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AVALOIRS DE TOIT À DÉBIT CONTRÔLÉ (ATDC) ASPE Québec - 11 mars 2014

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AVALOIRS DE TOIT

À DÉBIT CONTRÔLÉ (ATDC)

ASPE Québec - 11 mars 2014

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Contenu de la présentation

Une conséquence du développement

urbain

La charge hydraulique provenant d’une

pluie

La gestion des eaux pluviales

L’avaloir de toit à débit contrôlé comme

méthode de gestion

Les caractéristiques d’un ATDC

La sélection d’un ATDC

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L’une des conséquences du

développement urbain

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L’imperméabilisation des surfaces

et le ruissellement d’eau

L’imperméabilisation des surfaces provenant

des nouveaux développements crée une

hausse du ruissellement.

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Le ruissellement de l’eau et le débit

d’eau vers le réseau pluvial municipal

Une augmentation du ruissellement cause une

augmentation du débit d’eau vers le réseau

pluvial municipal.

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Le développement urbain et la

capacité limite d’un réseau

Conséquemment, l’imperméabilisation des sols

augmente le ruissellement et le débit d’eau vers

le réseau pluvial municipal et à son épuisement

où à sa capacité limite.

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La précipitation de pluie et la

charge hydraulique

L’article 2.4.10 à l’annexe de la division B,

partie 2 du CNP indique que :

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L’intensité d’une précipitation de

pluie pour une ville spécifique

Au tableau C-2 de l’annexe C du CCQ:

Note : Ainsi pour la ville de Québec, le tableau C-2

indique d’utiliser une intensité de précipitation de 20mm

sur 15 minutes pour un avaloir de toit standard.

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Conversion d’une précipitation de

pluie en Litres (L)

Les articles 2.4.10.4.1. et 2.4.10.4.2 du CNP

indiquent que :

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Charge hydraulique sur un toit en

Litres (L)

Les articles 2.4.10.4.1. et 2.4.10.4.2 du CNP

indiquent que :

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Charge hydraulique sur un toit en

Litres (L)

Pour la ville de Québec, un avaloir de toit

standard sur la même surface est de :

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Charge hydraulique sur un toit en

Litres (L)

Pour la ville de Québec, la charge hydraulique à

un avaloir de toit standard sur une surface de

900m2 est de :

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La précipitation et l’accroissement

de l’épaisseur d’eau

L’accroissement de l’épaisseur d’eau sur un

toit a lieu à un certain rythme qui peut être

établi comme suit :

Intensité (mm) = mm/min

15 minutes

ou encore :

Intensité (mm) = mm/s

900 s

(900s = 15min x 60s/min)

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La précipitation et l’accroissement

de l’épaisseur d’eau

Pour la ville de Québec, l’accroissement de

l’épaisseur d’eau sur un toit a lieu à un

rythme de :

20mm / 15min = 1,33mm/min

ou encore :

20mm / 900s = 0,022mm/s

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La précipitation et l’accroissement

de l’épaisseur d’eau

Comme l’accroissement de l’épaisseur d’eau

a lieu sur une surface, elle peut aussi être

exprimé en L/min ou encore en L/s comme

suit :

Surface (m2) x Intensité (mm) = L/min

15 minutes

Surface (m2) x Intensité (mm) = L/s

900 s

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La précipitation et l’accroissement

de la quantité d’eau

Pour la ville de Québec, l’accroissement de la

quantité d’eau sur le toit de 900m2 a lieu à un

rythme de :

900m2 x 20mm = 1200L/min (317gpm)

15 minutes

(Sachant que 3.785L = 1gallUS)

900m2 x 20mm = 20L/s (317gpm)

900s

(Sachant que 1 L/s = 15,85gpm)

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La précipitation et l’accroissement

de la quantité d’eau

L’accroissement de la quantité en termes de

« débit d’eau » est une variable qui peut être

utilisée dans les méthodes de calcul d’un

réseau d’évacuation d’eaux pluviales et dans

les systèmes de gestion des eaux pluviales

qui ont été mis en place par différentes villes

au Québec.

Les données du tableau 1 peuvent être

utilisées pour convertir une précipitation de

pluie en po./heure en GPM/pi2.

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La précipitation et l’accroissement

de la quantité d’eau

Tableau 1 Précipitation de pluie – Conversion po./heure en GPM/pi2

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Le volume d’eau provenant d’une

précipitation de pluie

À Québec une précipitation de 15 minutes

sur un toit plat de 900m2 représente une

épaisseur d’eau de 20mm à un rythme de

20L/s (317gpm) et produit un volume d’eau

de 18 000L (4756gallUS) à la structure du

toit.

Un réseau d’évacuation des eaux pluviales

conventionnel devrait être capable d’évacuer

les eaux pluviales au même rythme qu’elles

tombent à la surface d’un toit.

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Le volume d’eau provenant d’une

précipitation de pluie

Conséquemment, les 18000L (4756gallUS) d’eaux de

pluie qui tombent sur le toit en 15 minutes doivent être

évacués à l’égout pluvial de la municipalité durant

cette période.

Soulignons que 18 000L d’eau en 15 minutes sur un

toit de 900m2 suffit à remplir une piscine hors sol

résidentielle d’un diamètre de 15 pieds.

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

On comprend pourquoi la ville du Québec, par

exemple, limite le débit de rejet en provenant d’un

lot vers son égout pluvial municipal à une valeur de

50L/s.ha. (1 hectare = 10 000m2) ou moins et ce

contrôle du débit de rejet peut se faire à l’aide

d’avaloirs de toit à débit contrôlé (ATDC).

Le règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2 de la ville de

Québec indique qu’un contrôle du débit de rejet à la

source s’applique sur une demande permis.

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Extraits du règlement R.R.V.Q. CHAPITRE B-2:

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Le guide de gestion des eaux pluviales de la

ville de Québec

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Extraits du guide de gestion des eaux pluviales

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

Extraits du guide de gestion des eaux pluviales

(Climat futur)

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Gestion du débit de rejet d’une

précipitation de pluie

L’article 2.4.10.3. du CNP indique que :

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

Courbes IDF établies par Environnement Canada.

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

Tableau des IDF de Environnement Canada

(Historique)

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

Comparaison entre les tableaux des IDF

La ville de Québec est donc plus exigeante quant au

calcul de la charge hydraulique provenant d’un avaloir

de toit à débit contrôlé.

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

30 minutes

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Les données sur les précipitations

de pluie

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

Une prévision dans le temps…

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Gestion du débit de rejet

d’une précipitation de pluie

L’analyse d’une prévision versus la gestion

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

L’usage des avaloirs de toit à débit contrôlé

(ATDC) remonte aux années 50. Exemple

ATDC (brevet en 1965) :

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Comparativement à un avaloir de toit standard,

un ATDC conserve une partie de l’eau de pluie

sur la toiture en limitant son évacuation à l’aide

d’un déversoir.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

L’ATDC produit un emmagasinement d’eau.

L’emmagasinement d’eau sur le toit d’un

bâtiment est similaire à celui d’un bassin de

rétention.

Un ATDC permet donc une gestion du rejet

de l’eau emmagasinée au toit d’un bâtiment

sur une certaine période de temps.

L’apport d’eau maximal dans le réseau

pluvial municipal est alors réduit.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Un ATDC s’apparente à un avaloir de toit standard à

l’entrée duquel un déversoir a été placé.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

La géométrie du déversoir permet

d’obtenir un débit d’eau prédéfini basé sur

la hauteur d’eau en amont du déversoir.

Le débit ATDC = 5 gpmUS / pouce C.E.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

La géométrie du déversoir requis peut être déterminée

en utilisant les principes de la mécanique des fluides

avec des données expérimentales (cas d’un dalot

comme trop plein).

Notes:

H = hauteur d’eau au-dessus de la base du dalot

H = 2 pouces (pour usage primaire - comme un avaloir de toit)

H = 1 pouce (pour usage secondaire - comme un trop plein)

h hauteur dalot = 2 * hauteur d’eau H

Coordonner la hauteur d’eau avec l’ingénieur en structure

b

h

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Dalot ouvert (scupper channel type):

Débit (gpm) = 2.9 bH1.5

avec h ≥ H; Unités : pouces

Débit (L/s) = 0.000056 bH1.5

avec h ≥ H; Unités : mm

Dalot fermé (scupper close type):

Débit (gpm) = 2.9 (H1.5 – h11.5)

avec h < H; Unités : pouces

Débit (L/s) = 0.000056 b(H1.5 – h11.5)

avec h < H; Unités : mm

Source: FM Global septembre 2006

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Dalot ouvert

Dalot fermé

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Par opposition aux ATDC à déversoir géométrie

fixe, les ATDC à déversoir à géométrie variable

(ajustable) sont utilisés pour obturer partiellement le

déversoir afin de réduire le débit d’eau évacué et

permettent de nombreux ajustement.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Les fabricants indiquent le débit d’eau évacué par

un ATDC à différentes épaisseurs d’eau en amont

du déversoir et ajustements.

Ici le débit de l’ATDC ≈ 10 gpmUS / pouce C.E.

Le débit d’un

ATDC est une

fonction de la

hauteur d’eau

en amont du

déversoir!

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Courbe d’un ATDC et données spécifiques

Pas toujours linéaire

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Sur un ATDC, on peut augmenter le nombre de déversoirs

au-dessus de un afin d’augmenter le débit évacué en

fonction de la hauteur d’eau en amont des déversoirs.

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La géométrie du toit là où l’on

a recours à un ATDC

En plus de la précipitation de pluie et des

caractéristiques de débit, la géométrie du toit

doit être considérée afin de sélectionner le

bon ATDC.

Les toits peut avoir une géométrie à forme :

- plat,

- en pente, ou

- en de pyramide inversé et

dans chaque cas avec ou sans mur contiguë.

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La géométrie du toit là où l’on

a recours à un ATDC

Pour une même

surface (la projection

horizontale) :

un toit plat contient

2 fois plus d’eau

qu’un toit en pente

et

un toit plat contient

3 fois plus d’eau

qu’un toit en

pyramide inversé.

Note : En 1969, l’ACEC indique qu’une pente de toit d’au moins

1/4po/pied est requise avec des ATDC et qu’une infiltration d’eau

dans le bâtiment va éventuellement se produire.

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La géométrie du toit là où l’on

a recours à un ATDC

Pour une même

précipitation de pluie de

50mm (±2 pouces), après

une heure, l’eau atteint

une hauteur de :

50mm (±2 pouces) sur

un toit plat ;

100mm (±4 pouces) sur

une toit en pente et

150mm (±6 pouces) sur

un toit en pyramide

inversé.

24000L ≈ VOLUME D’EAU PISCINE 21 PIEDS

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La géométrie du toit et la

charge d’eau qui en découle

Chaque pouce de colonne d’eau (C.E.) uniformément réparti à

la surface d’un toit correspond à une charge de 5.2 lb/pi2.

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

L’usage des ATDC augmente puisqu’ils diffèrent l’apport

d’eau évacuée au réseau pluvial municipal dans le temps.

Plus la hauteur d’eau augmente plus le débit moyen évacué

par l’ATDC augmente et conséquemment le temps

de vidange du toit diminue (en fonction pente toit).

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Les informations publiées par

les manufacturiers d’ATDC

Certains manufacturiers d’ATDC proposent en fonction du

type de toit un déversoir d’une hauteur de 3 pouces et un

second de 6 pouces (pour les toits en pente).

La hauteur de 6 pouces ne devraient pas être excédée

puisque la capacité maximale de l’ATDC est atteinte et la

toiture est exposée à une éventuelle surcharge.

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Les exigences et modifications

au CNP

Éventuellement, comme une hauteur d’eau supérieure à 150mm

(6 pouces) pourrait être atteinte, on doit avoir recours à un dalot

(en guise de trop plein) ou encore à un avaloir de toit secondaire.

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ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE

SIPHON DE COURSE?!?

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ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE

OU

COMBO

← SÉPARÉS →

ASSEMBLÉS

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ATDC PRIMAIRE ET SECONDAIRE

AVEC SUPERVISION

CONTRÔLE

WIRELESS

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Les avaloirs de toit à débit

contrôlé (ATDC)

Les ATDC sont sélectionnés afin de réduire

le débit maximum évacué.

Un ATDC choisi correctement ne devrait pas

causer de débordement d’écroulement.

La sélection d’un ATDC basée sur l’épaisseur

d’eau maximale sans débordement ou

effondrement et avec un débit minimal.

La sélection correspond à la quantité d’eau

maximale possible sur un toit donné.

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Les informations publiées par

les fabricants d’ATDC

À Québec avec 1 déversoir sur un toit plat de 900m2

(9684pi2), la hauteur maximale d’eau atteint de ±3 pouces.

Le débit d’eau évacué par le déversoir est alors de ±15gpm

(3 po. x 5 gpm/po.).

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Les informations publiées par

les fabricants d’ATDC

Sur ce même toit plat, le volume d’eau maximale est alors de:

Volume = 900m2 x (3 x 25,4)mm = 68580 L (±18119gallUS)

Le temps de vidange (Draindown time) est de:

Temps = 18119gallUS / (15/2)gpm ≈ 2416 minutes ou 40,3 heures

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Le temps maximal de vidange

de l’eau emmagasinée

Des restrictions s’appliquent au niveau du

temps de vidange (draindown time) de l’eau

sur un toit.

Le CNP et l’ASPE demandent que l’eau sur

le toit soit évacuée en moins de 24 heures et

cela à cause de préoccupations par rapport

au gel et à la croissance d’algues et de

moustiques dans de l’eau stagnante non-

traitée. Le Code de plomberie du Québec

faisait état d’un temps maximal de 12 heures.

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Les autres préoccupations

Les fabricants d’avaloirs de toit et les compagnies

d’assurances ont aussi certaines préoccupations par rapport

à un bassin d’eau sur un toit. Une fuite d’eau est prévisible…

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Sélection d’un ATDC

Les exigences du CNP

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Première étape (toit plat)

1. Déterminer la surface totale du toit ou la surface individuelle

couverte lorsque le toit est divisé par des joints d’expansion

ou des vallées dans le cas d’un toit en pente :

Surface totale toit = 60m x 150m = 9000m2

Surface totale toit = 9000m2 (96840pi2)

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Deuxième étape

2. Diviser la surface totale du toit ou la surface couverte

par l’ATDC par la surface d’un déversoir choisi afin

d’obtenir le nombre de déversoirs requis :

On choisie la surface maximale par ATDC soit 900m2

(9684pi2) comme on désire limiter le nombre d’ATDC. On

peut dès lors augmenter le nombre de déversoirs par ATDC

à plus de 1. Ici, on opte pour deux déversoirs par ATDC ou

encore un surface de 450m2 (4842pi2) par déversoir.

Comme la valeur de 5000pi2 est tabulée pour un déversoir,

on choisi cette valeur :

Nombre déversoirs = 96840pi2 / 5000pi2 = 19,3 déversoirs

disons 20 déversoirs donc deux par ATDC.

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Deuxième étape (suite)

SOLUTION POSSIBLE :

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Troisième étape

3. Déterminez les caractéristiques de chaque ATDC à

partir du tableau du fabricant :

À Québec avec 5000 pi2, le manufacturier indique un débit

sur un toit plat de 13,5 gpm à une hauteur d’eau de 2,7

pouces et un temps de vidange de 18 heures qui rencontre

les exigences du CNP.

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Troisième étape suite…

Il faut choisir un ATDC qui possède deux déversoirs capables

d’évacuer 13,5 gpm par déversoir à partir des données du fabricant:

Un ATDC de 2 pouces avec 2 déversoirs permet d’atteindre le débit

recherché même l’excède.

Le débit maximal à un ATDC = 27 gpm (1,70 L/s).

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Quatrième étape

4. Établir les diamètres du réseau d’évacuation d’eaux pluviales :

Le débit à l’ATDC de 1,70 L/s est converti en L (Article

2.4.10.3.2. du CNP) : Charge = 1,70 L/s x 900L/1L/s = 1530 L

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Exemple 1 : Sélection ATDC

Quatrième étape (suite)

Diamètres avec des ATDC :

Diamètres avec des avaloirs de toit standards :

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Exemple 2 : Sélection ATDC

Bâtiment à Québec avec deux toits dont l’un possède une

surface verticale contiguë comme un mur. La pente totale

des toits est de 6 pouces.

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Exemple 2 : Sélection avec

des avaloirs de toit standards

Lorsque l’on dimensionne un avaloir de toit standard, le CNP,

tout comme les lignes guides de conception de l’ASPE indiquent

d’ajouter que la moitié de la surface de la plus grande surface

contiguë à la surface de la projection horizontale de l’aire à

desservir par l’avaloir :

Pour des avaloirs standards, avec une précipitation de 20 mm

(15 min) à Québec, on a :

AT1 : Surface = 2500 pi2 (232,3 m2)

Débit = 232,3 m2 x 20mm = 4646 L

AT2 : Surface = 2000 pi2 + (3000/2) pi2 = 3500 pi2 (325,3 m2)

Débit = 325,3 m2 x 20mm = 6506 L

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Exemple 2 : Sélection avec des

avaloirs de toit standards (SOLUTION POSSIBLE)

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Exemple 2 : Sélection avec des

avaloirs de toit standards (SOLUTIONS POSSIBLES)

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Exemple 2 : Sélection ATDC 1

Étapes 1, 2 et 3 (toit pente 6’’)

1. Surface du déversoir de l’ATDC 1 = 2500 pi2 (232,3 m2)

2. Nombre de déversoir dans l’ATDC 1 = 1

3. Caractéristiques : Débit = 21,5 gpm (1,36 L/s) avec une hauteur

d’eau maximale de 4,3 pouces et un temps de vidange de 3,5

heures.

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Exemple 2 : Sélection ATDC 1 Confirmation avec le fabricant

Le fabricant fournit un tableau qui indique le débit du déversoir :

Selon ce tableau, un avaloir de toit de 2 pouces avec 1 déversoir

convient à cette application car un déversoir fourni 5 gpm/po.C.E. fois

4,3 po. = 21,5 gpm comme requis.

Charge = 21,5 gpm = 1,36 L/s = 1124 L

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Exemple 2 : Sélection ATDC 1

Étape 4 (DIAMÈTRES - SOLUTION POSSIBLE)

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Exemple 2 : Sélection ATDC 2

Étapes 1, 2 et 3 (toit pente 6’’)

L’approche utilisée avec un avaloir de toit standard en présence d’un

mur contiguë n’est pas valide pour la sélection d’un ATDC.

Exemple d’une mauvaise approche!!! :

AT2 : Surface = 2000 pi2 + (3000/2) pi2 = 3500 pi2 (325,3 m2) Par interpolation, le débit = 22,1 gpm (1,4 L/s) avec une

hauteur d’eau maximale de 4,42 pouces et un temps de

vidange de 5,3 heures.

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Exemple 2 : Sélection ATDC 2

L’approche à préconiser

AT2 :

Surface = 2000pi2 + (3000/2)pi2 = 3500pi2

Avaloir de toit standard :

Précipitation d’eau = 2,4 po./h

Densité précipitation = 0,0250 gpm/pi2

Débit à 3500pi2 = 0,0250 gpm/pi2 x 3500pi2

Débit à 3500pi2 = 87,4 gpm

Densité à 2000pi2 = 87,4 gpm / 2000pi2

Densité à 2000pi2 = 0,04368 gpm/pi2

ATDC correspondante :

Densité à 2000pi2 = 0,0250 gpm/pi2

Débit à 2000pi2 = 0,0250 gpm/pi2 x 2000pi2

Débit à 2000pi2 = 50 gpm

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Exemple 2 : Sélection ATDC 2

L’approche à préconiser

Hauteur d’eau maximum :

Hauteur max. = 50 gpm / 2 déversoirs / 5 gpm/po.

Hauteur max. = 5 po.

Temps de vidange :

Temps vidange ≈ (5/12) pi x 2000 pi2 x 7,48 gall/pi3 / (50/2) gpm

Temps vidange ≈ 249 min. ou 4,1 heures

On peut avoir recours à un ATDC de 3 po. à 2 déversoirs qui évacue

le débit requis (voir page suivante).

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Exemple 2 : Sélection ATDC 2 Confirmation avec le fabricant

Le fabricant fournit un tableau qui indique le débit du déversoir :

Selon ce tableau, un avaloir de toit de 3 pouces avec 2 déversoirs

convient à cette application car 2 déversoirs fournissent 2 x 5

gpm/po.C.E. x 5 po. = 50 gpm comme requis.

Charge ATDC 2 = 50 gpm = 3,15 L/s = 2839 L

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Exemple 2 : Sélection ATDC 2 (DIAMÈTRES - SOLUTION POSSIBLE)

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Particularités des tableaux

de calcul des ATDC

Les données des tableaux de calcul des

ATDC ne sont pas assez récentes et

remontent aux années 1961 et 1968.

Les données des tableaux sont basées sur

des pluies de 50 et 100 ans.

Les méthodes de calcul modernes peuvent

être utilisées pour choisir les ATDC en plus

d’utiliser les paramètres de conception requis

comme la période de récurrence d’une pluie.

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La modélisation dans le

calcul d’un ATDC

Le problème du concept fondamental d’un ATDC est

similaire à un problème de mécanique des fluides où l’on

a un réservoir contenant de l’eau et qui est drainé par

l’entremise d’une ouverture.

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La modélisation dans le

calcul d’un ATDC

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Exemple de gestion

de l’eau de pluie

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Les ATDC

fin de la

présentation