Les avantages des toits et revêtements métalliques

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

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

Finis avec le système de revêtement approprié, les toits métalliques « froids » peuvent également aider à réduire l’empreinte de carbone, la consommation d’énergie et les charges de refroidissement/chauffage d’un bâtiment. En plus de profiter directement aux propriétaires et aux occupants du bâtiment, ces toits aident également à profiter à la communauté environnante en atténuant l’effet de l’îlot thermique urbain.

Substrats de toiture en métal

Les toits métalliques peuvent durer plus longtemps que la plupart des produits de toiture non métalliques. Leurs matériaux contiennent du contenu recyclé et sont entièrement recyclables à la fin de leur vie utile. Les toits métalliques peuvent être conçus pour résister aux conditions météorologiques extrêmes et sont plus résistants au feu que les autres matériaux de toiture comme le bois ou l’asphalte. Un toit en métal peut être un huitième du poids des autres produits de toiture, en plaçant une charge plus légère sur la structure et la fondation tout en prolongeant la durée de vie de l’ensemble du bâtiment. Le système léger les rend également plus faciles à transporter et à installer, ce qui leur permet de gagner du temps et de réduire les coûts financiers et environnementaux.

L’acier et l’aluminium sont tous deux utilisés dans la fabrication de toits métalliques, le premier étant le plus courant. En poids, livre pour livre, l’acier est une couverture métallique économique. La force 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 attrayant. L’acier et l’aluminium sont parmi les matériaux les plus recyclés au monde, plus de 50 % de l’approvisionnement en acier aux États-Unis et 40 % de l’approvisionnement en aluminium en Amérique du Nord étant produit à partir de sources recyclées¹.

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

Les pigments de couche de finition donnent la couleur de la peinture. En plus d’aider à fournir l’esthétique d’une application, le pigment fournit également l’opacité en absorbant ou en réfléchissant la lumière. Cela aide à prolonger la durée de vie du revêtement. Les pigments utilisés affecteront également la résistance du système de revêtement à la décoloration. Les pigments organiques ont une apparence lumineuse, mais une faible résistance à la décoloration. Les pigments inorganiques, ou céramiques, sont moins lumineux et plus terreux, mais ont une résistance élevée à la décoloration.

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

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

Attentes en matière de rendement

Lorsque vous choisissez un revêtement extérieur pour un système de toiture en métal, il est important de savoir comment il résiste aux facteurs potentiellement destructeurs de l’extérieur. Un fournisseur réputé pour les revêtements offrira des garanties sur tous ses produits, ainsi que des spécifications de format CSI en trois parties pour assurer une performance optimale.

Les spécifications des fabricants de revêtements feront référence aux protocoles de test ASTM pour évaluer des qualités telles que :

• la brillance spéculaire;
  
• la consistance de la couleur;
  
• l’adhésion à long terme;
  
• dureté et épaisseur de la pellicule;
• flexibilité; 
• la résistance à l’eau;
• la résistance à l’abrasion;
• la résistance aux produits chimiques;
• la résistance au brouillard salin et à la corrosion; et
• farinage.

Par exemple, le farinage se produit lorsque le système de résine à la surface de la finition de la peinture commence à se dégrader. Cela est principalement causé par l’exposition aux rayons UV. À mesure que le système de résine se décompose, les particules de résine prennent une apparence blanche et les particules de pigment incrustées perdent leur adhérence à la pellicule. Avec cette décomposition de l’adhésion, les particules commencent à se détacher de la surface de la pellicule, appelée craie.

La décoloration est causée lorsque des substances dans l’environnement attaquent le pigment de la peinture. Cela entraîne un changement de couleur de la peinture elle-même. Le test chimique localisé détermine la résistance d’une pellicule à des conditions très acides ou corrosives. Un acide ou une base concentré est déposé sur la pellicule et recouvert d’un verre de montre. Après une période prescrite, le panneau est essuyé et examiné pour déceler tout dommage ou décoloration. Les résines FEVE sont particulièrement résistantes aux conditions corrosives, et leur qualité inerte signifie qu’elles ne changeront pas pendant un test chimique localisé.

En plus des protocoles d’essai ASTM et des spécifications des fabricants de revêtements, des normes et des directives sont disponibles auprès d’associations industrielles, d’agences gouvernementales et de divers fabricants de toitures métalliques pour informer les décideurs de leurs choix de revêtements et de la façon dont les revêtements extérieurs devraient se comporter lorsqu’ils sont exposés à diverses conditions climatiques au fil du temps.

Lorsqu’on teste la façon dont la couleur d’un revêtement change en fonction de son exposition, les échantillons sont coulées sur un apprêt pré-enduit. L’instrumentation couleur est ensuite utilisée pour mesurer la couleur d’un lot de peinture par rapport à la norme, en trois échelles :

• clair à foncé (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.

Les garanties de nombreux fabricants de revêtements citent 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, comme la référence non exposée et la couleur après 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 de Delta E et endommage le revêtement du toit beaucoup plus rapidement que n’importe quel facteur unique.

Considérations environnementales

Les solvants utilisés constituent le principal problème environnemental des Coil Coatings liquides. Certains de ces solvants sont considérés comme des composés organiques volatils (COV), qui ont été associés à l’appauvrissement de l’ozone lorsqu’ils sont libérés directement dans l’atmosphère. Lorsque les Coil Coatings sont appliqués par des installations de finition responsables, les COV sont capturés et incinérés en toute sécurité avant que le matériau peint ne quitte l’usine. Dans certains cas, la chaleur 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 de l’enveloppe du bâtiment. En voyant l’occasion d’innover, des options comme les toits métalliques « froids » sont devenues à l’avant-garde de la conception de bâtiments commerciaux.

Un toit froid est un toit qui réfléchit la chaleur émise par le soleil dans l’atmosphère, gardant la température du toit plus basse, réduisant ainsi la quantité de chaleur transférée dans l’espace du bâtiment en dessous. Les exigences en matière de toit refroidi apparaissent dans les codes énergétiques nationaux et locaux, les initiatives de construction écologique et les programmes de remises énergétiques parce qu’un toit frais réduit l’utilisation de la climatisation et réduit les factures de services publics. Elle atténue également l’effet des îlots thermiques urbains, où les surfaces de toit et de chaussée retiennent la chaleur, ce qui contribue 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 néfastes, tout en augmentant le confort des occupants et en réduisant la fréquence des problèmes de santé associés à la mauvaise qualité de l’air et au smog.

Il y a deux propriétés clés importantes pour la température qu’un toit atteindra en plein soleil :

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


Un toit frais avec un SR élevé et un TE élevé aura une température de surface inférieure à celle d’un toit avec un SR bas et un TE bas. Une température de surface plus basse se traduit par moins de gain de chaleur dans la structure en dessous, ce qui se traduit par un bâtiment plus frais, ce qui signifie moins d’énergie utilisée et moins de factures d’énergie.

Des recherches menées par le centre de technologie des bâtiments du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) montrent que les toitures métalliques retiennent mieux la SR au fil du temps que tout autre produit de toiture.² Pour améliorer ces performances, les Coil Coatings pour toiture métallique SR sont disponibles avec 70 % de résines PVDF et de pigments réfléchissants solaires. Selon la couleur, de nombreuses applications de toitures froides spécifieront un fini à deux couches, appliqué en usine, cuit au four avec une valeur SR minimale de 0,25 et une valeur TE de 0,85 à 0,90 pour les revêtements typiques.

L’énergie non réfléchie ou réémise peut chauffer la surface d’un toit, le flux d’air ambiant provoquant un chauffage par convection, contribuant potentiellement à des températures urbaines plus élevées. Une île thermique décrit les zones urbaines bâties qui sont plus chaudes que leurs zones rurales environnantes. Selon l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis, la température moyenne annuelle d’une ville comptant un million de personnes ou plus peut être de 1 à 3 °C (1,8 à 5,4 °F) plus chaude que son environnement. Le soir, la différence peut être aussi élevée que 12 °C (22 °F). Les températures élevées peuvent entraîner des coûts énergétiques plus élevés pour refroidir les bâtiments dans toute la ville.³

Les critères de qualification du programme Energy Star Reflective Roof de l’EPA pour un toit frais sont les suivants :

• des toitures à faible pente — pas moins de 2:12 d’inclinaison — doivent avoir un SR initial de 0,65 et un SR de 0,50 après trois ans de durée de vie;
• pente raide — pas de 2:12 ou plus — les toits doivent avoir un SR initial de 0,25 et un SR de 0,15 après trois ans de durée de vie.

Les critères du toit métallique pour le leadership en conception énergétique et environnementale (LEED) sont les suivants :

• l’exigence de l’indice du toit à faible pente < 2:12 de réflexion solaire (IRS) est de 78; et
• Les exigences pour les toits à pente raide > 2:12 de SRI sont de 29.


Le SRI combine la réflectivité et l’émissivité pour mesurer la capacité globale d’un toit à rejeter la chaleur solaire. Le calcul de cet indice est défini par ASTM E1980, Pratique standard pour le calcul de l’indice de réflectance solaire des surfaces opaques horizontales et à faible pente, et est basé sur une formule incluant des valeurs de réflectivité solaire et d’émissivité thermique. Le noir standard (réflectivité de 5 %, émetteur de 90 %) a un indice de 0, et le blanc standard (réflectivité de 80 %, émetteur de 90 % ) a un indice de 100.

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

Pour chaque hausse de 0,01 de SR, la température de surface diminue de 0,3 à 0,6 °C (0,5 à 1 °F). Pour chaque hausse de 0,10 SR, les coûts d’énergie de refroidissement et de chauffage diminuent de 0,02 $/1 m2 (0,02 $/pi2), dans les climats chauds. Une toiture froide peut également contribuer à réduire les coûts d’entretien et à prolonger la durée de vie du toit, tout en présentant des avantages environnementaux à long terme.

Conclusion

Pour obtenir les avantages souhaités et les performances voulues des toits métalliques froids, il faut une spécification réfléchie, des fournisseurs de matières premières soigneusement sélectionnés et une collaboration étroite 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.