
| Matériau | Sec | Saturé en eau |
|---|---|---|
| Billes d’argile expansée | 500 à 1000 | 1200 |
| Pouzzolane | 800 à 1000 | 1200 |
| Tuileau pilé | 1000 à 1200 | 1200 |
| Terre végétale | 1500 à 2500 | 3000 |
D’après ces données, la masse surfacique mouillée de 5 cm (épaisseur de substrat minimale conseillée) d’un mélange de tuileau pilé (80%) et de terre végétale (20%) serait de 80kg/m2, que nous arrondissons à 100 kg.
Choix des végétaux
Si vous n’êtes pas pressé, un toit végétalisé rudimentaire se contentera de végétaux peu difficiles que vous trouverez en abondance autour de vous : ceux qui colonisent les pierriers, les vieux murs, les éboulis, les toits abandonnés. Cherchez dans les endroits très secs l’été et froids l’hiver... qui réunissent les pires conditions.
- Les bryophytes : famille des mousses : non seulement vous n’aurez pas à démousser, mais en plus vous pouvez récupérer les mousses des toits des voisins (non traitées, bien-sûr !) Elles serviront de réserve d’eau aux autres plantes et sont souvent très jolies en couleur de fond ;
- Les crassulacées : joubarbes, sedum... formeront le tapis supérieur
- Les iris, les vipérines (Echium) etc... donneront un peu de hauteur à l’ensemble.
Inutile de vouloir tout couvrir d’un coup. On peut faire des andains ou des « plaques » espacés, la nature colonisera rapidement les vides.
| Végétal | État sec | Saturé en eau |
|---|---|---|
| Tapis de sedum | 12 | 20 à 25 |
| Tapis d’iris | 15 | 30 à 35 |
Remarque : un « tapis » désigne ici une plaque homogène et dense de végétaux reliés entre eux par leurs racines.
Calcul des charges
Pour le dimensionnement de la charpente, il est indispensable d’évaluer les charges qu’elle devra soutenir. Pour faire simple, les charges se divisent en deux catégories :
- Les charges permanentes ( G ) : celles de la structure elle-même ;
- Les charges variables ( P ), parmi lesquelles on distingue
- Les surcharges d’exploitation, liées à l’utilisation de la structure : véhicules sur le tablier d’un pont, occupation d’une salle de classe par les élèves... Dans notre cas, cela se réduit... à nos visites sur le toit !
- Les surcharges climatiques, normales et extrêmes.
Les charges permanentes de notre couverture : 150 daN/m2
| Composant | Poids maximal, par temps de pluie |
|---|---|
| Voligeage | 15 |
| Étanchéité | 1,5 |
| Substrat de 5cm | 100 |
| Végétaux | 30 |
| TOTAL ARRONDI | 150 |
Les surcharges climatiques
Il faut maintenant tenir compte des surcharges climatiques. Pour cela, on se réfère aux dernières règles NV65 du CSTB, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment [5]
Les Règles NV65 ont pour objectif de fixer les valeurs des charges climatiques (neige et vent) et de donner les méthodes d’évaluation des efforts correspondants sur l’ensemble d’une construction ou sur ses différentes parties. Leur dernière mise à jour date du 05 mai 2009.
A cause de la faible pente, l’influence du vent est négligeable. Reste donc à calculer la surcharge de la neige.
Jusqu’à 200 mètres d’altitude, les charges verticales normales Pn0 et extrêmes P’n0 uniformément réparties dues à la neige ont pour valeurs en projection horizontale celle indiquées par le tableau 1 (NV65 2009 section 2,1)
| Régions | Valeur caractéristique (Pn0 en daN/m2) de la charge de neige sur le sol à une altitude inférieure à 200m | Charge extrême P’n0 (daN/m2)l | Charge accidentelle |
|---|---|---|---|
| A1 | 35 | 60 | - |
| A2 | 35 | 60 | 80 |
| B1 | 45 | 75 | 80 |
| B2 | 45 | 75 | 108 |
| C1 | 55 | 90 | - |
| C2 | 55 | 90 | 108 |
| D | 80 | 130 | 144 |
| E | 115 | 190 | - |
| SPM | 190 | 310 | - |
Au-delà de 200mètres d’altitude et quelle que soit la région considérée, la loi de variation des charges en fonction de Pn0 ou de P’n0 et de l’altitude A est donnée par le tableau 4 (NV65 2009 section 2,2)
| Altitude | Pn (daN/m2) | P’n (daN/m2) |
|---|---|---|
| 200m<A<500m | Pn0+(A-200)/10 | P’n0+(A-200)/6 |
| 500m<A<1500m | Pn0+30+(A-500)/4 | P’n0+50+(A-500)/2.4 |
| 1500m<A<2000m | Pn0+280+(A-1500)/2.5 | P’n0+467+(A-1500)/1.5 |
Pour notre exercice, on choisit l’Yonne, à une altitude inférieure à 200 mètres. La charge extrême de neige à ajouter aux 150 daN de couverture est de 60 daN/m2. Ce qui totalise 210 daN/m2.
A quoi l’on doit encore penser le poids de notre visite sur le toit. S’il on y va hors période de neige et que l’on pèse 90 kilos, on arrive à 240 daN/m2.
Élément structurels de base d’une charpente
Une charge portée à bout de bras à la verticale sera de plus en plus pénible – voire impossible – à soutenir au fur et à mesure que vous rapprocherez votre bras de l’horizontale.
Autre exemple : quand deux personnes portent un meuble dans un escalier, celle du dessous porte plus que celle du dessus. C’est le résultat d’un phénomène que l’on appelle « la descente de charge ».
Selon leur position (de niveau ou dans le sens de la pente), les éléments structurels d’une charpente ne subissent pas de la même manière les descentes de charge. On distinguera les trois principaux groupes suivants :
La déformation des éléments structurels
La flexion, la flèche et le fluage
Parmi toutes les contraintes que peut subir une charpente, la flexion est la plus importante à comprendre.
Lorsqu’on met une charge sur une pièce de bois entre deux appuis :
- Soit cette charge est vraiment trop lourde et il y a rupture (heureusement, ce cas extrême est apparemment assez rare) ;
- Soit la pièce de bois va subir une flexion... ce qui est inévitable, puisqu’il s’agit d’un matériau souple. Le tout est de savoir dimensionner correctement sa charpente pour que cette déformation naturelle reste acceptable.
La flèche f , est la mesure du plus grand écart entre l’horizontale et ce point de flexion.
Si vous retirez immédiatement une charge, le bois reprend sa forme initiale, tout comme un arc que vous détendez. On parlera alors de charge instantanée (ex : charge de vent). La flèche provoquée par les charges instantanées est notée fi .
Mais si vous laissez une charge de façon permanente, dite charge de longue durée, la déformation augmentera rapidement au début pour se stabiliser après trois mois. Ce phénomène s’appelle le fluage. La flèche provoquée par les charges de longue durée est notée f∞ .
Ces deux types déformation doivent s’additionner pour obtenir la flèche totale.
ft = fi + f∞
Cette flèche totale ne doit pas dépasser certaines limites pour que la construction ne se déforme pas trop... autant pour des raisons esthétiques que structurelles : imaginez un plancher qui se transforme en cuvette !
La flèche admissible
La flèche admissible fadm définit, de façon arbitraire, la limite acceptable de cette déformation, proportionnellement à la longueur l de la portée entre appuis. Voici les flèches admissibles qui ont été établies pour les structures en bois [6] :
| Type de structure | Flèche admissible |
|---|---|
| Consoles (élément en porte-à-faux) | fadm < l / 150 |
| Chevrons, liteaux, voliges | fadm < l / 200 |
| Pannes | fadm < l / 300 |
| Arbalétriers, poutres (éléments de structure porteuse) | fadm < l / 400 |
On remarque immédiatement que plus on descend dans la charpente... plus la flèche admissible se réduit. Il est normal que l’on soit plus exigeant pour les éléments de la structure porteuse, dont la déformation se reporte sur l’ensemble de la construction.
Principaux paramètres influent sur la flèche
- La portée : la flèche augmente avec la portée libre entre appuis ;
- La hauteur de la section : la flèche augmente quand la hauteur baisse ;
- L’épaisseur de la section ne joue que proportionnellement : si on divise l’épaisseur par 2, la résistance est divisée par 2... et la flèche est multipliée par 2 ;
- La qualité du bois : il savoir choisir correctement son bois... reconnaître les principaux défaut, le sens du sciage ;
- L’humidité joue un rôle très important dans la résistance des bois de charpente. L’idéal serait de rester à 15 % d’humidité.
Comment dimensionner correctement une charpente
Pour que la charpente puisse supporter des charges dans les meilleures conditions possibles, il faut qu’elle soit correctement dimensionnée...
Or le bois est un matériau vivant... pour lequel les lois fondamentales de la résistance des matériaux ne sont pas vérifiées (Hooke Navier Bernouilli).
Toutefois, pour les principaux paramètres, des valeurs de référence obtenues à partir de données empiriques permettent aux charpentiers d’éviter les grosses surprises.
Principales valeurs de référence utilisées pour les calculs
- Les contraintes admissibles forfaitaires notées σ et exprimées en unités de pression (bars ou pascals) ;
- Les coefficients correcteurs selon l’humidité du bois ;
- Les coefficients correcteurs selon la hauteur de la section ;
- Les modules de déformation (module de Young), notés E et exprimés en unités de pression (bars ou pascals) ;
Si vous êtes matheux... vous pouvez lire cet article.
Les abaques
Rassurez-vous, pour les petites constructions ou les charpentiers amateurs, il existe des abaques qui suffisent amplement à éviter les grosses erreurs.
Voici un site bien rustique... brut de brut, à l’ancienne, au titre évocateur de "charpente-total-bricoleurs", qui présente des abaques pour les chevrons, les pannes et les solives.
Si ce sujet vous passionne vraiment et que vous souhaitez en savoir plus, vous pouvez lire ce livre :
Vous pouvez télécharger les trois abaques (solives, pannes, chevrons) en PDF en cliquant ci-dessous :
Que nous montrent les abaques ? Qu’à section égale sur une portée égale, une pièce de bois de niveau supportant une charge de niveau présente une charge admissible inférieure à une pièce de bois posée inclinée et supportant une charge rampante.
Autrement dit, la même charge demande plus de résistance à une pièce de bois de niveau qu’à une pièce de bois inclinée.
Par conséquent, si l’on part sur un toit avec une pente faible (entre 3% et 18%), il est plus prudent de dimensionner toutes les pièces de bois en se rapprochant de l’abaque des solives.
D’ailleurs, toujours à cause de la faible pente, on pourra systématiquement préférer une pose de pannes en dévers. En effet, la pose d’aplomb, plus compliquée, n’a d’intérêt que pour les fortes pentes.
Application pour un toit végétalisé rudimentaire
Partons sur la base d’un toit avec une simple pente, dont la longueur serait de 6 m pour 4 mètres de rampant. On souhaite faire reposer les chevrons sur 5 pannes espacées d’environ 1m. Sur 6 mètres, on peut mettre 16 chevrons espacés d’environ 40 cm. Pourquoi environ 40 cm ? Parce que c’est l’entraxe moyen couramment utilisé pour les toitures lourdes, mais aussi pour limiter la flexion des voliges.
L’essence choisie pour les calculs est le Pin Douglas, avec une masse volumique arrondie à 600 kg/m3 (partant du principe qu’il sort « vert de scierie »). [7]
Les chevrons
Sur la base d’une charge de couverture totale (neige comprise) de 240 daN/m2, on souhaiterait savoir quel poids devra supporter chaque chevron sur sa portée libre (on appelle cela la bande de chargement), afin d’en déterminer la section.
La surface d’une bande de chargement se calcule ainsi : moitié de l’entraxe précédent + moitié de l’entraxe suivant (dans notre cas, les deux valeurs sont identiques) x portée libre de la pièce entre deux appuis. Soit dans notre cas :
0,2 m + 0,2 m x 1 m = 0,4 m2
Cette bande de chargement devra supporter 0,4 x 240 = 96 daN.
En consultant les abaques, j’opte pour une section de chevron de 5 cm x 6 cm.
Je peux maintenant calculer le poids de mes chevrons. Sur la base d’une masse volumique de 600 daN/m3, chaque chevron pèsera 7,2 daN. Au total, les 16 chevrons pèseront 16 x 7,2 =115,2 daN. Pour ramener ce poids au m2, il suffit de le diviser par la surface du toit (6 x 4 = 24 m2). Ce qui donne 155,2 / 24 = 4,8 daN/m2.
L’ensemble couverture + chevrons transmettra 240 + 4,8 = 244,8 daN/m2 aux pannes.
Les pannes
Même principe : j’additionne la moitié des entraxes latéraux, que je multiplie par la portée libre entre deux appuis. Je souhaite faire reposer mes pannes sur 6 points d’appui, soit 6 arbalétriers pour 6 mètres, espacés de 1,2 mètres.
Ce qui me donne une bande de chargement de 1 x 1,2 = 1,2 m2, qui devra supporter 1,2 x 244,8 = 293,76 daN.
En regardant les abaques, je choisis une section de 7 cm x 10 cm.
Je peux maintenant calculer le poids des pannes. Sur la base d’une masse volumique de 600 daN/m3, chaque panne pèsera 25,2 daN. Au total, les 5 pannes pèseront 126 daN. Soit environ 126 / 24 = 5,25 daN /m2.
L’ensemble couverture + chevrons + pannes transmettra 244,8 + 5,25 = 250,05 daN/m2 aux arbalétriers.
Les arbalétriers
La bande de chargement des arbalétriers, qui est 1,2 x 4 = 4,8 m2, devra supporter 4,8 x 250,05 = 1200,24 daN.
En regardant les abaques, je choisis une section de 10 cm x 25 cm.
Je peux maintenant calculer le poids des arbalétriers. Sur la base d’une masse volumique de 600 daN/m3, chaque arbalétrier pèsera 60 daN. Au total, les 5 arbalétriers pèseront 360 daN, soit 360/24 = 15 daN/m2.
| Type de donnée / Pièce | Chevrons | Pannes | Arbalétriers |
| Nombre de pièces | 16 | 5 | 6 |
| Longueur de pièce | 4,00 m | 6,00 m | 4,00 m |
| Portée libre entre appuis | 1,00 m | 1,20 m | 4,00 m |
| Entraxe | 0,40 m | 1,00 m | 1,20 m |
| Surface / bande de chargement | 0,40 m2 | 1,20 m2 | 4,80 m2 |
| Descente de charge au m2 | 240 daN/m2 | 245 daN/m2 | 250 daN/m2 |
| Poids / bande de chargement | 96 daN/m2 | 294 daN/m2 | 1 200 daN/m2 |
| Largeur de la section choisie | 0,05 m | 0,07 m | 0,10 m |
| Hauteur de la section choisie | 0,06 m | 0,10 m | 0,25 m |
| Volume par pièce | 0,012 m3/P | 0,042 m3/P | 0,100 m3/P |
| Volume total | 0,192 m3 | 0,210 m3 | 0,600 m3 |
| Essence choisie | Douglas | Douglas | Douglas |
| Masse volumique de référence | 600 daN/m3 | 600 daN/m3 | 600 daN/m3 |
| Poids / pièce | 7,20 daN/P | 25,20 daN/P | 60,00 daN/P |
| Poids total | 115,20 daN | 126,00 daN | 360,00 daN |
| Surface du toit en m2 | 24 m2 | 24 m2 | 24 m2 |
| Poids/m2 | 4,80 daN/m2 | 5,25 daN/m2 | 15,00 daN/m2 |
| Poids cumulé/m2 | 245 daN/m2 | 250 daN/m2 | 265 daN/m2 |
| Partie concernée | Poids total daN | Poids en daN/m2 |
|---|---|---|
| Couverture | 5760 daN | 240 daN/m2 |
| Charpente | 600 daN | 25 daN/m2 |
| TOTAL | 6370 daN | 265 daN/m2 |
Rappel : 1 daN = 1kg.
Ce tableau récapitulatif permettra... de réaliser des appuis et fondations en conséquence !
A votre toit végétal rudimentaire !
En espérant que cet article saura aider des auto-constructeurs à se lancer dans l’aventure, ou susciter des vocations ! Cependant, il s’agit juste de conseils pratiques... en aucun cas un travail de bureau d’étude. Alors, au moindre doute, n’hésitez pas à faire appel à un professionnel...
