Focus : différents systèmes pour différents climats

Focus : différents systèmes pour différents climats

D’un point de vue historique, des solutions de construction durable similaires aux toitures végétalisées ont été découvertes dans divers endroits du monde. Elles étaient utilisées notamment pour les ziggourats de l'ancienne Mésopotamie, comme décrit dans les récits des jardins suspendus de Babylone. L'architecture romaine et grecque a employé certaines de ces techniques. En jetant un regard plus large sur les solutions de construction durable, l'utilisation de plantes grimpantes sur les surfaces des bâtiments s'est considérablement développée au Royaume-Uni et en Europe centrale et du Nord (en particulier en Norvège) au cours des XVIIe et XVIIIe siècles afin d’augmenter l'isolation thermique. Au 20e siècle, les toitures végétalisées ont suscité un regain d’intérêt, principalement grâce à l'architecte d'origine suisse Le Corbusier, qui les a incluses comme l'un des cinq éléments de l'architecture moderne, tandis que les architectes organiques américains ont proposé des toitures végétalisées pour mieux lier les bâtiments à la nature (1).

Les toitures végétalisées agissent différemment selon le contexte dans lequel elles sont placées, c'est pourquoi de bonnes décisions de conception ne peuvent être prises qu'en tenant compte des facteurs environnementaux locaux. Le moyen de construire des toitures végétalisées efficaces semblerait le plus simple en Allemagne, berceau des toitures végétalisées modernes, où la mise en œuvre des systèmes intensifs a commencé dans les années 1960 et s'est rapidement étendue à l'Autriche, à la Suisse et au Royaume-Uni. En Allemagne, la surface des toitures végétalisées augmente d'environ huit millions de mètres carrés par an, et la valeur totale de cette technologie a été estimée à 254 millions d'euros en 2015. En conséquence, les directives de conception internationales les plus utilisées sont la FLL 2018 allemande qui comprend la planification, la construction et l'entretien des toitures végétalisées. Cependant, ces directives sont principalement développées pour être utilisées dans le contexte allemand. Puisqu'il existe suffisamment d'informations disponibles pour le type de climat tempéré continental, comme c’est le cas en Allemagne, nous allons passer en revue d’autres types de climat et donner des recommandations à suivre pour l'installation de toitures végétalisées dans différentes conditions (1).

Climats chauds et secs

Le climat méditerranéen est caractérisé par de longues périodes sèches se produisant de manière saisonnière, pendant l'été, avec des températures chaudes et un rayonnement solaire intense. Pour la conception de toitures végétalisées dans cette zone, le choix de la végétation est d'une grande importance. Les principaux critères de choix des espèces végétales doivent être leur tolérance à la sécheresse, leur caractère indigène, leur aspect esthétique (pour garantir leur acceptation par le grand public) et leurs faibles besoins d'entretien. Les espèces de sedum sont particulièrement appropriées en raison de leur capacité à survivre pendant de longues périodes sans eau, même jusqu'à cinq semaines de sécheresse continue. C'est une espèce végétale indigène, adaptée à la Méditerranée et à d'autres régions climatiques semi-arides. Sedum sediforme, par exemple, peut survivre avec peu ou pas d'irrigation à une profondeur de seulement 7,5 cm. D'autres espèces fortement recommandées sont Sedum album et Sedum acre, toutes deux fréquemment utilisées sur les toitures végétalisées. Cependant, lorsque l’approvisionnement en eau est restreint, un substrat plus profond (au moins 10 cm) est recommandé pour assurer une meilleure résistance à la sécheresse des plantes sur les toitures végétalisées extensives (1).

Toiture végétalisée Urbanscape® pour le climat méditerranéen

https://www.urbanscape-architecture.com/projects/villa-rabac/ 

Dans les climats chauds et secs toute l'année, ce problème est encore plus prononcé et mérite une attention particulière lors de la planification des toitures végétalisées. Une étude a évalué les effets d'une sécheresse sévère sur la croissance, l'utilisation de l'eau et la survie de cinq espèces succulentes sur les toitures végétalisées. Les chercheurs ont découvert que les plantes survivaient 12 jours de plus dans des substrats ayant une plus grande capacité de rétention d'eau. Une plus grande utilisation d'eau a eu les effets suivants : les espèces Disphyma crassifolium et Carpobrotus modestus sont mortes au moins 15 jours plus tôt que Sedum pachyphyllum, Sedum clavatum et Sedum spurium, des plantes qui sont économes en eau et ont bien fonctionné dans des conditions chaudes et sèches encore plus extrêmes que celles observées en Méditerranée. Cette dernière étude souligne également que les toitures végétalisées dans les climats chauds et secs doivent privilégier des espèces consommant peu d'eau et, surtout, des substrats à forte capacité de rétention d'eau pour garantir que les plantes peuvent survivre pendant les périodes de diminution des précipitations (2).

Dubai Opera Garden, complexe Burj Khalifa, Émirats arabes unis, utilisant le système de toiture végétalisée et d'aménagement paysager semi-intensif Urbanscape^®, recouvert par Urbanscape^® Green Roll et Urbanscape^® Green Flocks

https://www.urbanscape-architecture.com/projects/dubai-opera-burj-khalifa-complex/

Climats froids

Dans les climats maritimes froids des pays nordiques, les températures fluctuent considérablement sur des périodes relativement courtes, les hauteurs de précipitations varient considérablement, tout comme les cycles quotidiens de gel-dégel. De plus, dans les pays nordiques, le changement climatique entraîne un temps plus humide. En Norvège, les précipitations annuelles moyennes ont augmenté de 20 % au cours des 100 dernières années, et les surfaces pavées impliquent que les eaux pluviales restent davantage à la surface. Les toitures végétalisées peuvent atténuer cet effet grâce à la rétention d'eau et au retardement du ruissellement, en le libérant progressivement pour réduire le débit de pointe du ruissellement. Ces toitures sont à la fois plus esthétiques que les solutions traditionnelles de gestion des eaux pluviales et plus adaptées aux rénovations de bâtiments car elles ne nécessitent pas de travaux de terrassement importants ni le transport contraignant de matériel (3).

Là où les températures, la vitesse du vent et le rayonnement solaire peuvent être extrêmes, les plantes doivent être suffisamment robustes pour survivre à de courtes saisons de croissance, à des cycles de gel-dégel et à de longues périodes d’enneigement. Une étude portant sur les plantes de 41 toitures végétalisées dans les zones climatiques subarctiques et continentales de la Suède a révélé qu'en moyenne 75 à 77 % des espèces initialement plantées ne s'étaient pas bien adaptées aux conditions locales. Des espèces variées non prévues sont apparues et ont augmenté la richesse biotique sur les toitures, mais ont beaucoup moins contribué au couvert végétal total que les espèces plantées à l'origine ayant survécu.

Les espèces Sedum et Phedimus, autres que Sedum acre et Sedum album qui se sont bien adaptées, avaient pour la plupart disparu au moment de l'étude. Selon Lönnqvist et al., sur les 10 espèces les plus couramment trouvées, trois n'ont pas été plantées intentionnellement sur les toitures végétalisées étudiées : Epilobium ciliatum et deux plantes à fleurs, Sonchus arvensis et Geranium columbinum. Cela indique un besoin de diversification et d'introduction d'espèces mieux adaptées pour améliorer la survie et le couvert végétal dans les climats difficiles, et suggère que la colonisation spontanée des toitures végétalisées ne doit pas nécessairement être découragée. De plus, dans les zones où les températures sont inférieures à zéro, des substrats plus profonds fournissent une isolation pour la végétation, et donc une meilleure protection contre les dommages causés par le gel des racines, et doivent être envisagés si possible (4). De même, les chercheurs Liu et Baskaran (2005) ont constaté qu'en comparant deux toitures végétalisées extensives légères à Toronto, au Canada, celle avec un milieu de culture plus profond de 175 mm a obtenu de meilleurs résultats que celle avec seulement 75 mm. Cela s’explique par le fait que la partie inférieure du milieu de culture plus profond n'a pas gelé pendant une partie de l'hiver et a fourni une isolation supplémentaire au système de toiture. Cela indique que dans les climats plus froids, une couche plus profonde de milieu de culture fournira de meilleurs résultats dans des conditions hivernales (5).

Hôpital Karolinska, Stockholm, Suède, utilisant le système Urbanscape^® Premium Air et en partie le système Urbanscape® Premium High, recouvert par Urbanscape^® Green Roll

https://www.urbanscape-architecture.com/projects/karolinska-hospital/

Le climat tropical

Les étés chauds et humides avec des averses fréquentes, des orages et des typhons occasionnels sont typiques du climat tropical, ce qui signifie que la végétation choisie pour ces environnements doit être différente de celle des climats plus froids ou plus secs. Une étude menée à Hong Kong a révélé que les plants d'arachide Arachis hypogaea fonctionnent nettement mieux que le sedum dans des conditions tropicales (1). Des espèces comme Tulbaghia violacea, Asclepias curassavica et Arachis hypogaea semblent s’être bien adaptées selon une étude réalisée par Grullón - Penkova et ses collègues chercheurs. Les espèces indigènes se sont répandues partout sur les toitures végétalisées presque indépendamment de la profondeur du substrat. Les espèces qui se sont révélées remarquablement performantes dans l'étude réalisée sur divers toitures végétalisées tropicales étaient Bidens alba, Nephrolepis multiflora et Momordica charantia, ce qui indique qu'elles pourraient constituer un très bon choix pour les toitures végétalisées dans des environnements similaires (6). En termes de construction, l'étude de Hong Kong a montré que la couche de laine minérale avait l'avantage à la fois d'être légère et de présenter une capacité de stockage d'eau exceptionnellement élevée, régulant et libérant l'approvisionnement en eau des plantes (1).

Quelques échantillons des espèces les plus courantes sur les toitures végétalisées tropicales. De gauche à droite (en haut) : Bidens alba, Nephrolepis multiflora, Momordica charantia, Portulaca oleracea (en bas) : Tulbaghia violacea, Asclepias curassavica, Arachis hypogaea, Portulaca pilosa. Source des images : Grullón - Penkova et al. (7).

Pour conclure, la planification et la construction d'une toiture végétalisée nécessitent une expertise et une connaissance approfondie des conditions climatiques locales et des plantes appropriées, c'est pourquoi la consultation d'un expert est d'une grande importance afin de réaliser une toiture performante et bien adaptée à la survie des plantes à long terme.

Afin d'obtenir plus d'informations sur la mise en œuvre des produits Urbanscape® dans différents climats, nous vous invitons à consulter notre page de projets: https://www.urbanscape-architecture.com/projects/.

Blog rédigé par : Ana Belčič, Studio Miao

• Stefano Cascone (2019). Green Roof Design: State of the Art on Technology and Materials, Sustainability 11, 3020; doi:10.3390/su11113020

• Farrell, R.E. Mitchell, C. Szota, J.P. Rayner, N.S.G. Williams (2012). Green roofs for hot and dry climates: Interacting effects of plant water use, succulence and substrate, Ecological Engineering, Volume 49, Pages 270-276, DOI: 10.1016/j.ecoleng.2012.08.036

• Erlend Andenæsm Tore Kvande, Tone M. Muthanna and Jardar Lohne (2018) Performance of Blue-Green Roofs in Cold Climates: A Scoping Review, Department of Civil and Environmental Engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), NO-7491 Trondheim, Norway

• Joel Lönnqvist, Godecke-Tobias Blecken, Maria Viklander (2021). Vegetation cover and plant diversity on cold climate green roofs, Journal of Urban Ecology, Volume 7, Issue 1, juaa035, https://doi.org/10.1093/jue/juaa035

• Karen Liu, Bas Baskaran (2005) Thermal Performance Of Extensive Green Roofs In Cold Climates, World Sustainable Building Conference [Proceedings], Pp. 1-8, 2005-09-01

• Iana F. Grullón – Penkova, Jess K. Zimmerman, Grizelle González (2020) Green roofs in the tropics: design considerations and vegetation dynamics, Heliyon, Volume 6, Issue 8, e04712, ISSN 2405-8440, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04712.