Qu'est-ce qu'une fenêtre?
Les fenêtres jouent un rôle prépondérant au niveau de la qualité de vie et du confort dans les bâtiments. Pour l'occupant, les fenêtres laissent entrer la lumière, la chaleur du soleil et l'air frais, et donnent une vue sur le monde. Pour l'architecte et le concepteur, les fenêtres donnent du caractère à la façade, rompent la continuité d'un mur ou d'une toiture et nécessitent un soin particulier à l'assemblage. Pour l'ingénieur en mécanique, elles sont causes de surchauffe, de refroidissement ou d'infiltration d'air. Pour le constructeur, les fenêtres sont le point de rencontre de matériaux différents et de corps de métiers différents. Pour l'ingénieur de protection incendie, les fenêtres peuvent servir d'issue en cas d'incendie, offrir un chemin à la propagation des flammes aux autres étages ou bâtiments, et alimenter le feu en air. Pour l'expert-conseil, les fenêtres pourraient bien être sources de revenues car elles peuvent être liées directement ou indirectement à des défauts de performance. Comme on peut le constater, les fenêtres n'ont pas la même connotation pour tous. À l'instar des autres composantes de l'enveloppe du bâtiment, la fenêtre filtre les conditions entre l'intérieur et l'extérieur; en outre, elle peut être ouvrable et laisse passer, jusqu'à un certain point, la lumière naturelle. On peut la décrire comme tout ce qui nous permet de voir au travers: le vitrage d'une porte-patio d'une habitation ou un mur-rideau commercial, un lanterneau, un vitrage incliné et, bien sûr, la fenêtre traditionnelle au-dessus de votre évier de cuisine.
Jamais n'a-t-on vu une telle variété de fenêtres sur le marché. Cette prolifération est due aux multiples combinaisons de vitrage, d'enduits, de matériaux et de profilés pour dormant et châssis de même qu'aux options offertes par la nouvelle technologie. Cette série d'exposés traite principalement des systèmes préfabriqués posés dans l'enveloppe du bâtiment; certaines des questions relatives à la performance porteront cependant sur les systèmes assemblés sur place ou sur les systèmes de vitrage, comme les murs-rideaux par exemple. Le présent exposé examine la nature des exigences relatives aux fenêtres de trois points de vue : comme système d'éléments, comme partie intégrante de l'enveloppe du bâtiment et comme partie intégrante du milieu intérieur. Il décrit également la collection de fenêtres et d'éléments de fenêtres sur le marché. Le deuxième exposé Facteurs de performance des fenêtres examine les exigences en matière de performance qu'il faut considérer lors du choix des fenêtres. Le troisième exposé Normes sur la performance globale des fenêtres porte exclusivement sur la norme canadienne sur les fenêtres; il passe en revue ses articles et méthodes d'essais, de même que les ajouts éventuels. Le quatrième exposé Intégration de la fenêtre à l'enveloppe du bâtiment traite de l'installation des fenêtres dans les habitations et les établissements commerciaux ainsi que de la façon d'assurer la continuité des fonctions à la jonction mur-fenêtre. Quant au dernier exposé Technologie de pointe dans l'industrie de la fenêtre, il présente les technologies nouvelles comme le vitrage structural, les enduits à faible émissivité et le vitrage scellé dont la(les) cavité(s) sont remplie(s) de gaz.
Quels sont les facteurs influant sur la performance des fenêtres?
La performance des fenêtres comporte trois grands aspects : les caractéristiques physiques de la fenêtre entant qu'ensemble de matériaux de construction, chacun d'entre eux jouant divers rôles; la jonction physique de la fenêtre avec l'enveloppe dont elle devient partie intégrante, et enfin les effets des fenêtres sur la qualité de l'ambiance intérieure et le confort des occupants.
Les fenêtres sont probablement la composante assemblée en usine la plus courante de l'enveloppe du bâtiment. En tant que telle, elles constituent un ensemble de matériaux qui, comme système, doit remplir les mêmes fonctions que les murs opaques, et plus encore (Figure 1). En plus de limiter l'écoulement de chaleur, la transmission du son, le passage de l'air et de la pluie, les fenêtres doivent transmettre la lumière sans causer d'éblouissement, laisser entrer l'air frais sans laisser entrer les insectes ni causer de courant d'air, être étanches à l'air mais faciles à manoeuvrer, laisser pénétrer la chaleur du soleil en hiver dans les habitations, mais non en été (pour tous les bâtiments). Tous ces facteurs rendent leur conception et l'évaluation de leur performance plutôt complexes. Certaines fenêtres obtiennent une meilleure performance que d'autres même si elles peuvent toutes respecter les normes canadiennes. Par exemple, certaines exigences de la norme canadienne sur les fenêtres1 comportent trois niveaux de performance. Il revient au rédacteur de devis de décider quelles conditions présentes lors des essais en laboratoire correspondront vraisemblablement aux conditions réelles sur le terrain. Le rédacteur de devis devra peut-être même exiger un niveau de performance supérieur au niveau le plus élevé dicté dans la norme : par exemple, dans les Maritimes, les pressions du vent accompagnées de pluie peuvent être plus fortes que les pressions auxquelles sont soumises les fenêtres dans les essais conformes à la norme canadienne sur les fenêtres. En outre, cette norme ne vise pas tous les critères de performance car elle ne tient pas compte, entre autres, de la résistance thermique et de la transmission du son. L'évaluation des risques de condensation n'est exigée que pour les fenêtres en aluminium; pourtant il peut aussi se former de la condensation sur les fenêtres mal conçues, peu importe le matériau du dormant. À moins d'évaluer les fenêtres en fonction de ces exigences, il sera difficile de comparer les produits de façon satisfaisante. Les nombreux aspects de la performance de la fenêtre prise comme un ensemble d'éléments font l'objet des deuxième et troisième exposés, ce dernier portant en particulier sur les normes canadiennes traitant des fenêtres et de leurs composantes.
Figure 1. La fenêtre agit à titre de filtre.
Une fois les fenêtres choisies, il faut ensuite concevoir les détails de leur assemblage à la structure principale. On n'insistera jamais assez sur l'importance d'une jonction mur-fenêtre correctement détaillée. D'ailleurs, cette jonction entre souvent en jeu dans les problèmes de murs et de fenêtres. L' exfiltration d'air au joint mur-fenêtre peut entraîner l'apparition d'efflorescence sur les revêtements de brique, ou de petits glaçons aux joints entre les panneaux de bêton préfabriqué, ou la pourriture d'un mur à ossature de bois sous la fenêtre, causée par la pénétration d'une « eau de condensation » dans le mur lors d'une période de temps doux en hiver. L'infiltration d'air par temps doux peut pousser la pluie à l'intérieur, laquelle se manifeste à la tête de la fenêtre (une certaine quantité d'eau doit également pénétrer à l'appui, mais elle « disparaît » dans le mur et ne paraît pas à l'intérieur du bâtiment). L'infiltration d'air froid peut refroidir les surfaces intérieures en dessous du point de rosée de l'air ambiant et par conséquent favoriser la condensation superficielle. Une isolation non continue, l'infiltration d'air à la jonction mur-fenêtre (Figure 2) et une fenêtre située vis-à-vis les matériaux froids du mur peuvent refroidir la rive des dormant et châssis, accroître la condensation de surface et, dans certains cas, augmenter les risques de bris d'origine thermique. Contrairement à la croyance populaire, un bon assemblage à l'épreuve des intempéries ne consiste pas seulement à jointer la face extérieure du dormant au revêtement extérieur avec un produit de calfeutrage et à remplir la cavité avec un isolant fibreux. L'assemblage mécanique de la fenêtre et de l'ouverture brute pratiquée dans le mur est également cruciale pour assurer le transfert adéquat des charges de vent à la structure. L'étanchéité à l'air est la solution clé pour éviter la condensation interstitielle et la pénétration de la pluie, et une façon d'y par venir avec succès consiste à évaluer le mouvement des joints en vue de choisir le produit d'étanchéité le plus approprié. Les solins, les déflecteurs de pluie et le drainage de la cavité complètent l'installation soignée des fenêtres. Ces questions sont entre autres abordées dans le quatrième exposé.
Figure 2. Discontinuité des fonctions à la jonction mur-fenêtre.
Les fenêtres ont également un impact sur l'ambiance intérieure. Leurs caractéristiques thermiques et optiques, leur dimension, leur orientation, leur mobilité de même que leur traitement avec des écrans pare-soleil influent sur le confort des occupants et le fonctionnement des installations mécaniques. L'éblouissement, la surchauffe et le refroidissement, les courants d'air et le bruit extérieur nuisent au confort physique tandis que la communication - ou le manque de communication - avec le monde extérieur peut nuire au bien-être psychologique. La quantité, le type et l'emplacement des vitrages sont tous des facteurs qui, pour assurer la satisfaction des occupants, doivent être pris en considération lors de l'évaluation des options de la conception. (Le confort et la satisfaction du client deviennent maintenant acceptés comme parties intrinsèques de la performance globale du bâtiment, et les fenêtres y ont certainement leur rôle à jouer.) Le chauffage, le refroidissement, l'humidification et l'éclairage de l'espace sont les meilleurs exemples d'installations touchées par la conception et le fonctionnement de la fenêtre. Par exemple, les fenêtres ouvrantes sont le cauchemar des ingénieurs en mécanique mais le paradis sur terre des occupants qui se sentent davantage maîtres de leur environnement. De plus, l'installation de fenêtres plus étanches dans les bâtiments existants influe sur le climat intérieur : il faudra alors peut-être augmenter le débit de la ventilation mécanique pour compenser la réduction des fuites d'air, diminuer le débit des humidificateurs et réduire la dimension des installations de chauffage.
Quelles sont les exigences relatives aux fenêtres?
Nos attentes concernant les fenêtres se sont accrues au cours des années et, en plus, les conditions d'exposition sont devenues plus rigoureuses. Nos grands-mères vivaient dans des maisons dont les fenêtres laissaient passer les courants d'air et où l'air était sec; aujourd'hui, nous voulons des maisons où l'air est humide, dont les fenêtres à haut rendement énergétique ne présentent aucune condensation et le tout, à bon prix.
Comme on peut le constater, ces exigences portent non seulement sur les fenêtres mais aussi sur le milieu qu'elles créent à l'intérieur. Les exigences en matière de performance des fenêtres sont les suivantes:
Écoulement de chaleur
C'est une tâche complexe que de limiter l'écoulement de chaleur. La chaleur peut pénétrer à l'intérieur lors des journées chaudes et ensoleillées, et accroître ainsi la température intérieure et les coûts de conditionnement d' air (le cas échéant). Mais la chaleur peut également s'échapper du bâtiment, en quantité qui varie selon la résistance thermique des composantes de la fenêtre. La résistance thermique du vitrage est déterminée par la lame d'air entre les vitres et par les films d'air sur les surfaces intérieure et extérieure de l'ensemble qui ralentissent le transfert de chaleur (Figure 3). Le verre lui-même offre très peu de résistance à l'écoulement de chaleur. Les plus récentes découvertes mises sur le marché relativement à l'augmentation de la valeur RSI du vitrage sont les enduits à faible émissivité appliqués sur le verre ou le plastique pour réduire l'écoulement de chaleur rayonnée par les objets ou les occupants du local, et les gaz remplaçant l'air dans les cavités des vitrages scellés.
Figure 3. Valeur RSI d'un vitrage double.
Bon nombre de nouveaux produits destinés à contrôler la radiation solaire sont apparus sur le marché au cours des vingt dernières années. Les verres athermanes et les verres dotés d'un enduit réfléchissant, qui sont des verres sensibles à une longueur d'onde particulière du spectre d'énergie solaire, sont principale ment utilisés dans les établissements commerciaux. Quant aux verres dotés d'un enduit limitant la pénétration des rayons ultraviolets, cause de la décoloration des tissus, ils connaissent une popularité croissante sur le marché de l'habitation. Comme il sera fait mention dans le deuxième exposé, le vitrage sert à filtrer l'énergie, qu'il s'agisse de l'énergie solaire, de l'énergie rayonnée par les objets ou les humains ou de l'énergie des ondes sonores.
Dans certains cas (dans les bâtiments à valeur patrimoniale par exemple), il faudra peut-être améliorer les fenêtres plutôt que les remplacer. Un film adhésif peut être appliqué sur la vitre existante pour contrôler les gains de chaleur solaire, réduire les pertes de chaleur intérieure et ainsi améliorer la performance thermique de la fenêtre.
Écoulement d'air
Les fenêtres doivent résister à l'écoulement d'air, sinon la consommation d'énergie et le confort s'en trouvent affectés et il y a risque de condensation. Puisque les matériaux eux-mêmes ont une perméabilité à l'air plutôt faible, il faut accorder une attention particulière à leurs points de rencontre. Les produits d'étanchéité adhésifs et les garnitures sèches sont utilisés pour les parties fixes de la fenêtre, tandis que les coupe-froid sont employés pour les parties ouvrantes.
Pour étanchéiser la jonction vitrage-châssis, on utilise des produits soit adhésifs ou soit à sec (de compression); ces produits devraient être compatibles avec le produit d'étanchéité du vitrage scellé. L'étanchéité des fenêtres de bois est habituellement assurée au moyen d'un produit adhésif. Les produits d'étanchéité adhésifs sont appliqués en général sous forme de cordon de surface du côté extérieur du joint; la pose de produits similaires du côté intérieur du joint en cordon de surface et cordon de fond est aussi importante (Figure 4). Le cordon de fond intérieur est, en réalité, le produit de calfeutrage qui assure l'étanchéité à l'air de l'ensemble; les autres joints empêchent l'entrée directe de l'eau de pluie ou de condensation. Pour les châssis de vinyle et d'aluminium, on utilise des produits adhésifs et à sec : un profilé préformé élastomérique de compression peut être posé comme cordon de surface sur un côté du vitrage, ou les deux côtés, tandis qu'un cordon de fond intérieur adhésif assure l'étanchéité à l'air entre le vitrage et le châssis (Figure 5). Le cordon de fond intérieur ne fait pas partie intégrante de toutes les fenêtres sur le marché et par conséquent, il constitue un critère de sélection.
Figure 4. Étanchéité adhésive à la jonction vitrage-châssis de bois.
Figure 5. Étanchéités adhésive et à sec à la jonction vitrage-châssis d'aluminium.
Les parties ouvrantes de la fenêtre peuvent quant à elles être dotées d'une grande variété de coupe-froid. La forme et le matériau utilisés dépendent du mode de fonctionnement de la fenêtre. Par exemple, dans le cas d'une fenêtre pivotante (à battant ou auvent), le coupe-froid peut être tubulaire, en PCV plastifié ou en caoutchouc synthétique comme le EPDM (monomère d'éthylène, propylène et diène), ou être tout simplement droit. Même si les coupe-froid se trouvent sous diverses formes, ils fonctionnent tous sous le même principe : le matériau est comprimé lorsque le châssis est fermé. Dans le cas d'une fenêtre coulissante, on utilise en général des bandes en V de métal, de PCV ou de EPDM ainsi que des garnitures sous forme de brosses en fibres synthétiques.
Écoulement de la vapeur d'eau
Pour limiter l'écoulement de la vapeur d'eau à travers une fenêtre, il faut limiter l'écoulement de l'air, puisque la diffusion de la vapeur à travers la plupart des matériaux composant les fenêtres (aluminium, acier, verre, PCV, bois imperméabilisé) est très faible. Par exemple, dans le cas d~un vitrage double non scellé, l'exfiltration d'air humide, plutôt que la diffusion d'humidité, peut causer la condensation entre les vitres (Figure 6). On peut réduire l'ampleur du problème en améliorant l'étanchéité à l'air du châssis intérieur existant ou à défaut de mieux, en ouvrant légèrement le châssis extérieur.
Figure 6. Condensation entre les vitres d'un vitrage non scellé.
Condensation
Il est également important de limiter la condensation : non seulement entrave-t-elle la visibilité mais l'eau de condensation peut détériorer le châssis, le dormant et l'appui de même que le revêtement de finition intérieur et l'allège. Lorsque la température d'une surface tombe en dessous du point de rosée de l'air environnant, l'humidité se condense sur cette surface. Il semble que les plaintes concernant la condensation sur les fenêtres soient plus fréquentes pour les habitations que les établissements commerciaux. L'humidité relative de l'air ambiant et la température du vitrage, du châssis et du dormant sont les deux éléments sur lesquels il faut se pencher pour résoudre le problème. Si l'on veut réduire le niveau d'humidité de l'air ambiant, il faut restreindre les sources d'humidité (activités des occupants, humidificateurs, sol, bois de chauffage, etc.) et(ou) augmenter la ventilation. Plusieurs stratégies peuvent être employées pour accroître la température de la surface intérieure des fenêtres. On peut augmenter la valeur RSI de la fenêtre en ajoutant un espace d'air créé au moyen d'une vitre supplémentaire ou d'une feuille de plastique posée du côté intérieur et couvrant toute la fenêtre ou le vitrage seulement. On peut aussi accroître la circulation d'air chaud du local près des fenêtres à l'aide de ventilateurs ou en enlevant les barrières telles que les rideaux épais, les déflecteurs d'air, les gros meubles devant les fenêtres et les bouches de chaleur ou les radiateurs.
L'installation de fenêtres plus étanches dans un bâtiment existant augmente son étanchéité à l'air, mais accroît aussi l'humidité relative à l'intérieur. Par conséquent, les risques de condensation se trouvent accrus; en donnant une meilleure performance que les fenêtres précédantes, les nouvelles fenêtres sont davantage sujettes à la condensation. La cause réelle réside souvent dans un changement d'équilibre entre les taux de ventilation et de production d'humidité, et dans une connaissance insuffisante de l'interaction entre les systèmes du bâtiment.
Pénétration de la pluie
Il est possible d'empêcher la pluie de pénétrer en installant un écran pare-pluie aux jonctions châssis-unité de vitrage et châssis-dormant. Le principe de l'écran pare-pluie est fondé sur le contrôle des forces qui poussent l'eau dans les petites ouvertures plutôt que sur l'élimination des ouvertures elles-mêmes. Ces forces sont l'énergie cinétique des gouttes de pluie, la gravité, la capillarité et la différence de pression d'air. Etant donné qu'une différence de pression d'air entre l'extérieur du bâtiment et les cavités d'air dans les fenêtres constitue une force importante causant l'infiltration d'air et de là, la pénétration de l'eau, un meilleur contrôle de cette pression différentielle réduit le problème. Pour obtenir un équilibre de la pression d'air entre la cavité de ces jonctions et l'extérieur du bâtiment, il doit y avoir une étanchéité à l'air à l'intérieur de la cavité et un déflecteur de pluie à l'extérieur; la cavité doit communiquer avec l'extérieur et être drainée (Figures 7a et 7b). Cependant, certaines fenêtres ont été conçues selon la méthode de « colmatage en surface » (aucun joint d'étanchéité à l'intérieur), qui consiste à boucher toutes les ouvertures présentes à la surface extérieure de la fenêtre plutôt qu'à contrôler les forces qui poussent l'eau dans ces ouvertures. Cette méthode n'est efficace que pendant un certain temps et la fenêtre nécessitera un entretien fréquent.
Figure 7a. Fenêtre de bois avec écran pare-pluie, coupe verticale de l'appui.
Figure 7b. Fenêtre d'aluminium avec écran pare-pluie.
Transmission du son
La transmission du son à travers les fenêtres peut être contrée au moyen de cavités profondes entre les parois (vitrage multiple), de parois lourdes (vitres plus épaisses) et d'une réduction du lien structural entre les parois (dormants et châssis distincts pour les parois intérieures et extérieures). Les fenêtres doivent de toute évidence être aussi étanches à l'air que possible : les fenêtres fixes offrent habituellement un meilleur contrôle de la transmission du son que les fenêtres ouvrantes.
Entrée des insectes
Les fenêtres ouvrantes doivent être munies de moustiquaires afin d'empêcher les insectes d'entrer. Il est primordial que ces moustiquaires soient bien ajustées pour remplir leur fonction adéquatement. La norme canadienne sur les fenêtres exige que les dormants des fenêtres ouvrantes soient conçus de façon à contenir des moustiquaires qui leur sont destinées; toutefois, il existe aucune exigence concernant la façon dont elles devraient être ajustées aux dormants. L'observation et le bon sens indiqueront celles qui ne laissent pas pénétrer les insectes, sont faciles à ôter pour le nettoyage puis à réinstaller.
Facilité d'opération
La facilité avec laquelle les fenêtres sont manoeuvrables est parfois en contradiction avec les exigences d'étanchéité à l'air et au son. Étant donné la population canadienne vieillissante, il importe de concevoir des fenêtres pour les personnes ayant une force physique restreinte. Le mécanisme d'opération de la fenêtre et sa quincaillerie, de même que les mouvements dus aux conditions thermiques et d'humidité des matériaux du châssis et du dormant ont un effet sur la manoeuvrabilité de la fenêtre.
Solidité et durabilité
Le verre est un matériau fragile qui casse sous tension. Même s'il peut obtenir une résistance à la traction de 6900 MPa, il peut se briser sous des contraintes beaucoup plus faibles en raison des imperfections en surface; certaines d'entre elles sont inhérentes au procédé de fabrication et certaines autres sont provoquées mécaniquement. Afin de le rendre solide et résistant à la rupture, et de faire en sorte que le verre cassé reste dans son cadre, divers types de verre ont été mis au point: trempé, semi-trempé, armé et laminé. Voyons maintenant leurs caractéristiques.
Le verre trempé est fondamentalement un sandwich de verre en contrainte: les deux faces sont en contrainte de compression et le coeur en contrainte de tension. La façon de renforcer le verre consiste à le chauffer jusqu'à ce que sa température atteigne environ le point de fusion, puis à le refroidir rapidement. Ainsi, les faces refroidissent et se contractent alors que l'intérieur du verre est encore tiède. Lorsque l'intérieur se contracte à son tour, les faces sont rigides et comprimées par la contraction de l'intérieur. Par conséquent, toute contrainte de tension imposée sur le verre doit vaincre la contrainte de compression initiale avant de porter atteinte au verre en contrainte de tension. Ce verre possède donc une résistance au bris par flexion, impact ou choc thermique de 3 à 5 fois plus forte que le verre recuit. La faiblesse du verre trempé réside par contre dans la fragilité de son périmètre : un choc léger produit par un objet pointu peut en causer le bris. Ce verre doit également être taillé avant la trempe, sinon la feuille de verre s'émiettera.
Le verre semi-trempé subit un traitement thermique semblable à celui employé dans le cas du verre trempé, mais la température et les vitesses de refroidissement amoindrissent la compression en surface. Ce verre peut être utilisé pour remplacer le verre recuit lorsque le verre doit de préférence avoir une résistance à la rupture et une résistance thermique supplémentaires.
Le verre armé comporte un treillis de fils de fer inséré dans le verre fondu pendant sa fabrication. On le considère deux fois moins résistant que le verre flotté de même épaisseur et il ne peut être trempé ni semi-trempé. Son principal avantage réside dans son armature qui, après le bris du verre, retient les morceaux ensemble. On se sert du verre armé dans les séparations coupe-feu, pour la protection contre les voleurs et dans les endroits à risques exigeant une protection contre la fragmentation du verre.
Le verre laminé consiste en deux feuilles ou plus de verre collées ensemble au moyen de films de plastique intercalés. Le verre laminé n'est pas plus résistant à la rupture que le verre monolithique mais, en cas de bris, la couche de plastique intercalée maintient les fragments en place.2 Cette combinaison de verre et de films de plastique peut être utilisée à plusieurs fins : pour bloquer la transmission du son, limiter le chauffage solaire, et résister aux balles et aux explosions.
Propagation du feu
Étant donné que le vitrage est jugé comme une composante de l'enveloppe offrant peu de résistance à la propagation du feu aux autres étages ou autres bâtiments, le Code national du bâtiment pose une limite à la surface des fenêtres selon l'occupation de l'espace, la distance à la limite de propriété ou la distance limitative et la géométrie de la façade. Les nouvelles mises au point concernant des fenêtres munies d'extincteurs automatiques à eau en vue de prévenir la propagation du feu seront présentées dans le cinquième exposé Technologie de pointe dans l'industrie de la fenêtre.
Quelles sont les exigences relatives à la jonction mur-fenêtre?
Les détails de la jonction mur-fenêtre sont primordiaux pour assurer la continuité des fonctions dans l'enveloppe. Malheureusement, on s'en préoccupe peu aux étapes de la conception et de la construction. Trop souvent, ils ne sont établis qu'à la dernière minute, lorsque les fenêtres sont arrivées sur le chantier et qu'il faut les poser. Le petit « vide » entre l'ouverture brute et le dormant de la fenêtre peut menacer la performance de tout le système mais, pour une raison quelconque, on ne lui porte guère attention. Les problèmes de pénétration de la pluie, d'infiltration d'air ou d'efflorescence sur la maçonnerie peuvent provenir d'une discontinuité des fonctions de l'enveloppe autour des fenêtres (plutôt qu'à travers celles-ci). Les concepteurs doivent clairement identifier le plan d'étanchéité à l'air de la fenêtre et des murs afin que les composantes puissent être jointes adéquatement (Figure 8). Outre les produits d'étanchéité et les garnitures compressibles, des nouvelles familles de produits connaissent une popularité grandissante. Les membranes élastomères adhésives utilisées comme pare-air dans les murs des bâtiments de grande hauteur assurent également l'étanchéité de la jonction mur-dormant de la fenêtre. Par extension, des bandes de ces membranes joignent au pare-air du dormant d'autres matériaux agissant comme pare-air du mur. On utilise aussi la mousse de polyuréthane pulvérisée car elle fournit à la fois une isolation thermique et une étanchéité à l'air; toutefois, il faut bien tenir compte du mouvement qu'elle peut subir, son adhérence à divers subjectiles de même que le risque de transfert des charges verticales au-dessus de la fenêtre en cas de tassement du mur.
Figure 8. Jonction mur-fenêtre: que faut-il jointer et comment?
L'installation de nouvelles fenêtres dans un bâtiment existant est probablement plus complexe que l'installation des fenêtres dans un nouveau bâtiment, car il faut s'accommoder de ce qui a déjà été fait et on ne sait pas toujours à quoi s'attendre avant de prendre les décisions. Par exemple, la jonction mur-fenêtre devrait être étanche à l'air et il devrait de toute évidence exister un plan d'étanchéité dans le mur, chose peu probable dans la plupart des vieux bâtiments. À quoi doit-on joindre le dormant de la fenêtre? Cette difficulté explique certainement pourquoi tant de bâtiments améliorés ont subi un colmatage en surface à l'extérieur sans être étanchés à l'intérieur d'aucune façon; il est possible que les nouvelles fenêtres laissent pénétrer la pluie en raison de ce compromis. Lorsque l'on veut remplacer les fenêtres en bois des bâtiments existants (établissements commerciaux, habitations, établissements institutionnels), les décisions suivantes doivent être prises avec soin : doit-on enlever ou garder le dormant de bois existant? doit-on insérer le nouveau dormant dans l'ouverture brute du mur ou dans le dormant existant? (Figure 9). Bien souvent, le nouveau dormant est inséré dans le dormant précédant, ces deux derniers étant recouverts à l'extérieur avec une feuille d'aluminium et étanchés en surface. Le principe de l'écran pare-pluie n'est donc pas appliqué et la dimension du vide autour de la fenêtre a doublé, accroissant ainsi les fuites d'air à la jonction mur-fenêtre.
Figure 9. Remplacement de fenêtre typique: aucun écran pare-pluie ni étanchéité à l'air.
La compréhension et la connaissance du résultat désiré, de l'ordre des opérations de construction de même que de la façon de concevoir les détails pour qu'ils soient réalisables sont de prime importance. Les corps de métiers qui y travaillent doivent également comprendre pourquoi il importe tant de suivre ce procédé plutôt que celui qu'ils ont suivi pendant des années. Afin d'assurer que la fenêtre donne la performance voulue, on peut faire l'essai en laboratoire d'une maquette grandeur nature pour évaluer son fonctionnement ou effectuer un essai sur le terrain pour vérifier qu'elle est bien construite selon les spécifications.
Quels sont les matériaux composant les fenêtres?
L'invention des fenêtres remonte presque au tout début de la civilisation. Plusieurs siècles avant Jésus Christ, les maisons des Assyriens avaient des fenêtres longues et étroites séparées par des petites colonnes. Les Égyptiens représentaient déjà des fenêtres dans leurs premières fresques, et le temple légendaire de Karnak construit par les Pharaons Seti I et Ramsès II comportait lui-aussi des fenêtres. Dans à peu près tous les cas, elles ne consistaient qu'en des ouvertures pratiquées dans les murs, recouvertes à l'occasion par des peaux, des rideaux ou des pièces de nattes. Ce n'est qu'à l'apogée de l'architecture romaine que les fenêtres ont réellement commencé à ressembler aux fenêtres telles qu'on les connaît aujourd'hui. Habituellement, les Romains utilisaient des feuilles de mica, des panneaux de coquillages et même de minces feuilles de marbre diaphane comme vitrage.3 Déjà au dixième siècle, la production du verre pour fenêtre était assez élevée dans le Nord de l'Europe, probablement en raison des rigueurs du climat.
Les éléments de base de la fenêtre moderne sont les vitres, le vitrage, le châssis, le dormant, les produits d'étanchéité et coupe-froid et la quincaillerie (Figure 10).4
Figure 10. Composantes d'une fenêtre.
Les vitres sont les portions transparentes de la fenêtre, fabriquées en verre ou en plastique. Le vitrage est l'assemblage des vitres et leurs attaches. Le châssis, partie manoeuvrable de la fenêtre, contient le vitrage. Le dormant renferme le châssis et est maintenu dans le mur ou le toit au moyen d'attaches mécaniques. Les coupe-froid et les produits d'étanchéité assurent une protection contre la pénétration de la pluie et de la neige, l'écoulement d'air et de vapeur, la transmission du son à la jonction des matériaux, tandis que la quincaillerie assure le bon fonctionnement et le verrouillage du châssis.
Verre
Le verre est un matériau fragile fabriqué par fusion de la silice. La plupart des vitres sont faites en verre dit sodo-calcique car la soude et la chaux en sont les composés prédominants combinés avec la silice. Au Canada, le verre employé dans les vitrages est produit selon le procédé de flottage. Depuis les années soixante, le verre flotté a remplacé le verre en feuille, qui était plus ondulé et causait des distorsions visuelles. Dans le procédé de flottage, le verre fondu flotte dans un bain de métal fondu où il s'étend sur une épaisseur uniforme. Lorsque la feuille est tirée du bain, les deux faces sont planes et parallèles. Après qu'on lui ait donné la forme d'une bande continue, le verre est refroidi graduellement, dans un four de recuisson constante, jusqu'à ce qu'il atteigne la température de la pièce. Cette façon de procéder supprime la plupart des contraintes pouvant être présentes et laisse le verre pratiquement exempt de contrainte résiduelle. Le verre recuit peut être ensuite taillé. Le verre plane est en majorité vendu à l'état recuit.2
Plastiques
Certaines matières plastiques sont des matériaux avantageux à utiliser en raison de leur légèreté, leur maniabilité, leur transmission lumineuse et leur meilleure résistance au bris que le verre ordinaire; elles peuvent épouser plusieurs formes, donnant ainsi plus de latitude dans la conception. Les plastiques sont principalement utilisés dans des endroits qui nécessitent une certaine résistance aux produits chimiques ou dont les fenêtres sont sujettes à un taux élevé de bris et où l'utilisation du verre s'avère très coûteuse. Le plastique n'est pourtant pas incassable; à la suite d'un solide coup, le matériau plastique peut se briser en gros morceaux aux bords non coupants, mais il ne vole pas en éclats tranchants, comme c'est le cas du verre. Les plastiques les plus couramment utilisés sont les acryliques, le polycarbonate (PC), le poly(chlorure de vinyle) (PCV) et le polyester renforcé de fibres de verre (PRV).
Le coefficient de transmission lumineuse initiale de quelques plastiques est comparé à celui du verre au Tableau 1.5 La baisse de qualité de la surface, causée par les égratignures au cours de la durée en service ou le vieillissement naturel, influent sur les propriétés optiques des plastiques. Le vieillissement naturel entraîne souvent une détérioration des propriétés optiques à cause de la décoloration, de la formation de piqûres en surface, de la microfissuration, de l'érosion superficielle , du les sivage des constituants et de la dégradation chimique ou photo-chimique. Étant donné que ces plastiques se dilatent de quatre à dix fois plus que le verre5 sous l'effet de la chaleur, ils peuvent causer une distorsion visuelle; c'est pourquoi il convient de les utiliser lorsqu'une visibilité parfaite n'est pas requise. Il faut apporter grand soin aux détails de la jonction vitrage-châssis afin qu'elle s'adapte aux mouvements thermiques.
Tableau 1 Transmission lumineuse initiale des plastiques et du verre
| Matériau de vitrage | Transmission lumineuse dans le visible (%) |
| PMM (acrylique) | 91-93 |
| Polycarbonate | 82-89 |
| PRV | 76-85 |
| PCV | 76-89 |
| Verre sodo-calcique | 88-90 |
Minces films
L'industrie du vitrage utilise des films de polyester et de mylar pour modifier les propriétés du verre ou pour le remplacer. L'application d'un film autocollant directement sur la surface intérieure de la vitre intérieure constitue une méthode particulièrement employée dans l'amélioration des bâtiments existants afin de réduire l'éblouissement et limiter les gains de chaleur solaire et l'entrée des rayons ultraviolets, ces derniers entraînant la décoloration des tissus. Les films servent également à créer des lames d'air multiples à l'intérieur des vitrages scellés; il existe sur le marché un système qui consiste en un vitrage double scellé comportant un film de polyester entre les deux vitres; il y a ainsi deux lames d'air sans le poids d'une troisième vitre. Ces minces films comportent habituellement un enduit visant à modifier les propriétés optiques du vitrage, soit pour réfléchir la chaleur solaire vers l'extérieur ou la chaleur interne vers l'intérieur, soit pour réduire la transmission lumineuse ou des rayons ultraviolets.
Vitrage
L'assemblage d'un vitrage multiple peut se faire de deux façons: il est scellé à l'usine ou il n'est pas scellé. Il y a environ trente ans apparaissait sur le marché la première génération de vitrage multiple scellé à l'usine. Cette technique qui, à l'origine, ne permettait aucun mouvement différentiel des vitres puisque ces dernières étaient assemblées au moyen d'attaches mécaniques, s'est améliorée avec l'utilisation de produits de calfeutrage qui allouent un certain mouvement des vitres et procurent un scellement « non rigide » des vitres. Il est possible que la technologie de pointe introduise de nouvelles façons de sceller les feuilles de verre.
Vitrage multiple scellé
Un vitrage multiple scellé en usine, également connu comme « vitrage isolant », est fabriqué avec deux feuilles de verre ou plus, séparées aux rives par un intercalaire contenant du dessiccatif et scellées au périmètre par une étanchéité simple ou double (Figure 11). L'intercalaire consiste généralement en un profilé creux et rectangulaire d'aluminium ou d'acier inoxydable, comportant une fente pour que l'air de la cavité et le dessiccatif soient en contact. La largeur de cet intercalaire dépend de la largeur de cavité voulue, soit habituellement entre 12 et 20 mm. Grâce aux récents progrès dans le domaine des intercalaires, on utilise d'autres matériaux comme la fibre de verre. Le dessiccatif, composé d'un tamis moléculaire ou de gel de silice, absorbe l'humidité de l'air enfermé dans la cavité lors de la fabrication de même que toute humidité pouvant s'infiltrer par diffusion au cours de la durée en service du vitrage. Les fabricants doivent choisir des dessiccatifs qui n'adsorbent pas l'azote car son adsorption entraîne la chute de la pression d'air dans la cavité, ce qui fait incurver le verre. La résistance thermique de la lame d'air se trouverait affaiblie au centre du vitrage de même que ce dernier pourrait perdre prématurément son étanchéité.
Figure 11. Vitrage double scellé en usine.
Le polysulphide, le butyle, la silicone et le polyuréthane sont couramment utilisés comme produits de calfeutrage; ils assurent le lien structural ainsi que l'étanchéité à l'air, à l'eau et à la vapeur. Un système breveté, sur le marché depuis plusieurs années déjà, incorpore l'intercalaire, le dessiccatif et le produit d'étanchéité en un seul produit : il consiste en un ruban de butyle renfermant une bande métallique séparatrice qui procure la rigidité nécessaire.
On compte parmi les principaux avantages du vitrage multiple scellé en usine l'absence de condensation entre les vitres, la réduction des surfaces à nettoyer (deux plutôt que quatre) et la capacité d'ajouter des options « haute technologie » comme les enduits, les films et les cavités remplies de gaz afin de répondre à des exigences particulières. Par contre, l'intercalaire métallique entre les vitres constitue un pont thermique qui refroidit le périmètre de la vitre intérieure et les risques de condensation sont plus élevés qu'avec un vitrage non scellé. Comme il s'agit d'un #171;système fermé », l'exposition du vitrage aux variations de température et aux pressions du vent entraîne l'incurvation du verre et, par conséquent, une compression et une tension des produits de calfeutrage. Dans certains cas, le vitrage scellé peut même subir une défaillance précoce. De telles défaillances prématurées peuvent tirer leur source à la fois dans le vitrage même et dans son installation. Il faudrait s'assurer que le produit choisi respecte la norme canadienne CAN2-12.8-M76 et, de préférence, le Programme de certification de l'Association canadienne de manufacturiers de vitrage isolant.
Vitrage double non scellé
Le vitrage double non scellé est disponible en deux modèles : les vitres sont posées soit dans le même châssis soit dans des châssis distincts (Figures 12 et 13).Dans le premier cas, l'espace entre les vitres est d'environ 20 mm et dans le deuxième, de 75 à 100 mm. Afin que ce type de vitrage soit efficace, le châssis intérieur doit être doté d'une bonne étanchéité à l'air qui réduira l'écoulement de l'air intérieur dans la cavité, sans quoi des fuites d'air excessives seront source de condensation dans la cavité. Il est possible d'améliorer encore sa performance en pratiquant une ouverture dans la cavité, vers l'extérieur, pour établir un équilibre entre la pression de la cavité et la pression extérieure. Alors, si l'air pénètre dans la cavité ou en sort en raison de la température ou de la pression du vent, la plupart des échanges d'air se feront avec l'air extérieur qui, en hiver, est plus sec et moins sujet à la condensation.
Figure 12. Vitrage double non scellé dans un châssis unique.
Figure 13. Trajet indirect du transfert de chaleur dans le dormant d'aluminium d'une fenêtre non scellée.
Ce vitrage est avantageux puisqu'on n'a pas à le remplacer en raison de la condensation; il requiert un entretien plus fréquent, comme le nettoyage des surfaces de la cavité, et peut ainsi durer longtemps. Par contre, il existe peu de moyens pour améliorer ce système sur le plan thermique, car un certain nombre de produits utilisés pour l'isolation thermique sont sensibles à l'humidité et aux polluants et doivent être placés dans les vitrages scellés. La disponibilité et le choix du vitrage double non scellé sont également restreints; quelques fabricants seulement produisent des vitrages doubles avec châssis unique et, bien que de nombreux fabricants produisent des vitrages doubles avec châssis distincts, ils sont généralement coulissants.
Châssis et dormant
À l'heure actuelle, les châssis et les dormants sont fabriqués en bois, en aluminium, en plastique, quelquefois en acier et, depuis peu, en fibre de verre. Chaque matériau a ses avantages et ses inconvénients, qu'il faut évaluer en fonction des critères de performance répondant aux besoins des propriétaires ou des usagers. On combine souvent les matériaux pour obtenir un système amélioré.
Bois
Les fenêtres en bois sont depuis longtemps une particularité des maisons canadiennes; elles sont devenues traditionnelles, notamment dans les habitations. Elles sont surtout restreintes aux maisons et petits bâtiments traités dans la partie 9 du Code national du bâtiment, à cause de leur combustibilité et de leur entretien fréquent. La résistance thermique du bois est plus faible que celle des matériaux isolants; pourtant, lorsqu'il est utilisé dans une fenêtre, il procure au châssis et au dormant du côté intérieur une température supérieure à celle d'un vitrage double. Le bois que l'on utilise pour les fenêtres est massif; il n'y a alors aucune poche d'air par où la chaleur peut se perdre par convection et le matériau lui-même a une faible conductivité thermique. Les châssis et dormants sont fabriqués au Canada avec diverses espèces de bois; la plupart sont toutefois en bois tendre comme le pin, le cèdre et le séquoia. Bien qu'il soit traité avec un préservatif après avoir été coupé en longueur, le bois peut subir les effets de l'humidité et gauchir ou se tordre, et même pourrir si aucune mesure de prévention n'est prise. La distorsion des fenêtres de bois causée par l'absorption de l'humidité peut en entraver la manoeuvrabilité. Il faut leur consacrer plus de temps et d'effort pour les protéger contre l'absorption d'humidité et les rayons ultraviolets. Elles doivent être peintes ou teintes peu de temps après leur installation et être entrenues tous les deux ou trois ans ou au besoin. La condensation en surface doit être surveillée de près puisqu'elle favorise la croissance des champignons et peut causer l'enflure du bois si celui-ci absorbe l'eau. Afin de réduire l'entretien des fenêtres de bois, certains fabricants offrent des revêtements extérieurs en aluminium ou en plastique. Le revêtement d'aluminium ne devrait pas entrer en contact avec le verre car cela refroidit sensiblement les rives et augmente le risque de bris d'origine thermique et de condensation en surface à l'intérieur. Comme ces matériaux de revêtement bloquent le passage de l'humidité, les trois autres surfaces du bois doivent comporter un pare-vapeur (peinture ou vernis) afin d'être protégées contre une accumulation excessive d'humidité à la surface extérieure du bois. Faciles à réparer, les châssis et dormants de bois ont démontré qu'ils résistaient à l'épreuve du temps.
Aluminium
Les fenêtres d'aluminium comportent des profilés extrudés creux fixés au moyen d'attaches mécaniques. Les profilés existent sous diverses formes; un profilé simple est illustré à la Figure 14. Étant donné que l'aluminium est un puissant conducteur de chaleur, un bris thermique (habituellement de plastique) est incorporé dans le châssis et le dormant pour réduire la conductivité directe entre les parties intérieure et extérieure de la fenêtre. Ainsi, la température de la surface intérieure du dormant est plus élevée et, dans une certaine mesure, les risques de condensation en surface sont amoindris. Dans certains cas, en vue de réduire les petites pertes de chaleur causées par la circulation de l'air dans les cavités des profilés du châssis et du dormant, on remplit ces cavités de mousse pulvérisée ou d'isolant rigide. Les fenêtres d'aluminium peuvent être conçues pour répondre aux besoins structuraux particuliers du bâtiment; elles conviennent parfaitement aux immeubles commerciaux et de grande hauteur où les charges du vent peuvent être fortes; elles sont également utilisées dans les murs-rideaux de verre et de métal. Elles peuvent être fabriquées de toutes les couleurs, certaines étant plus dispendieuses que d'autres et elles requièrent peu d'entretien; l'air salin et l'air pollué nuisent toutefois à sa durabilité.
Figure 14. Coupe d'un dormant d'aluminium d'une fenêtre-auvent.
La présence d'un bris thermique dans le dormant et le châssis n'est pas nécessairement suffisant pour contrôler la formation de condensation du côté intérieur. Par exemple, certains modèles de fenêtres utilisés dans des bâtiments commerciaux et des habitations ne contrôlent pas la conductivité thermique « indirecte » (Figure 13); le châssis coulissant d'un vitrage double non scellé permet encore à la chaleur de s'écouler en traversant un dormant muni d'un bris thermique. Comme le dormant d'une fenêtre peut se diviser en parties chaude et froide, la performance thermique de l'ensemble dépend largement du détail de la fenêtre. Il faut se pencher sur les questions suivantes pour évaluer la conception de la fenêtre : Le bris thermique du dormant s'aligne-t-il avec celui du châssis? La surface d'aluminium exposée du côté chaud du bris thermique est-elle plus grande que celle du côté froid? La jonction vitrage-châssis est-elle étanchéisée du côté extérieur ou intérieur du châssis? Le plan d'étanchéité à l'air est-il continu sur toute la fenêtre?
Poly(chlorure de vinyle) (PCV)
Le poly(chlorure de vinyle) est le matériau plastique que l'on utilise dans les fenêtres; il est thermoplastique, c'est-à-dire qu'il est susceptible de ramollir sous l'action de la chaleur et de durcir sous l'effet du froid. Le dormant et le châssis de PCV comportent un profilé creux contenant plusieurs petits espaces d'air (Figure 15). Les joints entre les éléments de PCV sont soudés à la chaleur ou à l'aide d'un solvent. Il est difficile de définir les caractéristiques du PCV utilisés à l'heure actuelle dans les fenêtres puisque les adjuvants jouent un rôle important au niveau des propriétés du produit fini; en outre, on a fait de grands progrès dans la formulation chimique du matériau. Les adjuvants peuvent être soit des plastifiants pour réduire la fragilité du matériau ou faciliter sa mise en forme, soit des stabilisants pour empêcher la dégradation causée par la chaleur, l'oxydation et les rayons solaires. On considère que la résistance thermique du PCV se situe habituellement entre celle du bois et celle de l'aluminium. Pour qu'un grand châssis de fenêtre soit bien rigide, on insère une armature d'acier dans le profilé du châssis; cette composante d'acier a tendance à refroidir le PCV environnant et à accroître sa conductivité thermique globale. L'entretien des fenêtres de PCV se borne pratiquement à un lavage périodique. Le PCV reste stable en présence d'air salin ou pollué. Par contre, le coefficient élevé d'expansion thermique (de deux à trois fois supérieur à celui de l'aluminium)6 doit être pris en compte lors de la conception de la fenêtre et de son installation. Par exemple, dans un climat froid, le dormant de la fenêtre se contracte et la largeur de la jonction dormant-mur s'élargit; il faut donc choisir avec soin des produits d'étanchéité flexibles et déterminer avec attention la largeur du joint afin d'empêcher la rupture de cohésion du produit d'étanchéité. En raison de leur perte possible d'éclat, les couleurs de PCV ont été depuis longtemps restreintes aux tons pâles, mais des nouveaux développements ont pu améliorer cette caractéristique. Le PCV de couleur foncée exposé au sud peut être excessivement déformé à cause du haut degré d'expansion du plastique. En cas de dommages, les réparations devront être effectuées par une personne possédant des compétences spéciales.
Figure 15. Coupe verticale d' une fenêtre de PCV (à battant ouvrant vers l'intérieur).
Fibre de verre
Les fenêtres en fibre de verre n'ont été lancées sur le marché que dernièrement. Elles comportent des profilés creux pultrudés joints ensemble par des attaches mécaniques. Ces fenêtres sont si récentes que leur performance en service reste encore à déterminer.
Combinaison de matériaux
Les châssis et dormants de fenêtres peuvent être composés de divers matériaux combinés: il peut s'agir d'une fenêtre ayant un châssis de vinyle et un dormant d'aluminium, ou ayant un dormant de bois recouvert de vinyle combiné avec un châssis d'aluminium. L'évaluation de la performance s'avère difficile puisqu'on ne peut prédire avec précision l'interaction des propriétés de ces différents matériaux. Toutefois, si les avantages de chacun d'entre eux sont exploités, il peut en résulter une bonne performance.
Conclusion
De toute évidence, les fenêtres sont des composantes importantes du bâtiment. Même si, intuitivement, nous sommes tous d'accord avec cet énoncé, on ne cherche pas toujours à en tirer le meilleur parti possible. Quel type, quelle dimension, quelle forme, quelle orientation, combien, de quelle façon, comment être certain, comment l'assembler, quelle conception adopter, quels détails, que faut-il éviter, qu'est-ce qui est mieux, qu'est-ce qui est innovateur, qu'est-ce qui est prouvé : voilà toutes des questions auxquelles devrait répondre l'industrie de la construction pour chaque projet. Sont-elles en fait prises en considération? Trop de décisions ne sont toujours pas étayées des connaissances techniques de pointe sur les fenêtres et de leurs implications. Bien des problèmes pourront être évités grâce à la combinaison suivante : compréhension des principes de la conception, conception de détails réalisables, spécifications pertinentes au climat, construction soignée, essais appropriés au moment opportun et suivi aux praticiens sur la performance réelle du produit fini. Une communication efficace entre les diverses équipes de construction est également primordiale pour que celles-ci comprennent bien ce que le concepteur désire réaliser et pourquoi. Les exposés suivants visent à contribuer à l'avancement de la science du bâtiment et à son transfert aux praticiens. Grâce à ces derniers seulement pourrons-nous bénéficier de toutes les connaissances acquises!
Références