Les systèmes de revêtement de toiture et de murs de bâtiments modernes posent des défis majeurs de conception, d’innovation architecturale et d’esthétisme.
Au-delà de leur attrait esthétique, ces revêtements se doivent d’assurer des performances de durabilité, de protection contre les aléas environnementaux, climatiques, ainsi que de résistances structurales pendant toutes leurs durées de vie utile.
L’intégrité du revêtement et la réalisation des performances citées sont pourtant conditionnées par le choix de petits éléments de construction, bien souvent relayés à une fonction accessoire, et à un simple rôle de quincaillerie.
Il s’agit des vis de fixation à métal utilisées pour la fixation du bardage sur des parois métalliques.
Les spécifications de ces vis doivent être déterminées lors de l’élaboration du devis d’architecture, aux premiers stades de la conception du système de revêtement. Ces éléments de fixation revêtent une importance cruciale, il va sans dire…
Le présent guide est un aide-mémoire utile à l’architecte, le spécificateur, le concepteur, l’estimateur, ainsi que l’installateur et qui rappelle quatre spécifications ou fonctions essentielles à valider lors du choix des vis commercialement disponibles. Ces 4 fonctions sont :
- La durabilité
- L’étanchéité aux intempéries
- L’esthétique
- Les performances structurales
I. La durabilité
1.1 – Matériel de fixation
Les vis de fixation pour les systèmes de toiture et de bardage sont disponibles sur le marché dans trois gammes principales de matériaux,
Les Vis Faites en Acier au carbone (avec couche protectrice anticorrosion)
Comme l’acier au carbone se corrode rapidement en cas d’exposition à l’humidité, les fixations dans ce matériau sont fournies avec une certaine forme de revêtement protecteur, généralement métallique ou organique, ou une combinaison des deux.
Les Vis en Acier inoxydable
Pour une durabilité accrue, les fixations sont également fournies en acier « inoxydable » de différentes nuances. Les mérites relatifs des différentes nuances sont abordés plus loin dans cet article.
Les Vis en Aluminium
L’aluminium offre une durabilité accrue par rapport à l’acier au carbone revêtu, cependant, en raison de sa fragilité structurale, il ne peut pas percer ou fileter des tôles ou des supports en acier, et est donc limité à la fixation de tôles d’aluminium sur des supports en bois et à certaines applications limitées de l’aluminium sur l’aluminium.
1.2 – La corrosion des fixations – Un défi pour la durabilité
La corrosion des fixations de toiture et de bardage entraînera un certain nombre de problèmes et, si elle se poursuit, entraînera une défaillance définitive du système.
Corrosion de la tête et de la rondelle et ses conséquences
– Taches et ternissement du revêtement
– Réduction des performances de traction
– Infiltrations potentielles d’air et d’eau à travers le bardage
– Maintenance accrue
– Atteinte à l’Esthétique
Corrosion de la tige de la vis et ses conséquences
– Réduction des performances en traction
– Réduction des performances en cisaillement
– Réduction de la résistance à l’arrachement
– Tâches sur les surfaces intérieures du revêtement
– Réduction de la fiabilité et de la sécurité
Conséquences d’une Corrosion cachée
La corrosion des têtes de vis exposées sur la face extérieure du bâtiment et la corrosion de la tige filetée visible à l’intérieur du bâtiment sont généralement toutes deux facilement identifiables. On peut donc intervenir pour apporter des corrections dès leurs observations. La corrosion de la vis de fixation à l’intérieur de l’assemblage, constitue par contre un risque de sécurité majeur. Ce type de corrosion se manifeste sur la partie non visible de l’assemblage et ne se constate qu’en cas de défaillance ultime des vis fixation. Les conséquences possibles sont la désolidarisation partielle et potentiellement totale des éléments assemblés. En d’autre mot, une défaillance structurale…
1.3 – Les différents types de corrosion
Il existe de nombreux types de corrosion, mais les types les plus pertinents pour les fixations en acier au carbone (revêtu) sont :
– La corrosion uniforme généralisée
– Corrosion galvanique (type hydrogène)
– La corrosion biochimique
– La corrosion par les cellules d’aération
- 1.3.1 Corrosion Uniforme | Généralisée ( de type oxygène)
Les aciers simples et faiblement alliés contenant moins de 13 % de chrome se corrodent dans des solutions d’eau neutre et dans les atmosphères humides, ce qui entraîne une perte de surface presque uniforme. La présence de film d’eau permet aux réactions électrolytiques de se développer à la surface de l’acier, ce qui conduit à une corrosion progressive. Le taux de corrosion augmente rapidement en présence d’autres polluants et de niveaux d’humidité élevés. La corrosion uniforme est un type de corrosion qui se produit uniformément sur toute la surface d’un métal. Elle entraîne une perte uniforme de l’épaisseur du matériau et peut entraîner une diminution de la résistance mécanique au fil du temps.
Le processus de corrosion de l’acier se déroule par étapes. Au départ, la corrosion commence dans des zones anodiques à la surface où des ions ferreux passent en solution. Des électrons sont libérés au niveau de la surface anodique et se déplacent à travers la structure métallique jusqu’aux sites cathodiques adjacents, où ils se combinent avec l’oxygène et l’eau pour former des ions hydroxydes. Ceux-ci réagissent avec les ions ferreux provenant du site anodique pour produire de l’hydroxyde ferreux, lequel s’oxyde ensuite davantage avec l’air pour former de l’oxyde ferrique hydraté (rouille). Le processus chimique peut être représenté par l’équation suivante :
Fe + 3O2 + 2H2O = 2FE2O3H2O
(Acier) + (Oxygène) + (Eau) = Rouille (oxyde ferrique hydraté)
Quelles sont les causes de la corrosion uniforme ?
De nombreux facteurs contribuent à la corrosion uniforme des matériaux. Voici quelques causes possibles de la corrosion uniforme :
- L’exposition à l’oxygène et à l’humidité, entraînant la formation de rouille sur les surfaces en fer et en acier.
- L’exposition à des environnements acides ou basiques qui peuvent corroder le métal de manière uniforme.
- L’exposition à l’eau salée ou à des environnements salés, comme près de l’océan, qui peuvent entraîner une corrosion uniforme.
- Les températures élevées, qui peuvent accélérer le processus de corrosion.
- L’humidité élevée, qui peut créer un environnement plus corrosif.
- L’exposition à des produits chimiques, tels que le soufre, le chlore ou d’autres substances corrosives, qui peuvent provoquer une corrosion uniforme.
- Des pratiques d’entretien médiocres ou un manque de revêtements protecteurs peuvent laisser le métal exposé aux éléments et susceptible de se corroder.
- Des procédures de nettoyage ou de lavage inappropriées peuvent laisser des contaminants résiduels sur la surface métallique, susceptibles de provoquer de la corrosion au fil du temps.
- Une ventilation inadéquate dans les espaces clos, entraînant une augmentation de l’humidité et de la corrosion.
- Des pratiques de conception ou de construction médiocres, telles que des systèmes de drainage inadéquats ou une protection insuffisante contre l’humidité, peuvent contribuer à une corrosion uniforme.
- 1.3.2 Corrosion galvanique (type hydrogène)
Lorsque deux métaux différents de surface égale sont en contact en présence d’un électrolyte (humidité), un courant électrique se forme et le métal le moins noble migre et se dissout dans la solution. La corrosion galvanique est également utilisée pour la prévention de la corrosion lorsqu’un métal moins noble (anode), c’est-à-dire le zinc, est utilisé pour protéger la cathode, l’acier au carbone. Cependant, lorsque le revêtement est endommagé, son effet protecteur diminue.
Notez que les couches anticorrosion des fixations en acier au carbone sont inévitablement endommagés durant le vissage lors de l’assemblage.
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- 1.3.3 Corrosion biochimique
Lorsque les métaux se corrodent après leur dissolution dans des solutions acides ou des solutions caustiques de teneurs différentes, on parle alors de corrosion chimique. Ce type de corrosion se développe parce que les métaux ont tendance à se combiner à l’oxygène pour former des oxydes. Cette tendance est d’autant plus forte que le métal est moins noble. Les agents chimiques qui attaquent les vis de fixations proviennent souvent de l’atmosphère. Par exemple, l’acide sulfurique, issu des émissions de dioxyde de soufre provenant de la combustion de combustibles fossiles, est présent dans les environnements urbains et industriels ; les oxydes nitriques, le chlore, le chlorure d’hydrogène, l’acide formique, l’acide acétique, etc., se trouvent à proximité des installations industrielles correspondantes ; le chlorure et le chlorure de sodium en particulier sont des polluants atmosphériques courants dans les régions côtières. Ci-contre, une photo montrant une penture de porte industrielle en zinc moulé et au fini extérieur en chrome brossé, sujette à de la corrosion par piqure, suite à des lavages fréquents à jets d’eaux contenant des produits de nettoyage, dégraissants et décapants à forte alcalinité. Les surfaces corrodées ont réagi fortement aux agents chimiques contenus dans les solutions de nettoyage à cause de leur incompatibilité avec la forte alcalinité des produits dégraissants (ph supérieur à 12) et le zinc. La corrosion observée s’explique par une dissolution du zinc, par piqûre due à la réaction décapante par saponification des agents alcalins. La forte humidité présente dans l’usine et plus particulièrement la zone de lavage a servi d’électrolyte ayant accéléré le processus de dégradation des surfaces.
- 1.3.4 Corrosion par les cellules d’aération
Une carence en oxygène peut se développer dans les isolants thermiques humides, dans les chevauchements de tôles et plaques d’acier où l’humidité est emprisonnée et dans toute autre situation où l’humidité est emprisonnée et les polluants peuvent s’accumuler.
La zone d’apport restreint en oxygène devient l’anode et la corrosion se produira, même dans les zones non polluées à pH élevé.
Une valeur de pH plus faible, c’est-à-dire là où d’autres polluants sont présents, augmentera le taux de corrosion.
La conception joue un rôle crucial dans la prévention de toute forme de corrosion. Les endroits qui ne s’assèchent pas adéquatement formeront des pièges à liquide; les points de contact de métal sur métal (ou métal sur non-métal) comme les fixations d’organes mécaniques (vis, boulons, écrous) munies de séparateurs ou de rondelles, favorisent la formation de corrosion caverneuse et galvanique. Les endroits mal entretenus (mal nettoyés) sont également vulnérables à la corrosion localisée en raison des dépôts de saletés accumulés et qui créent une différence de concentration en oxygène au voisinage de la surface en question (aération différentielle). La corrosion apparaîtra sous forme de mini-crevasses. Tous les exemples précités sont imputables au manque d’oxygène. Les métaux tels que l’aluminium, l’acier inoxydable, le zinc, etc., ont besoin d’oxygène pour former leur couche protectrice anti-corrosive (oxydes, hydroxydes, carbonate, etc.). Ces métaux sont donc plus vulnérables à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuses.
1.4 – Limites de l’acier au carbone revêtu & types d’aciers inoxydables
Afin de pallier à la problématique de corrosion, certains manufacturiers de vis autoperçeuses recouvrent leurs vis d’une couche protectrice propriétaire. Cette couche s’auto-sacrifierait en cas de pénétration ou endommagement du substrat. Ces revêtements protecteurs confèreraient aux vis et attaches, une excellente protection à la corrosion, mais aussi à la plupart des formes d’abrasion et de couple de torsion, lors du vissage. Une couche protectrice de haut standard doit avoir atteint au moins 1000 heures de résistance à l’essai de corrosion accélérée ASTM B117. Cet essai consiste à exposer les échantillons de métaux et de revêtements métalliques à un brouillard salin dans une chambre spécialisée.
Les revêtements protecteurs Climaseal de Itw Buildex, SFS VistaCoat Premium de SFS Intec et Evoguard de Evolution Fasteners, sont parmi les plus connus pour offrir ce niveau de protection.
Ci-dessous une vidéo montrant le processus de fabrication des vis itw-Buildex, ainsi que la méthode de recouvrement anti-corrosion.
Les vis en acier au carbone revêtu d’un simple placage au zinc sont quant à elles, à proscrire pour des utilisations extérieures ou pour tout environnement intérieur corrosif. Elles corrodent rapidement en présence d’humidité et de polluants; Le placage au zinc ne fait que ralentir la corrosion et est inévitablement endommagés lors de la pose (perçage/traversée des tôles et pannes). Il en résulte une baisse des performances mécaniques, des risques d’infiltration ainsi que des coûts de remise en état élevés.
Une autre alternative très efficace pour prévenir le risque de corrosion est le recours aux vis et attaches faites dans de l’acier inoxydable.
Trois Familles d’aciers inoxydables sont disponibles:
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- Les aciers inoxydables Ferritiques (ex. 430, ou 409): Ils contiennent une forte proportion de chrome (plus de 10,5%), ce qui leur confère des propriétés anticorrosion en formant une couche d’oxyde de chrome à la surface de l’acier. Bien que résistants à la corrosion, ils ne sont pas totalement immunisés. Des environnements agressifs, notamment avec des chlorures, peuvent altérer leur protection. De plus, ils ne peuvent être durcis et sont très susceptibles d’effritement. Par conséquent, ils ne sont pas recommandés pour des applications de toiture ou de revêtement muraux.
- Les aciers inoxydables Martensitiques (ex. serie 400, 410) : Ont une résistance à la corrosion, modérée car contiennent moins de nickel, et un niveau de carbone plus élevé que la série 300. Sont recommandables seulement pour des environnements peu corrosifs.
- Les aciers inoxydables Austénitiques (série 300, 304/316) : meilleure résistance à la corrosion, non trempables (filets durcis par roulage), conductivité thermique faible; C’est l‘alternative recommandée pour les fixations de toitures et bardages, après les solutions de couches protectrices propriétaires, citées précédemment. Attention toutefois, aux environnements chlorés très agressifs (risque de fissuration sous contrainte).
Conclusion : les austénitiques 304/316 sont éprouvés depuis plus de 40 ans et demeurent la référence.
1.5 Le phénomène de fragilisation par l’hydrogène.
- Diminution de la ductilité : Le métal perd de sa capacité à s’étirer avant de se rompre, devenant plus friable et cassant.
- Accélération de la croissance des fissures : Les fissures existantes peuvent se propager plus rapidement.
- Défaillance des composants : La fragilisation peut entraîner la rupture prématurée de composants sous contrainte, ce qui peut avoir des conséquences graves.
- Contrôle de l’hydrogène : Réduire ou éliminer l’exposition des métaux à l’hydrogène pendant la fabrication et l’utilisation.
- Traitements thermiques : Un traitement thermique contrôlé, appelé défragilisation à l’hydrogène, peut être appliqué pour éliminer l’hydrogène absorbé et restaurer la ténacité du métal.
- Utilisation d’inhibiteurs : L’ajout d’inhibiteurs dans les solutions de décapage peut aider à réduire l’absorption d’hydrogène
1.6 – Critères de sélection pour la durabilité
Les critères à considérer pour assurer une durabilité satisfaisante des vis de fixation:
a – Le choix des matériaux du système
Lors du choix du matériau des fixations pour les systèmes de toitures en pente et de bardage, il convient de tenir compte de la compatibilité de la vis de fixation à la fois avec l’entremise et avec le matériau du parement (tôle/panneau). Les matériaux typiques peuvent inclure :
– Les aciers inoxydables
– Les acier doux revêtus (p. ex. galvanisé)
– L’ aluminium
– Les panneaux de Fibrociment
– Les matériaux Plastiques (PRV/GRP, PVC, polycarbonate)
– Les matériaux en Bois
Dans les systèmes de toitures-terrasses (toitures plates), c’est généralement la compatibilité avec le support (platelage) qui a une influence directe sur le choix des fixations.
Les supports sont généralement :
– Les aciers doux revêtus
– Les structures en aluminium
– Les structures en Bois
– Les structures de Béton
Dans la pratique, on utilise toujours des fixations en acier inoxydable austénitique en combinaison avec des éléments de système en aluminium et en acier inoxydable, c’est-à-dire les tôles, les supports (platelages) et les pannes ou entremises.
Des fixations en acier carbone revêtu peuvent être envisagées lorsqu’elles sont employées avec tous les autres matériaux du système, sous réserve de leur adéquation au regard des considérations suivantes.
b – La durée de vie escomptée du système
Se référer aux tableaux 1 et 2 de la norme britannique BS 7543:1992 — Guide to: Durability of buildings and building elements, products and components.
Tableau 1 — Catégories de durée de vie de conception des bâtiments (BS 7543:1992)
| Catégorie | Intitulé | Durée de vie du bâtiment | Exemples |
|---|---|---|---|
| 1 | Temporaire | Période convenue jusqu’à 10 ans | Baraques de chantier non permanentes et pavillons/expositions temporaires |
| 2 | Courte durée | Période minimale de 10 ans | Salles de classes temporaires; bâtiments pour procédés industriels de courte durée; réaménagements intérieurs de bureaux; bâtiments de vente au détail et entrepôts (voir note 1) |
| 3 | Durée moyenne | Période minimale de 30 ans | La plupart des bâtiments industriels; réfection de logements |
| 4 | Durée normale | Période minimale de 60 ans | Nouveaux bâtiments de santé et d’enseignement; nouveaux logements et réfection de qualité des bâtiments publics |
| 5 | Longue durée | Période minimale de 120 ans | Bâtiments civiques et autres bâtiments de haute qualité |
Notes :
1) Des périodes spécifiques peuvent être fixées pour certains bâtiments dans les catégories 2 à 5, pourvu qu’elles n’excèdent pas la période suggérée pour la catégorie immédiatement inférieure; par exemple, de nombreux bâtiments de vente au détail et entrepôts sont conçus pour une durée de service de 20 ans.
2) Les bâtiments peuvent comprendre des composants remplaçables et entretenables (voir Tableau 2).
Tableau 2 — Catégories de durée de vie pour composants ou assemblages (BS 7543:1992)
| Catégorie | Durée (type) | Description | Exemples typiques |
|---|---|---|---|
| 1 | Remplaçable | Durée plus courte que celle du bâtiment et remplacement envisageable dès l’étape de conception | La plupart des revêtements de plancher et composants des installations techniques |
| 2 | Entretenable | Dure toute la vie du bâtiment moyennant traitements périodiques | La plupart des revêtements extérieurs, portes et fenêtres |
| 3 | À vie | Dure pendant toute la vie du bâtiment | Fondations et éléments structuraux principaux |
En résumé, Les vis de fixations doivent présenter une durée de service au moins égale à celle du système particulier dans lequel elles sont intégrées.
Les fixations en acier au carbone ne devraient être envisagées que pour des bâtiments dont l’exigence de durée de vie de conception correspond aux catégories 1 et 2 du Tableau 1, et, de façon limitée, pour des bâtiments de catégorie 3 lorsque la durée de vie de conception exigée est d’au plus 30 ans. Le tout est assujetti à leur adéquation au regard du type d’environnement dans lequel elles sont installées.
Les fixations en acier inoxydable austénitique devraient s’imposer d’emblée pour les bâtiments des catégories 4 et 5, et être sérieusement envisagées pour ceux de la catégorie 3 lorsque leur durée de vie de conception dépasse les 15 ans.
c – Le type d’environnement externe
Tableau 3 — Guide de sélection du matériau de fixation selon la durée de vie escomptée
Pour les Fixations exposées
Ce tableau donne des indications sur le choix et la durée de service des fixations exposées selon le matériau de tôle/support. Consulter le fabricant des tôles pour le matériau et le système de revêtement les plus appropriés et leur durée fonctionnelle dans l’environnement considéré.
| Matériau de la vis de fixation |
Milieu (interne) |
Milieu (Externe) |
Durée de vie fonctionnelle de vis de fixation Interne|Externe (années) |
Tôle/support en Aluminium | Tôle/support en Acier revêtu |
Tôle/support en Acier inoxydable |
Panneau/support en GRP/PVC & fibrociment |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Acier au carbone revêtu | Sec/Faible humidité | Urbain/Rural | 10/30 | 15/30 | O | ✓ | O | ✓ |
| Sec/Faible humidité | Industriel | 15/25 | 15/25 | O | C | O | C | |
| Sec/Faible humidité | Côtier/Marin | – | O | x | O | x | |
| Humidité élevée | Urbain/Rural | 10/20 | O | C | O | C | |
| Humidité élevée | Industriel | 15 | O | C | O | x | |
| Humidité élevée | Côtier/Marin | – | O | x | O | ✓ | |
| Acier inoxydable austénitique | Toutes conditions | Urbain/Rural | 30+ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| Toutes conditions | Industriel | 30+ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Toutes conditions | Côtier/Marin | 30+ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
Légende : ✓ = Recommandé • O = Inadéquat • C = Consulter le fabricant quant à l’adéquation x = Non recommandé
Notes :
– Note 1 — Ce tableau donne des indications conservatrices pour la sélection et la détermination de l’espérance de vie des vis de fixation exposées dans différents matériaux de panneaux en feuille et leur support.
Consulter le fabricant des panneaux pour le choix du matériau et le revêtement approprié, ainsi que la
durée de vie fonctionnelle requises dans l’environnement concerné.
Ceci conclut la première partie de ce guide et qui portait sur les exigences essentielles de Durabilité des fixations métalliques et plus particulièrement des vis autoperçeuses. La deuxième partie de ce guide, portera sur les exigences essentielles d’Étanchéité de ces vis de fixation.
Références de lecture:
– Guide du concepteur (SFS INTEC)
– Guide technique pour les vis auto-perçeuses (Hilti)
– Fiche technique des vis Teks (Itw Buildex)
– Guide de résistance à la corrosion, Thomas&Betts
– Rapport d’investigation sur les causes de corrosion dans les fixations métalliques (Sphenix Mperia)
– Extrait de la norme britannique BS 7543:1992 — Guide to: Durability of buildings and building elements, products and components.
