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Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2011

Langue

Français

Résumé

Le travail de couvreur a été classé comme l'un des travaux les plus dangereux, avec un taux de mortalité de 29 par 100 000 travailleurs (Toscano, 1997). Les couvreurs sont exposés à environ six fois plus de risques d'accidents graves et mortels que le travailleur moyen, les chutes étant les évènements mortels dans 75 % des cas (Ruser, 1995). Les lésions causées par ces chutes sont habituellement graves, exigeant de longues périodes de traitement et de convalescence occasionnant des frais médicaux importants. Les réglementations internationales sont claires; l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) stipule qu'il faut protéger les travailleurs exposés à un risque de chute de 1,8 mètre (OSHA, 1998) alors que le Code de sécurité pour les travaux de construction (S-2.1, r.6) et le Règlement sur la santé et la sécurité du travail (S-2.1, r.19.01) stipulent qu'il faut protéger les travailleurs exposés à un risque de chute de 3 mètres (S-2.1, r.6, 2001; S-2.1, r.19.01, 2001). Sur un plancher, le garde-corps est le moyen de protection collective contre les chutes le plus approprié (Lan, 2005). Il permet la mobilité et il dispense le travailleur du port d'un harnais et évite la pose d'ancrage pour les longes des travailleurs. La pose d'ancrages de 18 kN de résistance est toujours problématique, surtout pour les structures à charpente métallique légère, les édifices temporaires et/ou vétustes. Présentement, les couvreurs utilisent des garde-corps préfabriqués faits de membrures métalliques, installés à pied d'oeuvre en périmètre des toits plats. D'après l'Association des Maîtres couvreurs du Québec (AMCQ), ces garde-corps sont pratiques et conviennent bien aux travaux effectués sur les toits plats, mais ils n'ont jamais fait l'objet d'une vérification ou d'essais pour vérifier s'ils sont sécuritaires et conformes au Code de sécurité pour les travaux de construction (S-2.1, r.6). À la demande de l'AMCQ, la présente étude vise à vérifier, par calculs et par essais, si les trois modèles de garde-corps métalliques les plus utilisés par les couvreurs sont sécuritaires et rencontrent les exigences des articles 3.8.2 et 3.8.3 du S-2.1, r.6 pour assurer aux couvreurs une protection adéquate contre les chutes de hauteur.

Les principaux objectifs de l'étude visent donc à :

  1. vérifier si les trois modèles de garde-corps préfabriqués métalliques les plus utilisés par les couvreurs, installés à pied d'oeuvre en périmètre de toits plats, sont sécuritaires et rencontrent les exigences des articles 3.8.2 et 3.8.3 du Code de sécurité pour les travaux de construction du Québec pour assurer aux couvreurs une protection adéquate contre les chutes;
  2. valider les paramètres d'ancrage sur les toits plats et/ou définir ces paramètres;
  3. vérifier la capacité de ces trois garde-corps à retenir un torse de bois de 100 kg animé d'une vitesse de 2 m/s;
  4. étudier les principales caractéristiques du heurt le plus réaliste entre le travailleur et le garde corps.

Les démarches suivies comprenaient : 1) revue de littérature sur les garde-corps relative aux aspects normatif et réglementaire (Québec, Canada et États-Unis), consultation des guides existants de conception ou d'utilisation, notamment celui de la Construction Safety Associationof Ontario (CSAO) et protocole d'essais pour valider le garde-corps; 2) sondage de l'AMCQ auprès de ses membres pour déterminer les trois types de garde-corps les plus utilisés par les couvreurs sur les toits plats; 3) rencontre avec le(s) fabricant(s) de ces trois garde-corps pour colliger les caractéristiques géométriques et mécaniques des garde-corps, entre autres : les dimensions du montant, de la lisse supérieure, la portée caractéristique d'une section type de garde-corps, le(s) ancrage(s) des garde-corps et la méthode d'assemblage de chaque garde-corps sur les chantiers; 4) observations sur les chantiers de ces trois garde-corps pour relever les conditions d'installations détaillées aux chantiers lors des travaux de réfection des toits afin de reconstituer les mêmes conditions d'installation en laboratoire; 5) reconstitution au laboratoire d'une toiture type d'une charpente métallique légère industrielle, faite de deux sections de 20' x16' au Laboratoire Hydro-Québec de l'École Polytechnique suivant les règles de pratiques établies en charpente métallique avec un parapet du type sandwich, qui, d'après le milieu, est l'un des parapets les plus construits et qui serait le moins résistant; 6) des essais de résistance sur les trois garde-corps pour vérifier expérimentalement la résistance de composantes constituant le garde-corps (profilé tubulaire du montant, soudure, plaque d'appui, lisse supérieure); 7) essais sur les garde-corps installés tels qu'aux chantiers sur la toiture reconstituée pour vérifier leur conformité au Code de sécurité pour les travaux de construction du Québec d'après le protocole d'essais de l'IRSST; 8) essais dynamiques pour vérifier la capacité des garde-corps pour arrêter la chute d'un torse de bois à une vitesse de 2 m/s; 9) analyse des résultats en vue de formuler des recommandations.

Les principaux résultats de cette étude ont montré que :

  • Installés sur la bille de bois et sur le parapet sandwich neuf, les trois garde-corps rencontrent les exigences des articles 3.8.2 et 3.8.3 du Code de sécurité pour les travaux de construction du Québec, S-2.1, r.6; par conséquent, ils sont conformes au Code de sécurité pour les travaux de construction du Québec.
  • Les différents montages des garde-corps sur la bille de bois et sur le parapet dans les directions parallèle et perpendiculaire aux poutrelles ont permis de valider et de définir les paramètres d'ancrage des garde-corps sur toits plats.
  • Dans les essais statiques sur montant unique ancré à la bille de bois, nous avons observé la plastification de l'acier à la base du montant sous une charge horizontale inférieure à la charge prescrite de 900 N pour le garde-corps fabriqué par Alcor et Innovation Malenfant Inc. Dans tous les autres essais statiques, les montants de tous les garde-corps sont demeurés élastiques. Même si le cas de charge sur le montant unique est le cas de charge le plus critique, il faut en tenir compte car c'est un mode de rupture qui peut survenir au chantier.
  • Dans les essais dynamiques, où les garde-corps étaient ancrés au parapet, tous les garde corps ont résisté à l'impact du mannequin de 100 kg. Le mannequin est demeuré à l'intérieur de la toiture et les montants et lisses supérieures des garde-corps n'ont subi qu'un endommagement limité lors des essais dynamiques. La déformation horizontale à l'impact variait entre 172 mm et 286 mm selon le manufacturier et la configuration d'essais. La déformation résiduelle après l'impact variait entre 1 mm et 76 mm selon le manufacturier et la configuration d'essais. Les trois garde-corps sont donc capables de retenir un torse de bois de 100 kg animé d'une vitesse de 2 m/s sans abandon de la charge.

Ces résultats ont permis de faire les recommandations suivantes :

  • Le nombre limité des essais dynamiques n'a pas permis de colliger suffisamment les données expérimentales pour 1) définir le heurt réaliste le plus sévère d'une personne sur un garde-corps en prenant en compte la déformabilité du corps humain; 2) traduire ce heurt en termes mécaniques (recours à la biomécanique); et 3) traduire ce heurt en termes de sollicitations du garde-corps (les caractéristiques mécaniques du garde-corps et du corps humain doivent intervenir). Par conséquent, nous recommandons une étude subséquente pour mieux définir la dynamique de l'arrêt de chute par un garde-corps parce que les essais dynamiques avec le torse de bois de 100 kg sont des essais très sévères et ne reflètent pas la réalité de l'impact du travailleur sur la lisse supérieure.
  • Dans les essais statiques sur montant unique ancré à la bille de bois, nous avons observé la plastification de l'acier à la base du montant sous une charge horizontale inférieure à la charge prescrite de 900 N pour les garde-corps fabriqués par Alcor et Innovation Malenfant Inc. Dans tous les autres essais statiques, les montants de tous les garde-corps sont demeurés élastiques. Même si le cas de charge sur le montant unique est le cas de charge le plus critique, il faut en tenir compte car c'est un mode de rupture qui peut survenir au chantier. Par conséquent, nous recommandons que les fabricants Alcor et Innovation Malenfant Inc. choisissent comme montant un profilé légèrement plus résistant pour les nouveaux garde-corps. Outre la résistance accrue, les garde-corps auront une plus longue durée d'utilisation.
  • L'ensemble des résultats est valide pour les conditions d'essais décrits dans le document. Installés sur la bille de bois et sur le parapet neuf, les garde-corps rencontrent les exigences de S-2.1, r.6. Puisque la résistance de l'ensemble parapet/garde-corps dépend principalement de la résistance du parapet, nous recommandons fortement de vérifier l'état du parapet avant d'installer les garde-corps. Pour ce faire, nous pouvons utiliser une règle du pouce qui consiste à secouer le garde-corps pour évaluer sa résistance.

Abstract

Roofing work has been ranked as one of the most hazardous jobs, with a fatality rate of 29 per 100,000 workers (Toscano, 1997). Roofers are exposed to approximately six times more risk of serious and fatal accidents than the average worker, with falls being the fatal events in 75% of cases (Ruser, 1995). The injuries caused by these falls are usually serious, requiring long periods of treatment and convalescence resulting in significant medical costs. The international regulations are clear; the Occupational Safety and Health Administration (OSHA) stipulates that workers exposed to a risk of falling 1.8 metres must be protected (OSHA, 1998) while the Safety Code for the construction industry (S-2.1, r.6) and the Regulation respecting occupational health and safety (S-2.1, r.19.01) stipulate that workers exposed to a risk of falling 3 metres must be protected (S 2.1, r.6, 2001; S-2.1, r.19.01, 2001). On a floor, a guardrail is the most appropriate collective means of fall protection (Lan, 2005). It allows mobility and exempts the worker from wearing a harness and avoids the installation of anchors for the workers' lanyards. The installation of anchors with a resistance of 18 kN is always problematic, particularly for light metal structures, temporary and/or obsolescent buildings.

Currently, roofers use prefabricated guardrails made of metal structural members, installed on-site around flat roofs. According to the Association des Maîtres couvreurs du Québec (AMCQ, association of master roofers of Québec), these guardrails are practical and well suited to the work carried out on flat roofs, but have never been the subject of verification or tests to determine whether they are safe and comply with the Safety Code for the construction industry (S-2.1, r.6). At the request of the AMCQ, the current study aims to verify, by calculations and tests, whether the three models of metal guardrails most used by roofers are safe and meet the requirements of sections 3.8.2 and 3.8.3 of S 2.1, r.6 to ensure that roofers have appropriate protection against falls from heights.

The main objectives of the study are therefore to:

  1. Verify whether the three models of prefabricated metal guardrails most used by roofers, installed on-site around flat roofs, are safe and meet the requirements of sections 3.8.2 and 3.8.3 of the Quebec Safety Code for the construction industry to ensure that roofers have appropriate protection against falls;
  2. Validate the anchoring parameters for flat roofs and/or to define these parameters;
  3. Verify the capacity of these three guardrails to retain a 100-kg wooden torso having a speed of 2 m/s;
  4. Study the main characteristics of the most realistic impact between the worker and the guardrail.

The procedures followed included:

  • Review of the literature on guardrails relating to normative and regulatory aspects (Québec, Canada and United States), consultation of existing design or user guides, mainly that of the Construction Safety Association of Ontario (CSAO) and test protocol for validating guardrails;
  • Survey by the AMCQ of its members to determine the three types of guardrails most used by roofers on flat roofs;
  • Meeting with the manufacturer(s) of these three guardrails to collect the geometric and mechanical characteristics of the guardrails, including: the dimensions of the post, the top plate, the characteristic span of a typical section of guardrail, the guardrail anchor(s), and the method of assembly of each guardrail;
  • On-site observations of these three guardrails to identify the detailed installation conditions on the work sites during roof repair work in order to reproduce the same installation conditions in the laboratory;
  • Reconstruction in the laboratory of a typical roof for a light industrial metal structure made of two 20' x 16' sections at the Hydro-Québec laboratory of the École Polytechnique according to the established rules and procedures for metal structures with a sandwich type parapet, which, according to the industry, is one of the most commonly constructed parapets and the least resistant;
  • Strength tests on the three guardrails to verify experimentally the resistance of the components of the guardrail (tubular section of the post, weld, base plate, top plate);
  • Tests on the guardrails installed as on construction sites on the reconstructed roof to check their compliance with the Quebec Safety Code for the construction industry according to the IRSST's test protocol;
  • Dynamic tests to verify the capacity of the guardrails to stop the fall of a wooden torso at a speed of 2 m/s;
  • Analysis of the results in order to make recommendations.

The main results of this study showed that:

  • Installed on the block of wood and on the new sandwich parapet, the three guardrails meet the requirements of sections 3.8.2 and 3.8.3 of the Quebec Safety Code for the construction industry, S-2.1, r.6; as a result, they comply with the Quebec Safety Code for the construction industry.
  • The different guardrail assemblies on the block of wood and on the parapet in the directions parallel and perpendicular to the joists validated and defined the anchor parameters for guardrails on flat roofs.
  • In the static tests on a single post anchored to the block of wood, we observed plasticization of the steel at the base of the post under a horizontal load less than the prescribed load of 900 N for the guardrail manufactured by Alcor and Innovation Malenfant Inc. In all the other static tests, the posts of all the guardrails remained elastic. Even if the load case on the single post is the most critical load case, it must be taken into account because it is a failure mode that can occur on a worksite.
  • In the dynamic tests where the guardrails were anchored to the parapet, all the guardrails resisted the impact of the 100-kg wooden torso. The wooden torso remained within the perimeter of the roof, and the posts and top plates of the guardrails suffered only slight damage during the dynamic tests. The horizontal deformation on impact varied between 172 mm and 286 mm, depending on the manufacturer and test configuration. The residual deformation after impact varied between 1 mm and 76 mm, depending on the manufacturer and test configuration. The three guardrails were therefore able to retain a 100-kg wooden torso with a speed of 2 m/s without releasing the load.

These results led to the following recommendations:

  • The limited number of dynamic tests did not allow sufficient experimental data to be collected to 1) define the most severe realistic impact of a person on a guardrail by taking into consideration the deformability of the human body; 2) translate this impact into mechanical terms (use of biomechanics); and 3) translate this impact in terms of forces on the guardrails (the mechanical characteristics of the guardrail and the human body must be taken into consideration). As a result, we recommend a subsequent study to better define the dynamics of the fall arrest by a guardrail because the dynamic tests with the 100-kg wooden torso are very stringent tests and do not reflect the reality of the impact of a worker on the top plate.
  • In the static tests on a single post anchored to the block of wood, we observed plasticization of the steel at the base of the post under a horizontal load less than the prescribed load of 900 N for guardrails manufactured by Alcor and Innovation Malenfant Inc. In all the other static tests, the posts of all the guardrails remained elastic. Even though the load case on the single post is the most critical load case, it must be taken into account because it is a failure mode that can occur on a worksite. As a result, we recommend that the manufacturers Alcor and Innovation Malenfant Inc. choose for the post a slightly more resistant member for new guardrails. Besides the increased resistance, the guardrails will have a longer service life.
  • All of the results are valid for the test conditions described in the document.Installed on the block of wood and on the new parapet, the guardrails meet the requirements of S-2.1, r.6. Since the resistance of the parapet/guardrail assembly depends mainly on the resistance of the parapet, we strongly recommend that the parapet's condition be verified before the guardrails are installed. To do this, we can use a rule of thumb that consists of shaking the guardrail to evaluate its resistance.

ISBN

9782896315260

Mots-clés

Garde-corps, Railing, Travaux en toiture, Work on roofs, Dispositif d'amarrage, Anchoring device, Travaux de couverture, Roofing, Protection contre les chutes de hauteur, Protection against falls from heights, Article métallique, Metallic product, Essai du matériel, Equipment testing, Résistance des matériaux, Strength of materials, Évaluation des résultats, Evaluation of results, Agrément, Approval, Recommandation, Directive, Québec

Numéro de projet IRSST

0099-3740

Numéro de publication IRSST

RA-678

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