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Toiture végétalisée (HU) : Différence entre versions

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(Principes de dimensionnement et choix des dimensions)
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===Principes de dimensionnement et choix des dimensions===
 
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On ne traitera ici que du dimensionnement hydrologique, sachant que l'épaisseur du substrat dépend également de la nature des végétaux que l'on souhaite planter
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On ne traitera ici que du dimensionnement hydrologique, sachant que l'épaisseur du substrat dépend également de la nature des végétaux que l'on souhaite planter.
  
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Du fait de leur mode de restitution, le dimensionnement des toitures végétalisées pose des problèmes spécifiques. Le temps caractéristique nécessaire pour la restitution par évapotranspiration (quelques jours ou quelques semaines) est en effet beaucoup plus long que celui du remplissage (typiquement quelques heures). De plus, la vitesse avec laquelle l'eau va s'évacuer n'est pas constante mais dépend des conditions climatiques (principalement [[ETP (HU)|ETP]]) et du développement de la végétation. Par ailleurs, le volume que l'on peut stocker dans le substrat (ou dans la réserve s'il en existe une) dépend du volume d'eau présent au début de l'événement pluvieux.
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Le volume que l'on peut stocker pour un événement pluvieux particulier donné dépend donc des conditions climatiques (pluviométrie et [[Evapotranspiration potentielle / ETP (HU)|ETP]]) qui ont prévalu dans les jours et les semaines précédentes. Il est extrêmement difficile, voire impossible, de lui associer a priori une probabilité d’occurrence car les différents événements qui le déterminent sont caractérisés par plusieurs variables aléatoires qui, sans être fortement liées ne sont cependant pas totalement indépendantes.
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L'approche à utiliser est donc obligatoirement de nature statistique et dépend des objectifs de protection choisis (voir [[Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)]]).
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* S'il s'agit d'évaluer le volume annuel intercepté, des méthodes relativement robustes peuvent être trouvées ;
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* En revanche s'il s'agit de dimensionner l'ouvrage pour faire face à un événement de fréquence rare :
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** un calcul simple est impossible dans le cas des ouvrages drainés et il est préférable de prévoir un mode de gestion complémentaire, le volume potentiellement disponible dans le substrat apportant alors une sécurité supplémentaire ;
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** un calcul simple sécuritaire est cependant possible dans le cas des ouvrages régulés.
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Les méthodes disponibles de dimensionnement sont présentées dans l'article [[Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage restituant par évapotranspiration (HU)]].
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Différents logiciels permettent de simuler de façon efficace le fonctionnement ds toitures végétalisées. Il peut s'agir d'outils généraux comme [[URBIS (HU)|URBIS]], ou de logiciels spécifiquement conçus pour cet usage. Voir en particulier l'outil Faveur (https://faveur.cerema.fr/public/home), développé par le CEREMA, qui permet d'évaluer les performances des toitures végétalisées en matière de gestion des flux hydriques.
  
 
==Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre==
 
==Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre==

Version du 4 juin 2023 à 13:29

Traduction anglaise : Vegetated roof

mot en chantier

Dernière mise à jour : 04/06/2023

Toiture couverte d’un substrat support de végétation permettant le stockage temporaire d'une partie des eaux de pluie précipitée et sa restitution au moins en partie par évapotranspiration ; on parle également de toiture verte ou de toiture végétale.


Figure 1 : Exemple de toiture stockante en partie végétalisée ; Source : GRAIE.

Sommaire

Généralités

Principes et variantes

Tout substrat est constitué de 3 éléments :

  • des grains de matière constituant le substrat proprement dit, plus les racines des plantes ;
  • de l'eau ;
  • de l'air.

L'eau et l'air se partage les espaces libres (porosité) du substrat. Si le substrat est saturé en eau, l'air a totalement disparu.

Le principe de fonctionnement hydrologique d'une toiture végétalisée consiste à stocker l'eau pendant les périodes de pluie en augmentant la teneur en eau du substrat, puis de récupérer cette capacité de stockage pendant les périodes sèches en évapotranspirant l'eau ainsi stockée. L'eau excédentaire qui ne peut pas être stockée dans le substrat est évacuée pendant la pluie, le plus souvent par un dispositif de vidange situé dans la partie basse, dispositif qui peut être régulé ou non (voir figure 8). Du fait de la position de la toiture, le plus souvent au dessus d'un bâtiment (voir nota), l'alimentation se fait généralement de façon directe en interceptant l'eau précipitée. Il est également possible d'alimenter la toiture végétalisée à partir d'éléments de toiture traditionnels situés au dessus de la partie végétalisée.

Nota : le développement de la végétalisation des villes amènent à envisager l'installation de toitures végétalisées ailleurs que sur les bâtiments, par exemple au-dessus des trottoirs ou des parkings de surface.

Il est possible de végétaliser des toitures avec une pente de 1 à 45 degrés. Cependant, pour que le stockage de l'eau soit efficace, il est préférable que la pente soit faible.

Il existe différents types de toitures végétalisées en fonction de l'épaisseur du substrat, de la présence ou non d'une réserve d'eau sous le substrat et de la présence ou non d'un dispositif de contrôle du débit évacué. D'une façon générale, seules les toitures végétalisées avec des substrats épais et/ou une réserve d'eau et/ou équipées d'un limiteur de débit jouent un rôle efficace de contrôle des eaux pluviales.

Épaisseur du substrat

On classifie souvent les toitures végétalisées en deux (ou trois) familles selon l'épaisseur du substrat et le type de végétation que l'on peut y installer (figures 2, 3, 4):

  • Les toitures végétalisées intensives (on parle également de jardins sur le toit) : Ce sont des toitures pourvues d’un jardin proche de ce que l'on pourrait trouver au niveau du sol ; on peut y planter des arbustes et même des arbres ; l'épaisseur minimum de substrat est de 20 cm, mais peut être très supérieure selon la nature des végétaux et dépasser le mètre.
  • Les toitures végétalisées extensives : Ce sont des toitures avec une faible épaisseur de substrat (moins de 20 cm), qui peuvent être plantées de graminées, de mousses, de plantes grasses (toiture sédum), etc. ; on distingue parfois les toitures extensives (épaisseur de substrat inférieure à 10 cm) et les toitures semi-intensives (épaisseur de substrat comprise entre 10 et 20 cm).


Figure 2 : Exemple de toiture végétalisée extensive ; Crédit photo : Patrick Savary.


Figure 3 : Exemple de toiture végétalisée semi-intensive ; Crédit photo : GRAIE.


Figure 4 : Exemple de toiture végétalisée intensive ; Crédit photo : Bilel Afrit, SIAAP.

L'association des toitures & façades végétales (Adivet, 2023), est plus précise et détaille 5 types de toitures en fonction de l'épaisseur, du type de végétation, mais également de la surface couverte par un type de végétation donné (figure 5) :

  • "A : Végétation rase à dominante de vivaces succulentes (genre Sédums majoritairement) et de mousses ;
  • B : Végétation rase de vivaces succulentes avec massifs ponctuels de vivaces herbacées, vivaces à bulbes et graminées sur une surface inférieure à 50 % de la surface totale végétalisée ;
  • C : Végétation avec une base de vivaces succulentes et une dominante de vivaces herbacées, vivaces à bulbes et graminées sur une surface supérieure à 50 % de la surface totale végétalisée ;
  • D : Végétation à dominante de vivaces herbacées, vivaces à bulbes et graminées avec massifs ponctuels de vivaces ligneuses et/ou arbustive (hauteur inférieure à 1,5 m) sur une surface supérieure à 20 % de la surface totale végétalisée ;
  • E : Végétation présentant les strates précédentes et une présence significative d'arbres et d'arbustes (hauteur supérieure à 1,5 m à maturité) sur une surface supérieure à 20 % de la surface totale végétalisée".


Figure 5 : Typologie des toitures végétalisées en fonction de l'épaisseur du substrat et du type de végétation ; dessin de Frédéric Madre, publié dans "Landscape and Urban Planning" ; vol. 122 (2014) ; Source : Adivet (2023).

De façon assez logique, la quantité d'eau que l'on peut stocker dans le substrat varie de façon sensiblement linéaire avec l'épaisseur, même si l'on considère parfois qu'une interception efficace nécessite une épaisseur de substrat de 20 à 25 cm. Le type de végétation joue également un rôle en conditionnant l'évapotranspiration.

Présence on non d'une réserve d'eau

En termes hydrologiques, un autre élément important est associé à la présence ou non d'une réserve d'eau permettant ce conserver un volume supplémentaire d'eau. Une solution possible consiste à placer cette réserve sous la couche de substrat (figure 6). Cette réserve d'eau se remplit alors par percolation à travers le substrat et se vide en remontant par capillarité pendant les périodes sèches venant ainsi ré-humidifier le substrat. Ce type de solution présente en outre l'intérêt de constituer une réserve disponible pour la végétation pendant les périodes sèches.


Figure 6 : Une réserve d'eau située sous la toiture permet à la fois d'augmenter le volume intercepté et de mettre plus d'eau à la disposition de la végétation ; l'eau remonte dans le substrat par capillarité.

Il existe sur le marché plusieurs produits préfabriqués sous la forme de bacs permettant de mettre en place facilement ce type de solution sur une toiture terrasse existante (figure 7).


Figure 7 : Exemple de toiture végétalisée réalisée avec des bacs préfabriqués avec réserve d'eau; Crédit photo : Bilel Afrit, SIAAP.

Évacuation libre ou régulée

La quantité d'eau que l'on peut stocker dans le substrat pendant la pluie dépend également de la présence ou non d'un dispositif de régulation sur la vidange (figure 8) :

  • Soit l'ouvrage est drainé et l'écoulement est libre sous la couche de substrat. Dans ce cas l’eau va s’infiltrer jusqu'au fond de la couche de substrat et s'évacuer rapidement par gravité vers un exutoire extérieur ; la quantité d'eau stockée ne pourra pas dépasser la teneur en eau à partir de laquelle le drainage dû aux forces de pesanteur devient prépondérant et qui peut être assimilée à la capacité au champ (capacité maximum de rétention d’eau du sol).
  • Soit l'écoulement est contrôlé par un dispositif spécifique qui limite le débit évacué sous la couche de substrat à une valeur maximum et, dans ce cas, le sol pourra se saturer totalement ; l’écoulement ne dépassera le débit régulé que lorsque le niveau de l’eau atteindra la surface ou un trop plein. Il est cependant important de veiller à un drainage assez rapide de l'eau à la fin de la pluie pour éviter de faire souffrir la végétation et récupérer rapidement la capacité de stockage.


Figure 8 : Toitures végétalisées régulées ou non régulées.

Historique

L'article de Wikipédia indique que cette technique existe vraisemblablement depuis le Néolithique (12 500 à 8 000 av. J.-C.) (figure 9).


Figure 9 : Les jardins suspendus de Babylone constituent l'exemple le plus connu de l'utilisation généralisée des toitures végétalisées ; Source : Article Wikipédia.

En Europe, les toitures végétalisées ont été utilisées de façon très régulière dans les pays nordiques, au moins depuis le moyen-âge (figure 10), principalement pour leurs qualités isolantes.


Figure 10 : En Scandinavie, les toitures végétalisées ont été utilisées au moins depuis les vikings et constituent l'un des éléments du paysage ; Crédit photo : Philippe Deligny.

Malgré tout la solution est progressivement devenue marginale dans la plupart des villes. Ce n'est qu'au cours des années 1970, suite à de nombreuses expériences montrant les multiples intérêts bioclimatiques, écologiques, environnementaux et sanitaires des toitures végétalisées (voir par exemple Sabre et Bulteau, 2011) que cette solution a commencé à réapparaître et il a fallu attendre le début des années 2000 pour que le marché se développe réellement (figure 11).


Figure 11 : Évolution du marché de la toiture végétalisée en France ; Source : Adivet (2021).

Aujourd'hui, les toitures végétalisées constituent une solution mature, encouragée par les pouvoirs publics (voir par exemple la loi sur la biodiversité de 2016), et connaît une progression de 16% par an. En 2021 1,6 million de m² ont été installés en France, principalement (à 95%) sur des bâtiments neufs (Adivet, 2021). Ce chiffre important doit être relativisé car la part de toitures et terrasses végétalisées ne représente encore que 8,5 % des surfaces étanchées neuves.

Par ailleurs, les toitures végétalisées extensives, peu efficaces en termes de rétention d'eau, représentent encore 80% des installations, même si on observe un développement des toitures semi-intensives et extensives.

La marge de progression reste donc très importante.

Fonctions et cobénéfices

En plus d'une gestion efficace des eaux pluviales, aussi bien en termes de contrôle du ruissellement que d'interception des polluants, les toitures végétalisées présentent de nombreux avantages et ceci dans de nombreux domaines.

Amélioration du confort d'été

Le substrat joue un rôle d'isolant thermique d'autant plus efficace qu'il est épais. De plus l’ombre des végétaux limite l'ensoleillement direct sur la toiture ainsi que les gains thermiques associés. Enfin l'évapotranspiration absorbe d'autant plus de chaleur que la quantité d'eau mise à la disposition des plantes est importante. La conséquence cumulée de ces effets est une température d’air plus basse à proximité immédiate de la végétation et dans les locaux situés sous une couverture végétalisée.

Lutte contre les ilots de chaleur urbains

La diminution de la température de l'air, due en particulier à l'évapotranspiration, a des effets locaux, à proximité immédiate de la toiture, mais peut également jouer un rôle à l'échelle du quartier voire de la ville si les surfaces végétalisées sont importantes. A titre d'exemple l’analyse comparative de Aflaki et al. (2017), conclut qu'un verdissement urbain généralisé pourrait conduire à une diminution de la température globale de l'air et de la température radiante moyenne allant respectivement jusqu'à 4 °C et 4,5 °C en période de canicule. Comme les toitures représentent un pourcentage important des surfaces urbaines, leur végétalisation pourrait contribuer significativement à ce gain.

De plus, les effets locaux directs sur les bâtiments améliorent leur confort thermique et réduisent donc le besoin et la consommation des systèmes de climatisation, eux-mêmes producteurs de chaleur ; ils participent donc également ainsi à la lutte contre les îlots de chaleur urbain et plus généralement contre les émissions de gaz à effet de serre.

Rôle positif sur la biodiversité

Les toitures végétalisées accueillent un grand nombres d'organismes. L'étude GROOVES (Barra et Hemminki, 2021) s'est ainsi intéressée à la biodiversité sur 36 toitures végétalisées d'Ile de France. Au total, environ 400 espèces de plantes ont été observées dont 70 % étaient spontanées (véhiculées par le vent ou la faune), y compris des espèces rares (ornithope comprimé - Ornithopus compressus ou ornithope penné - Ornithopus pinnatus).

Concernant la faune, 611 espèces ont été observées sur les toitures étudiées avec une diversité importante de groupes taxonomiques (isopodes, myriapodes, collemboles, coléoptères, orthoptères, hémiptères, arthropodes, hyménoptères et certains coléoptères).

Concernant les plantes, la biodiversité observée sur les toitures est globalement équivalente à celle rencontrée dans les friches et les parcs urbains, mais elle est généralement plus faible concernant les pollinisateurs. De façon logique la biodiversité est moindre pour les toitures extensives, principalement du fait de leur substrat essentiellement minéral et/ou de faible épaisseur. Sur les toitures intensives ou semi intensives la flore peut atteindre des richesses supérieures à celle retrouvée dans les espaces verts situés au niveau du sol.

Protection du bâti

Il existe parfois des réticences à la végétalisation des toitures associées à des craintes concernant l'étanchéité. En pratique ces craintes sont totalement injustifiées (GRAIE, 2014). Au contraire, principalement du fait de leur rôle d'isolant thermique et de protection contre le rayonnement UV, les toitures végétalisées protègent les membranes d'étanchéité et prolongent leur durée de vie. Certaines études (voir par exemple : homegrade.brussels) montrent que la durée de vie moyenne de l’étanchéité peut atteindre 30 à 40 ans (contre 15 à 20 ans pour une toiture terrasse traditionnelle)

Amélioration de la qualité de l'air

La végétation a globalement un rôle positif sur la qualité de l'air en piégeant différents gaz (ozone, COVs, CO2 , etc.) et en produisant de l'oxygène. Il est cependant nécessaire d'éviter les espèces potentiellement allergisantes.

Aspect esthétique et rôle social

Les êtres humains ont besoin de nature et de verdure (notion de biophilie), et les toitures végétalisées peuvent donc améliorer le confort de la vie en ville. Il est cependant nécessaire pour ceci que les toitures soient accessibles, ou au minimum visibles.

Le référentiel GreenRoofScore (Adivet, 2023) propose une méthode pour évaluer globalement l'ensemble de ces performances.

Conception

Conception générale

La décision de mettre en œuvre une toiture végétalisée avec une fonction de gestion du ruissellement résulte d'une double choix :

  • mettre en œuvre une toiture végétalisée ;
  • mettre en œuvre une toiture stockante.

Il est en effet parfaitement possible de concevoir une toiture végétalisée qui ne joue aucun rôle (ou un rôle très réduit) en termes de limitation du ruissellement ou une toiture stockante destinée à contrôler le ruissellement sans être végétalisée.

Formulé de façon plus positive, au vu des co-bénéfices détaillés plus haut, il est nécessaire :

  • chaque fois que l'on souhaite utiliser une toiture stockante pour contrôler le ruissellement, de s'interroger sur les bénéfices complémentaires que l'on peut obtenir en la végétalisant ;
  • chaque fois que l'on souhaite mettre en place une toiture végétalisée, de s'interroger sur les bénéfices complémentaires qu'il y aurait à lui confier une mission supplémentaire de contrôle du ruissellement.

Une toiture végétalisée est constituée de différentes couches (figure 12).

Figure 11 : Schéma type d'une toiture végétalisée ; Source : Adivet (2018).


On trouvera dans le guide "Règles professionnelles pour la conception et la réalisation des terrasses et toitures végétalisées" (Adivet, 2018), l'ensemble des règles et éléments techniques nécessaires à la conception générale des toitures végétalisées. Un résumé des caractéristiques des différents types de toiture est fourni dans le tableau de la figure 13.


Figure 13 : Principales caractéristiques des différents types de toiture végétalisée ; Source : Adivet (2018).

Principes de dimensionnement et choix des dimensions

On ne traitera ici que du dimensionnement hydrologique, sachant que l'épaisseur du substrat dépend également de la nature des végétaux que l'on souhaite planter.

Du fait de leur mode de restitution, le dimensionnement des toitures végétalisées pose des problèmes spécifiques. Le temps caractéristique nécessaire pour la restitution par évapotranspiration (quelques jours ou quelques semaines) est en effet beaucoup plus long que celui du remplissage (typiquement quelques heures). De plus, la vitesse avec laquelle l'eau va s'évacuer n'est pas constante mais dépend des conditions climatiques (principalement ETP) et du développement de la végétation. Par ailleurs, le volume que l'on peut stocker dans le substrat (ou dans la réserve s'il en existe une) dépend du volume d'eau présent au début de l'événement pluvieux.

Le volume que l'on peut stocker pour un événement pluvieux particulier donné dépend donc des conditions climatiques (pluviométrie et ETP) qui ont prévalu dans les jours et les semaines précédentes. Il est extrêmement difficile, voire impossible, de lui associer a priori une probabilité d’occurrence car les différents événements qui le déterminent sont caractérisés par plusieurs variables aléatoires qui, sans être fortement liées ne sont cependant pas totalement indépendantes.

L'approche à utiliser est donc obligatoirement de nature statistique et dépend des objectifs de protection choisis (voir Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)).

  • S'il s'agit d'évaluer le volume annuel intercepté, des méthodes relativement robustes peuvent être trouvées ;
  • En revanche s'il s'agit de dimensionner l'ouvrage pour faire face à un événement de fréquence rare :
    • un calcul simple est impossible dans le cas des ouvrages drainés et il est préférable de prévoir un mode de gestion complémentaire, le volume potentiellement disponible dans le substrat apportant alors une sécurité supplémentaire ;
    • un calcul simple sécuritaire est cependant possible dans le cas des ouvrages régulés.

Les méthodes disponibles de dimensionnement sont présentées dans l'article Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage restituant par évapotranspiration (HU).

Différents logiciels permettent de simuler de façon efficace le fonctionnement ds toitures végétalisées. Il peut s'agir d'outils généraux comme URBIS, ou de logiciels spécifiquement conçus pour cet usage. Voir en particulier l'outil Faveur (https://faveur.cerema.fr/public/home), développé par le CEREMA, qui permet d'évaluer les performances des toitures végétalisées en matière de gestion des flux hydriques.

Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre

Vie de l’ouvrage

Bibliographie :

Pour en savoir plus :

Voir aussi : Toiture stockante

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