Cette annexe n’est présentée qu’à des fins explicatives et ne fait pas partie des exigences du CNB.
Introduction
Il est essentiel de tenir compte de la grande diversité des climats dans le calcul des bâtiments d’une région à l’autre du Canada, car elle influence grandement leur performance. La présente annexe explique brièvement le mode de calcul des valeurs climatiques qui sont présentées et en dresse la liste pour un certain nombre de villes et d’agglomérations plus petites. C’est grâce à ces données que l’on peut tenir compte des particularités climatiques des diverses localités du Canada, et ainsi appliquer le CNB à l’échelle nationale. Les données climatiques de calcul qui figurent dans la présente annexe proviennent du Service de l’environnement atmosphérique d’Environnement Canada. Elles ont été recueillies et analysées pour la CCCBPI par Environnement Canada et sont présentées à la fin de la présente annexe dans le tableau C-2, Valeurs de calcul pour certaines localités canadiennes (ci-après appelé « le tableau »).
Comme il est évidemment impossible de publier la liste des valeurs de calcul pour toutes les municipalités canadiennes, les valeurs de calcul applicables aux localités non citées sont disponibles auprès du Service de l’environnement atmosphérique, Environnement Canada, 4905, rue Dufferin, Downsview (Ontario) M3H 5T4, (416) 739 4365. Ces valeurs peuvent toutefois différer des exigences des autorités provinciales, territoriales ou municipales régissant le secteur de la construction. Les données en mode spectral sur les risques sismiques ont été fournies par la Commission géologique du Canada de Ressources naturelles Canada. On peut obtenir les données sismiques concernant les municipalités non citées en consultant le site Web de Ressources naturelles Canada à l’adresse www.TremblementsdeTerre.ca ou en écrivant à la Commission géologique du Canada, 7, place de l’Observatoire, Ottawa (Ontario) KlA 0Y3, ou C.P. 6000, Sidney (Colombie-Britannique) V8L 4B2.
Généralités
Les éléments climatiques contenus dans la présente annexe ont été choisis et formulés de manière à fournir avant tout les valeurs de référence indispensables aux calculs et exigées dans plusieurs sections du CNB. Ces éléments comprennent les charges dues à la neige au sol, les effets dus au vent, les températures de calcul, les degrés-jours de chauffage, les précipitations de 1 jour et de 15 min, les précipitations totales annuelles et les données sur les zones sismiques. Les remarques qui suivent expliquent brièvement le rôle de ces divers éléments dans le calcul des bâtiments et indiquent les données de base utilisées ainsi que les transformations effectuées afin d’obtenir les valeurs de calcul.
Plusieurs raisons justifient le choix des 600 localités figurant dans le tableau C-2. De nombreuses corporations municipales ont été indiquées, à moins d’être situées à proximité de centres plus importants. Cependant, dans les régions faiblement peuplées, des localités de moindre importance ont été incluses. D’autres localités ont été ajoutées à la liste quand la demande de valeurs climatiques de calcul y était forte. Les localités citées renvoient à la latitude et à la longitude précisées dans le Répertoire géographique du Canada que l’on peut se procurer par commande postale auprès des Éditions et Services de dépôt, Travaux publics et Services gouvernementaux, Ottawa (Ontario) K1A 0S5. Les élévations, présentées en mètres, désignent la hauteur verticale entre la localité et le niveau moyen de la mer.
La presque totalité des observations climatologiques ayant servi à l’élaboration du tableau proviennent, il va sans dire, d’endroits habités. Pour estimer les valeurs de calcul de localités arbitraires sur lesquelles aucune information n’était disponible, les valeurs observées ou calculées pour les stations météorologiques ont été reportées sur des cartes et ont servi à interpoler les valeurs manquantes. Lorsque c’était possible, on a tenu compte des effets de l’élévation et des variations topographiques; on sait, par exemple, que l’air froid a tendance à s’accumuler dans les dépressions, que les précipitations augmentent avec l’altitude et que les vents sont généralement plus violents à proximité de grands plans d’eau. L’élévation a été rajoutée au tableau parce qu’elle peut avoir une influence marquée sur les valeurs de calcul. Comme l’interpolation à partir des valeurs du tableau ne produit pas toujours des résultats valables en raison de particularités locales ou autres, Environnement Canada établit, sur demande, des valeurs pour les localités non citées dans le tableau. Ces particularités locales revêtent une importance toute spéciale dans les régions montagneuses où les valeurs ont été établies pour les vallées habitées et non pour les versants des montagnes ni pour les cols élevés où, dans certains cas, les conditions climatiques sont fort différentes.
Climats changeants et variables
Le climat n’est pas statique, il change constamment. Quel que soit l’endroit, le temps et les conditions climatiques varient d’une saison à l’autre, d’une année à l’autre et même au cours de cycles plus longs et ce, depuis la nuit des temps. En fait, il existe de plus en plus d’indications que le climat canadien change et continuera à changer de façon significative à l’avenir. Dans l’estimation des charges de calcul climatiques, il est possible de tenir compte de cette variation à l’aide d’analyses statistiques appropriées, de rapports de données climatiques recueillies sur des périodes suffisamment longues et d’un certain flair en matière de météorologie. L’analyse suppose habituellement que le climat passé reflète le climat à venir.
Cependant, les modifications passées et actuelles de la chimie atmosphérique (de l’effet de serre causé par les émissions de gaz aux changements d’usage des terres) devraient altérer la plupart des régimes climatiques à l’avenir, même si les plans d’atténuation des gaz à effet de serre les plus ambitieux se révèlent fructueux(10). Certaines régions pourraient voir une augmentation de la fréquence et de l’intensité de nombreuses conditions extrêmes, ce qui accélérerait les processus de météorisation. Le résultat est que de nombreux bâtiments devront être conçus, entretenus et exploités de façon à résister adéquatement à l’évolution constante des charges climatiques.
Tout comme les tendances climatiques observées au niveau mondial, la dernière décennie au Canada s’est révélée être la plus chaude depuis que les températures sont mesurées. Le Canada s’est réchauffé, en moyenne, presque deux fois plus que l’augmentation mondiale moyenne, tandis que l’Arctique occidental se réchauffe à un rythme sans précédent au cours des dernières 400 années(10). Les données probantes croissantes en provenance des collectivités arctiques indiquent que les changements climatiques rapides dans le Nord entraînent une fonte du pergélisol et que presque tous les types de structures subissent les répercussions d’autres changements climatiques. De plus, l’analyse des données canadiennes sur les précipitations démontre que de nombreuses régions du pays ont aussi tendance, en moyenne, à connaître des conditions plus humides(10). Aux États-Unis, où la densité des stations de surveillance du climat est plus élevée, un certain nombre d’études ont conclu à une tendance à la hausse non ambigüe dans la fréquence des précipitations abondantes à extrêmes, ces augmentations coïncidant avec une tendance à la hausse générale des précipitations totales. Les résultats des modèles de changement climatique fondés sur un ensemble de modèles climatiques mondiaux laissent entrevoir que les vitesses futures de réchauffement climatique seront plus élevées dans les pays nordiques, comme le Canada(11).
Températures de calcul de janvier
Un bâtiment et son installation de chauffage doivent normalement être calculés pour maintenir la température intérieure à un niveau préétabli, d’où la nécessité de connaître les conditions climatiques les plus défavorables dans lesquelles l’installation doit continuer de fonctionner de manière satisfaisante. Une baisse de température sous le niveau préétabli n’engendre généralement aucun inconvénient grave, à condition qu’elle demeure faible et de courte durée. À des fins de calcul, il suffit donc d’adopter, plutôt que les valeurs climatiques de calcul les plus défavorables pour une période de plusieurs années, des valeurs moins extrêmes et susceptibles d’être quelque peu dépassées à l’occasion. Les températures de calcul de janvier découlent d’une analyse des températures de l’air observées en janvier seulement. Le vent et le rayonnement solaire influent également sur la température intérieure de la plupart des bâtiments et il se peut qu’ils doivent être pris en compte aux fins des calculs d’efficacité énergétique.
La température de calcul de janvier correspond à une valeur extrême égalée ou dépassée par un pourcentage très réduit des températures horaires de janvier. Dans le passé, 158 stations compilant des données pour toute la période de 1951 à 1966 ou pour certaines de ces années seulement servaient de base au calcul des températures de janvier à 2,5 et 1 %. En cas de besoin, les données étaient rajustées à des fins d’uniformisation. Comme, dans la plupart des cas, les observations étaient faites à des aéroports, les températures réelles pour le centre des grandes villes pouvaient être plus tempérées de 1 ou 2 °C, mais celles des zones périphériques devaient être sensiblement les mêmes qu’aux aéroports. Ainsi, aucune correction n’était apportée pour tenir compte de la hausse des températures au coeur des centres urbains. Les températures de calcul des 20 ou 30 prochaines années s’éloigneront probablement des valeurs calculées en raison de la variation du climat au cours des ans et d’un changement climatique global dû à l’impact des activités humaines sur la chimie atmosphérique.
Les températures de calcul ont été examinées et mises à jour à partir des observations horaires de 480 stations sur une période de 25 ans allant jusqu’en 2006 incluant au moins huit ans de données complètes. Ces données sont en accord avec les données pour les localités canadiennes du 2009 Handbook of Fundamentals(12) publié par l’American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). On a utilisé les données sur la plus récente période de 25 ans pour assurer un équilibre entre la prise en compte des tendances climatiques et la variation dans l’échantillonnage résultant de la variation d’une année à une autre. Les valeurs à 1 % et à 2,5 % utilisées pour les conditions de calcul représentent des percentiles de la distribution des fréquences cumulatives des températures horaires, et correspondent à des températures moyennes à long terme plus froides pour 8 et 19 heures, respectivement, en janvier.
La température de calcul de janvier à 2,5 % est la valeur ordinairement prise en compte dans le calcul des installations de chauffage. Dans les cas spéciaux où la régulation de la température intérieure est très importante, on utilisera la valeur à 1 %. D’autres paramètres de calcul climatique fondés sur la température pourront être pris en compte pour les éditions ultérieures du CNB.
Températures de calcul de juillet
Un bâtiment et son installation de refroidissement et de déshumidification doivent normalement être calculés pour maintenir la température et l’humidité intérieures à des niveaux préétablis, d’où la nécessité de connaître les conditions climatiques les plus défavorables dans lesquelles ces installations doivent continuer de fonctionner de manière satisfaisante. Le dépassement de ces niveaux n’entraîne généralement pas d’inconvénient grave, à condition qu’il soit peu important et de courte durée. Il suffit donc d’adopter, plutôt que les valeurs climatiques les plus défavorables pour une période de plusieurs années, des valeurs moins extrêmes et susceptibles d’être quelque peu dépassées occasionnellement.
Les températures de calcul estivales de la présente annexe découlent d’une analyse des températures et de l’humidité observées en juillet seulement. Le vent et le rayonnement solaire influent également sur la température intérieure de la plupart des bâtiments et peuvent même, dans certains cas, être plus importants que l’effet de la température de l’air extérieur. Des renseignements plus complets sur les températures de calcul estivales et hivernales sont disponibles auprès d’Environnement Canada.
Les températures de calcul de juillet mesurées au thermomètre sec et au thermomètre humide ont été examinées et mises à jour à partir des températures horaires observées à 480 stations sur une période de 25 ans se terminant en 2006. Ces données sont en accord avec les données pour les localités canadiennes du 2009 Handbook of Fundamentals(12) publié par l’ASHRAE. Comme pour les températures de calcul de janvier, les données sur la plus récente période de 25 ans ont été analysées pour tenir compte de toute variation ou tout changement climatique récent. Les valeurs à 2,5 % utilisées pour les conditions de calcul mesurées au thermomètre sec et au thermomètre humide représentent des percentiles de la distribution des fréquences cumulatives des températures horaires mesurées au thermomètre sec et au thermomètre humide, et correspondent à des températures moyennes à long terme plus élevées, pour 19 heures, en juillet.
Degrés-jours de chauffage
On sait depuis longtemps que la quantité de combustible ou d’énergie nécessaire pour maintenir l’intérieur d’un petit bâtiment à 21 °C lorsque la température extérieure est inférieure à 18 °C est plus ou moins proportionnelle à l’écart entre 18 °C et la température extérieure. La vélocité du vent, le rayonnement solaire, l’exposition du bâtiment à ces éléments et les sources internes de chaleur influent également sur la quantité de chaleur à fournir et il peut être nécessaire d’en tenir compte aux fins des calculs d’efficacité énergétique. Toutefois, on peut dire que, dans des conditions moyennes de vent, de rayonnement, d’exposition et de sources internes de chaleur, la règle de la proportionnalité demeure valable.
La quantité de chaleur à fournir étant également proportionnelle à la durée du froid, il suffit, pour combiner les facteurs temps et température, d’additionner tous les écarts entre 18 °C et les températures moyennes de chaque jour de l’année dont la température moyenne est inférieure à 18 °C. La quantité de chaleur à fournir est supposée nulle pour les températures extérieures de 18 °C ou plus. Bien que des simulations plus sophistiquées, générées par ordinateur et utilisant d’autres formes de données climatiques, aient maintenant pratiquement remplacé les méthodes de calcul fondées sur les degrés-jours pour l’estimation de la consommation annuelle d’énergie de chauffage, les degrés-jours demeurent un indicateur utile de la rudesse relative du climat et constituent le fondement de certaines exigences du CNB en matière de climat.
Les degrés-jours inférieurs à 18 °C ont été compilés pour 1300 stations pour la période de 25 ans se terminant en 2006. Cette période d’analyse est en accord avec celle utilisée pour établir les températures de calcul décrites ci-dessus et avec l’approche utilisée par l’ASHRAE(12). Un écart de température annuel moyen de seulement 1 °C entraîne une différence de 250 à 350 degrés-jours. Comme il est fort probable que la température moyenne annuelle varie d’un demi-degré dans deux stations différentes situées dans une même ville, les degrés-jours de chauffage ne sont précis qu’à environ 100 degrés-jours près. Les degrés-jours de chauffage calculés pour le noyau des plus grandes villes peuvent être inférieurs de 200 et 400 à ceux des zones périphériques. Les degrés-jours observés, qui ont été calculés à partir des températures quotidiennes, sont souvent plus représentatifs des régions rurales ou des zones périphériques des grandes villes.
Données climatiques pour le calcul de la consommation d’énergie
Les éléments climatiques contenus dans la présente annexe illustrent les valeurs de calcul utilisées couramment, mais n’incluent pas des profils climatiques détaillés, tels que des données climatiques horaires. Si de telles données sont requises pour simuler la consommation d’énergie annuelle d’un bâtiment, on peut les obtenir auprès de multiples sources, comme Environnement Canada, Ressources naturelles Canada, des sociétés d’aménagement régionales et d’autres organismes publics qui enregistrent ces données. Des organismes publics et privés diffusent également des données climatiques horaires sous un format utilisable avec des logiciels de simulation de consommation d’énergie annuelle, les données étant dans certains cas incorporées aux logiciels.
Charges dues à la neige
Le toit d’un bâtiment doit pouvoir supporter la plus grande charge due à la neige susceptible de se produire au cours d’une période s’échelonnant sur de nombreuses années. On a effectué des observations des charges dues à la neige sur les toits, mais en nombre insuffisant pour avoir une base d’évaluation pour tout le Canada. En outre, les observations du poids ou de l’équivalent en eau de la neige au sol n’étaient pas disponibles sous forme numérique dans le passé. Il est très utile de prendre en compte les observations des charges sur les toits et des équivalents en eau de la façon indiquée ci-après, mais il faut s’appuyer avant tout sur l’épaisseur de neige au sol pour obtenir des charges dues à la neige plus cohérentes.
L’estimation de la charge due à la neige sur un toit d’après les observations de l’épaisseur de neige s’effectue comme suit :
1) On calcule l’épaisseur de neige au sol susceptible d’être égalée ou dépassée en moyenne 1 fois en 50 ans.
2) On choisit le poids volumique approprié et on l’utilise pour convertir l’épaisseur de neige en charge, Ss
3) On calcule la charge due à la pluie qui tombe sur la neige, Sr.
4) L’accumulation de neige sur un toit étant souvent différente de l’accumulation de neige au sol, certaines corrections doivent être apportées, le cas échéant, pour donner la charge de calcul due à la neige sur le toit.
On a rassemblé les valeurs d’épaisseurs de neige annuelles maximales des 1618 stations pour lesquelles le Service de l’environnement atmosphérique a des données. La période pendant laquelle ces données ont été enregistrées varie de 7 à 38 ans, selon les stations. Ces données ont été analysées à l’aide d’une distribution des valeurs extrêmes de Gumbel rajustée grâce à la méthode des moments(1) décrite par Newark et al.(2) Les valeurs obtenues représentent les épaisseurs de neige qui risquent d’être dépassées 1 fois en 50 ans. Le poids volumique de la neige tombée de longue date varie de 2 à 5 kN/m3. Au Canada, on suppose généralement que la neige fraîchement tombée a un poids volumique de l kN/m3 en moyenne. Les poids volumiques moyens de la couche de neige saisonnière ont été obtenus pour différentes régions du pays(3) et une valeur appropriée a été attribuée à chaque station. La valeur moyenne est de 2,01 kN/m3 à l’est de la ligne continentale de partage des eaux (mais 2,94 kN/m3 au nord de la limite des arbres) et elle varie de 2,55 à 4,21 kN/m3 à l’ouest. Le produit de l’épaisseur de neige avec possibilité de dépassement de 1 pour 50 et du poids volumique moyen de la couche saisonnière de neige d’une station donnée est converti en charge due à la neige (SL) exprimée en kilopascals (kPa).
Sauf pour ce qui est des régions montagneuses de l’ouest du Canada, les valeurs de la charge de neige au sol des stations du Service de l’environnement atmosphérique ont été normalisées en posant comme hypothèse que la charge augmentait proportionnellement avec l’altitude au-dessus du niveau de la mer pour tenir compte de la topographie. Elles ont ensuite été lissées en utilisant une moyenne mobile pondérée des surfaces de déplacement pour réduire au minimum l’incertitude due aux erreurs d’échantillonnage de l’épaisseur de neige et aux variations locales. L’interpolation à partir des cartes analysées des valeurs normalisées lissées a donné une valeur pour chaque localité du tableau que l’on a pu alors convertir en valeur énoncée dans le CNB (Ss) par l’équation :
Ss = SL normalisée lissée + bZ
où b est le taux de variation de SL en fonction de l’altitude de l’endroit, et Z est l’altitude par rapport au niveau de la mer. Il faut signaler que les valeurs de Ss ont généralement une incertitude d’environ 20 %, bien qu’elles soient données au dixième de kilopascal près dans le tableau des données de calcul. Les régions du nord du pays pour lesquelles les données sont rares constituent une exception. Pour ces régions, on a procédé à une analyse des valeurs SL de base. Les influences de la topographie, des variations climatiques et du lissage ont été évaluées de façon subjective et les valeurs ainsi obtenues ont été utilisées pour modifier celles qui avaient été calculées de façon objective.
Pour les régions montagneuses de la Colombie-Britannique et du Yukon et les contreforts de l’Alberta, une marche à suivre plus complexe s’est révélée nécessaire pour tenir compte de la variation des charges avec le type de terrain et l’altitude. Comme le réseau d’observation du Service de l’environnement atmosphérique manque souvent de données pour détailler les variations en régions montagneuses, des données supplémentaires ont été obtenues des gouvernements provinciaux et territorial de la Colombie-Britannique, de l’Alberta et du Yukon. Ces données supplémentaires ont permis une analyse locale détaillée des charges de neige au sol d’une vallée à l’autre. Comme c’est le cas pour d’autres études, les données indiquaient que les charges de neige au-dessus d’un point critique ou d’un point de référence augmentaient suivant un rapport soit linéaire soit quadratique avec l’altitude.
On s’est rendu compte que le type de rapport avec l’altitude, le taux de croissance et l’altitude critique ou de référence étaient fonction de la vallée ou de la chaîne de montagnes étudiée. Dans les vallées situées à une altitude inférieure à l’altitude critique, les charges variaient généralement moins avec l’altitude. On a ensuite utilisé des rapports de régression spécifique pour les vallées et les chaînes de montagne pour décrire la hausse des charges avec l’altitude et pour normaliser les observations du Service de l’environnement atmosphérique à un point critique ou point de référence. Ces valeurs normalisées ont été lissées à l’aide d’une moyenne mobile pondérée. Les valeurs des tableaux ne sauraient refléter toutes les variations locales de Ss. Pour cette raison, surtout dans le cas de régions où la topographie est complexe, on ne peut interpoler pour des endroits qui n’apparaissent pas au tableau. Les valeurs de Ss indiquées au tableau visent l’altitude, la latitude et la longitude de la localité telles qu’elles sont définies dans le Répertoire géographique du Canada. On peut obtenir les valeurs pour d’autres endroits en communiquant avec Environnement Canada.
Les charges les plus fortes se produisent fréquemment lorsque la neige est mouillée par la pluie. La charge de pluie, Sr, a donc été évaluée à 0,1 kPa près et figure au tableau. Les valeurs de Sr ajoutées à Ss donnent une évaluation de la charge de neige au sol et de la charge de pluie combinées, avec possibilité de dépassement de 1 fois en 50 ans. Les valeurs de Sr s’appuient sur une analyse d’environ 2100 valeurs de stations climatiques correspondant à la quantité maximale de pluie pour un jour avec possibilité de dépassement de 1 fois en 50 ans. La période de récurrence est appropriée parce que les quantités de pluie correspondent approximativement à la pluie de 1 jour tombant sur la couche de neige maximale. Pour l’estimation de la pluie cumulée à la couche de neige, les quantités quotidiennes de pluie de 1 jour observées ont été limitées à des valeurs inférieures ou égales à l’équivalent en eau de la couche de neige estimé à l’aide d’un modèle d’accumulation de la neige décrite par Bruce et Clark(4).
Les résultats des études des charges dues à la neige sur les toits révèlent que ces charges sont généralement inférieures aux charges de neige au sol. Les conditions dans lesquelles la charge de calcul due à la neige peut être considérée comme inférieure à la charge de neige au sol sont données à la sous-section 4.1.6. Le CNB permet aussi une réduction de la charge de calcul pour les toits à forte pente, mais exige des augmentations importantes pour les toits où l’accumulation de neige peut être plus rapide à cause de facteurs comme le balayage par le vent. Les ajustements recommandés sont donnés dans le document intitulé Guide de l’utilisateur – CNB 2010, Commentaires sur le calcul des structures (Partie 4 de la division B).
…suite dans le CNB.
Une section de l’Annexe C du code de construction du québec Chapitre 1 – Partie 9 2010 (modifié) Code du bâtiment « Reproduit avec la permission du Conseil national de recherches du Canada, titulaire du droit d’auteur. »
