Les avantages des toitures et revêtements métalliques

Reconnus comme des composants de construction responsables et durables, les toits métalliques sont utilisés dans diverses applications.

Les performances des panneaux installés dépendent du substrat métallique, de la couche de prétraitement, et du revêtement extérieur. Elles sont essentielles pour la résistance aux intempéries et à la corrosion, la rétention de la couleur et la longévité globale du panneau.

Dotés du système de revêtement approprié, les toits métalliques refroidissants peuvent également aider à réduire l’empreinte carbone, la consommation d’énergie et les besoins de refroidissement et chauffage d’un bâtiment. En plus de bénéficier directement aux propriétaires et occupants du bâtiment, ces toits aident également la communauté environnante à atténuer l’effet d’îlot de chaleur urbain.

Substrats de toiture métalliques

Les toits métalliques peuvent durer plus longtemps que la plupart des produits de toiture non métalliques. Leurs matériaux à base de contenu recyclé sont 100 % recyclables à la fin de leur durée de vie utile. Les toits en métal peuvent être conçus pour résister à des conditions météorologiques extrêmes et sont plus résistants au feu que d’autres matériaux de toiture tels que le bois ou l’asphalte. Un toit en métal peut représenter un huitième du poids d’un autre toit fabriqué à base d’autres matériaux ; en plaçant une charge plus légère sur la structure et les fondations de l’édifice, on prolonge ainsi la durée de vie de l’ensemble du bâtiment. Leur relative légèreté les rend plus faciles à transporter et à installer, ce qui permet des gains de temps et une réduction des coûts financiers et environnementaux.

L’acier et l’aluminium sont tous deux utilisés dans la fabrication de toitures métalliques, le premier étant le plus courant. En poids, kg pour kg, l’acier est une toiture métallique économique. La résistance et la durabilité de l’acier tout au long de sa durée de vie, ainsi que son coût de cycle de vie, en font un investissement attractif. L’acier et l’aluminium font partie des matériaux les plus recyclés au monde : plus de 50 % de l’acier approvisionné aux États-Unis et 40 % de l’aluminium approvisionné en Amérique du Nord a été produit à partir de sources recyclées¹.

Ces revêtements abordés sont appliqués en usine par le fabricant d’équipement d’origine (OEM). Le PVDF et le SMP sont les revêtements les plus courants pour les toitures métalliques dans l’industrie.

Les pigments de finition donnent la couleur à la peinture. En plus de fournir l’esthétique d’une application, le pigment offre également une opacité en absorbant ou en réfléchissant la lumière. Cela contribue à assurer une durée de vie plus longue au revêtement. Les pigments utilisés affecteront également la résistance du système de revêtement à la décoloration. Les pigments organiques ont un aspect lumineux, mais une faible résistance à la décoloration. Les pigments inorganiques, ou céramiques, sont moins brillants et plus teintés terre, mais ont une forte résistance à la décoloration.

Le solvant utilisé dans les revêtements extérieurs sert principalement de diluant pour maintenir et contrôler la viscosité de la peinture, et en faciliter l’application. À mesure que le solvant se dissout, il disperse les résines solides pour aider à ce que la peinture se forme. Pendant le processus de cuisson d’un revêtement pour toit métallique, les solvants sont capturés et incinérés en toute sécurité, laissant pigments et résines sur le substrat.

« Additifs » est un terme générique englobant des agents supplémentaires qui peuvent être formulés dans la peinture pour améliorer ses performances. Certains additifs peuvent être utilisés pour contrôler la mousse, l’écoulement et le nivellement de la peinture pendant son application. Des modificateurs de viscosité sont utilisés pour améliorer la décantation et des catalyseurs sont ajoutés pour accélérer la réaction chimique.

Attentes en matière de performance

Lors de la sélection d’un revêtement extérieur pour un système de toiture métallique, il est important de savoir comment il résiste aux facteurs extérieurs potentiellement destructeurs. Un fournisseur réputé de revêtements offrira des garanties sur tous ses produits, ainsi que des spécifications de format en trois parties CSI pour garantir des performances optimales.

Les spécifications des fabricants de revêtement feront référence aux protocoles de test ASTM pour l’évaluation de qualités telles que :

• brillant spéculaire ;
  
• L’homogénéité des couleurs ;
  
• adhérence ;
  
• dureté et épaisseur du film ;
• flexibilité ; 
• résistance à l’eau ;
• résistance à l’abrasion ;
• résistance chimique ;
• pulvérisation de sel et résistance à la corrosion ; et
• au ternissement.

Par exemple, le ternissement se produit lorsque le système de résine à la surface de la peinture commence à se dégrader. Cela est principalement causé par l’exposition aux rayons UV. Lorsque le système de résine se décompose, les particules de résine prennent une apparence blanche et les particules pigmentaires incorporées perdent leur adhésion au film. Avec cette dégradation de l’adhésion, les particules commencent à sortir de la surface du film.

La décoloration se produit lorsque des substances environnementales attaquent le pigment dans la peinture. Cela entraîne un changement de couleur de la peinture elle-même. Le test de point chimique détermine la résistance d’un film à des conditions acides ou corrosives élevées. Une base ou un acide concentré est déposé sur le film et recouvert d’un verre. Après une période définie, le panneau est essuyé et examiné à la recherche d’éventuels dommages ou de décoloration. Les résines FEVE sont particulièrement résistantes aux conditions corrosives, et leur qualité inerte signifie qu’elles ne changeront pas pendant un test de point chimique.

Outre les protocoles de test ASTM et les spécifications des fabricants de revêtements, des normes et des directives sont disponibles auprès des associations industrielles, des agences gouvernementales et de divers fabricants de toitures métalliques pour informer les décideurs sur leurs choix de revêtements et sur la manière dont les revêtements extérieurs doivent fonctionner lorsqu’ils sont exposés au fil du temps à diverses conditions climatiques.

Lors du test sur la manière dont une couleur change en fonction de son exposition, les échantillons sont préparés sur un primaire prépeint. L’instrumentation de couleur est ensuite utilisée pour mesurer la couleur d’un lot de peinture par rapport à la norme, en trois échelles :

• clair à sombre (ou blanc à noir) ;
• rouge à vert ; et
• jaune à bleu.

Tout revêtement de couleur peut être noté par un nombre en fonction de l’endroit où il se trouve sur chacune de ces échelles.

De nombreuses garanties de fabricants de revêtement citent le Delta E sur leur peinture, qui fait référence au changement de couleur entre le moment où elle a séché et sa durée d’exposition actuelle. Delta E quantifie la différence entre deux couleurs, telles que la référence non exposée et la couleur après l’exposition. Un Delta E de 1,0 est généralement la plus petite différence de couleur que l’œil humain peut voir. La combinaison du soleil, de la chaleur et de l’humidité affecte le changement de couleur dans Delta E et endommage le revêtement du toit beaucoup plus rapidement qu’un seul facteur.

Considérations environnementales

Les solvants utilisés constituent la principale préoccupation environnementale avec les revêtements liquides de prélaquage. Certains de ces solvants sont considérés comme des composés organiques volatils (COV), qui ont été associés à l’appauvrissement de la couche d’ozone lorsque directement libérés dans l’atmosphère. Lorsque les revêtements de prélaquage sont appliqués d’une manière responsable, les COV sont capturés et incinérés en toute sécurité avant que le matériau peint ne soit expédié. Dans certains cas, la chaleur provenant de l’incinération est ensuite réutilisée pour chauffer différentes parties du processus de revêtement.

La sélection du revêtement pour les toits métalliques peut également avoir des avantages environnementaux positifs. Jusqu’à récemment, le toit était l’un des composants les moins écoénergétiques du corps du bâtiment. Constatant l’opportunité d’innovation, des options telles que des toits métalliques froids sont devenues l’avant-garde de la conception de bâtiments commerciaux.

Un toit froid reflète la chaleur émise par le soleil dans l’atmosphère, maintenant la température du toit à un niveau inférieur, réduisant ainsi la quantité de chaleur transférée dans l’espace intérieur du bâtiment. Les exigences relatives au toit froid apparaissent dans les codes énergétiques nationaux et locaux, les initiatives de construction écologique et les programmes d’aide énergétique, car un toit froid réduit l’utilisation de la climatisation et diminue les factures d’électricité. Elle atténue également l’effet d’îlot de chaleur urbain, où les surfaces de toit et de chaussée retiennent la chaleur, ce qui contribue à son tour à l’élévation des températures, à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) et aux perturbations climatiques locales. Les toits froids minimisent ces effets indésirables, tout en augmentant le confort des occupants et en réduisant les problèmes de santé associés à une mauvaise qualité de l’air et à la pollution atmosphérique.

Il existe deux propriétés clés importantes qui influencent la température qu’un toit va atteindre en plein soleil :

• la réflectance solaire (RS) — la quantité d’énergie solaire immédiatement réfléchie à partir d’une surface ; et
• l’émission thermique (ET) — la quantité d’énergie thermique qu’une surface peut réémettre sous forme d’énergie infrarouge (IR) dans l’atmosphère.


Un toit froid avec une RS élevée et une ET élevée aura une température de surface inférieure à celle d’un toit avec une RS faible et une ET faible. Une température de surface inférieure se traduit par un gain de chaleur moindre dans la structure interne, ce qui donne un bâtiment plus frais, et signifie moins d’énergie utilisée et des dépenses d’énergie plus basses.

Les recherches menées par le centre technologique des bâtiments du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) montrent que la toiture métallique maintient mieux sa RS au fil du temps que tout autre produit de toiture². Renforçant cette performance, les revêtements de prélaquage pour toiture métallique RS sont disponibles avec des résines PVDF à 70 % et des pigments réfléchissants solaires. Selon la couleur, de nombreuses applications de toiture froide spécifieront une finition à deux couches, appliquée en continu, cuite avec une valeur RS minimale de 0,25 et une valeur TE de 0,85 à 0,90 pour les revêtements typiques.

L’énergie qui n’est pas réfléchie ou réémise chauffe la surface d’un toit, de sorte que le flux d’air ambiant provoque un chauffage par convection, ce qui peut contribuer à des températures urbaines plus élevées. Un îlot de chaleur décrit le phénomène de zones urbaines construites qui sont plus chaudes que leurs zones rurales environnantes. Selon l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA), la température moyenne annuelle de l’air d’une ville comptant au moins un million de personnes peut être de 1 à 3° C (1,8 à 5,4 F) plus élevée que son environnement direct. Le soir, la différence peut atteindre 12° C (22 F). Les températures élevées peuvent entraîner des coûts énergétiques plus importants afin de refroidir les bâtiments de toute la ville³.

Les critères de qualification du programme de toit réfléchissant Energy Star de l’EPA pour un toit froid sont les suivants :

• les toits à faible pente — moins de 2:12 — doivent avoir une RS initiale de 0,65 et une RS de 0,50 après trois ans de vie utile ;
• Les toits à pente abrupte — 2:12 ou plus — doivent avoir une RS initiale de 0,25 et une RS de 0,15 après trois ans de vie utile.

Les critères de toit en métal pour le Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) sont :

• l’exigence d’indice de réflectance solaire (IRS) de toit à faible pente < 2 :12 est de 78 ; et
• toit à pente abrupte > 2 :12 Les exigences IRS sont de 29.


L’IRS combine la réflectivité et l’émission pour mesurer la capacité globale d’un toit à rejeter la chaleur solaire. Le calcul de cet indice, défini par ASTM E1980, Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low- Sloped Opaque Surfaces, est basé sur une formule incluant des valeurs de réflectivité solaire et d’émissivité thermique. Le noir standard (réflectivité cinq pour cent, émission 90 pour cent) a un indice de 0, et le blanc standard (réflectivité 80 pour cent, émission 90 pour cent) a un indice de 100.

Des améliorations de valeurs RS peuvent être apportées grâce à la technologie des pigments froids. L’impact de l’augmentation de la RS d’un toit peut rapidement être cumulatif.

Pour chaque augmentation de 0,01 de la RS, la température de surface diminue de 0,3 à 0,6 C (0,5 à 1 F). Pour chaque augmentation de 0,10 de la RS, les coûts énergétiques de refroidissement et de chauffage chutent de 0,02 $/m2 (0,02 $/sf), dans les climats chauds. Une toiture froide peut également contribuer à réduire les coûts d’entretien, à prolonger la durée de vie de la toiture et offre de nombreux avantages environnementaux à long terme.

Conclusion

Pour obtenir les avantages souhaités et atteindre les performances prévues des toits froids en métal, il faut des spécifications bien réfléchies, des fournisseurs de matières premières soigneusement sélectionnés et une étroite collaboration avec des fabricants de revêtements expérimentés. Grâce à cette collaboration, les professionnels de la spécification peuvent répondre aux attentes de l’équipe de construction et à leurs idéaux pour contribuer à un meilleur environnement urbain.