En l'absence d'études scientifiques sur le comportement au feu des toitures végétalisées, des inquiétudes se posent quant à leur sécurité et à l'adéquation des mesures de protection existantes contre la propagation du feu. La province de Québec a publié le guide technique sur l'installation de ces toitures où la section sur la sécurité incendie est élaborée de manière très détaillée, en recueillant les règles de différentes sources, ce qui dans certains cas pose des limites pour la conception. Cette recherche visait à étudier les risques d'incendie que ces toits présentent et à analyser leurs performances dans des conditions extrêmes pour une meilleure compréhension des possibilités du feu et de l'importance des mesures de sécurité incendie. La conductivité thermique effective de substrat de croissance en fonction de la température pour les toitures végétalisées a été déterminée pour une utilisation dans des simulations numériques d'analyse de transfert de chaleur. Une série d’essais en laboratoire a été effectuée afin d'ajuster un modèle existant de calcul de la conductivité thermique des sols minéraux pour l'application sur des substrats de toitures végétalisées. Les résultats montrent une petite différence dans les valeurs mesurées et calculées, spécifiquement 1.07 et 0.9 W/(m·K), ce qui confirme la validité du modèle pour les substrats de toitures végétalisées. Le modèle a permis le calcul de la conductivité thermique en considérant séparément les matériaux organiques et inorganiques, ce qui facilite la détermination de cette propriété à différentes températures compte tenu de la décomposition de la matière organique entre 250 et 700 °C. L'analyse de décomposition thermique a également été effectuée pour obtenir des proportions de composants minéraux et organiques. Les résultats satisfaisants du test de validation et des simulations numériques montrent l'applicabilité de la conductivité thermique effective déterminée en fonction de la température pour les problèmes de transfert de chaleur. L'analyse de la propagation de la chaleur à travers le toit végétalisé a été réalisée afin d'évaluer le risque d'endommagement de la structure du toit par la chaleur lorsqu'une surface d'un toit végétalisé est exposée à des températures élevées. Plusieurs simulations numériques ont été effectuées pour déterminer les conditions dans lesquelles la défaillance du toit se produit. Un toit végétalisé extensif avec le substrat de croissance sec contenant 5% de matière organique a été pris pour la modélisation. Il a été constaté que le substrat de moins de 10 cm iv d'épaisseur à l'état sec peut protéger efficacement le platelage de toit, retardant la propagation de la chaleur. Un retard d'au moins 30 min est obtenu avec la couche de substrat de 3 cm d'épaisseur. L'effet de la porosité du substrat (entre 0.5 et 0.7) sur le temps de défaillance était faible et observable uniquement sous une charge thermique de 200 kW/m². Les caractéristiques d'inflammabilité des toitures végétalisées, telles que la vitesse de dégagement de chaleur, la densité de la charge combustible et le temps d'allumage ont été déterminés. Des mesures en laboratoire à l'aide d'un calorimètre à cône ont été effectuées sur les substrats de croissance de toit vert à l'état sec et humide. Les résultats ont montré que même à l’état sec, le substrat libère beaucoup moins d'énergie qu'une couverture de toiture typique en bitume modifié. Généralement, la performance des toits végétalisés en feu est meilleure qu'un toit typique en bitume. Le risque d'incendie des toits végétalisés pour les bâtiments adjacents a été analysé en termes d'exposition à la chaleur rayonnante produite par un incendie sur un toit vert. Les résultats des calculs montrent que la présence d'humidité dans les plantes réduit considérablement la distance sécuritaire entre le toit et la façade d’un bâtiment voisin et est le principal facteur de réduction des risques d'incendie. Il a également été montré qu’en raison du fait que le vent a un fort effet sur la propagation du feu, il est important de le considérer lors de la conception d'un toit vert. / In the lack of scientific studies on fire performance of green roofs concerns arise about their safety and the adequacy of existing protection measures against the spread of fire. Province of Quebec issued the technical guide on installation of such roofs where fire safety section is drawn up in considerable detail, collecting the rules from different sources, which in some cases poses limitations for design. This research aimed at investigating the fire risks that such roofs present and analyzing their performance in extreme conditions for better understanding of fire possibilities and the importance of fire safety measures. The effective thermal conductivity as a function of temperature of green roof growing media was determined for using in numerical simulations of heat transfer analysis. A series of laboratory measurements were conducted in order to adjust an existing model of calculation of thermal conductivity of mineral soils for the application to green roof substrates. The results show small difference in measured and calculated values, specifically 1.07 and 0.9 W/(m·K), that confirms the suitability of model for green roof substrates. The model allowed the calculation of thermal conductivity considering organic and inorganic materials separately, which facilitates the determination of this property at different temperatures considering the decomposition organic matter between 250 and 700 °C. The thermal decomposition analysis was also performed to obtain proportions of mineral and organic components. Satisfactory results of validation test and numerical simulations show applicability of predicted effective thermal conductivity as a function of temperature for heat transfer problems. The analysis of heat propagation through the green roof assembly was conducted in order to assess the risk of roof structure being damaged by heat when a surface of a green roof is exposed to elevated temperatures. Multiple numerical simulations were performed to determine conditions at which the roof failure occurs. Extensive green roof with dry growing media containing 5% of organic matter was taken for the modeling. It was found that the substrate of less than 10 cm thickness in dry state can effectively protect the roof deck, retarding the heat propagation. At least 30 min of retardation is achieved with the substrate layer of 3 cm thickness. The effect of porosity of the substrate (between 0.5 and 0.7) on time to failure was found to be small and noticeable only under heating load of 200 kW/m². vi Flammability characteristics of green roofs, such as heat release rate, fire load density and time to ignition was determined. Laboratory measurements using a cone calorimeter were conducted over the green roof growing media in dry and moist state. The results showed that even in dry condition the substrate releases much less energy compared to a typical roof covering made of modified bitumen. Generally, the performance of green roofs in fire is better than a typical bitumen roof. Fire risk of green roofs to adjacent buildings was analyzed in terms of exposure to the radiation heat produced by a fire on a green roof. The results of calculation show that the presence of moisture in plants greatly reduces safe distance to façade and is the main factor in reducing fire hazard. It was also shown due to the fact that the wind has a strong effect on fire spread it is important to consider it when designing a green roof.

L'urgence d'agir fait de plus en plus consensus sur l'ensemble de la planète face aux changements climatiques. En effet, les bâtiments engendrent chaque jour une importante quantité d'impacts dans l'environnement. À cet égard, l'enveloppe des bâtiments est un facteur primordial à prendre en considération dans la lutte contre les changements climatiques. Ce projet propose donc d'améliorer l'enveloppe au niveau de la toiture. Pour ce faire, l'objectif de cette étude est d'identifier le point de découplage entre les coûts et les bénéfices environnementaux des toitures végétalisées versus une toiture conventionnelle considérant un contexte de mix énergétique renouvelable et une région climatique nordique. Une analyse du cycle de vie comparative a été réalisé sur quatre assemblages de toitures, dont trois toitures végétalisées à savoir, extensive, semi-intensive et intensive et une toiture conventionnelle. Les toitures ont été étudiées sur les phases de production, de construction, d'utilisation et de fin de vie. Le logiciel EnergyPlusᵀᴹ a été utilisé pour quantifier la consommation d'énergie du bâtiment lors de la phase d'utilisation. Le transport entre chacune des phases a été pris en compte dans cette étude. Les données ont été collectées à partir de la base de données d'EcoInvent et ont été incorporées au logiciel SimaPro duquel les résultats ont été extraits. Les émissions CO₂ libérées par le bâtiment de référence avec chacune des toitures durant la phase d'utilisation et le taux de la séquestration carbone des végétaux plantés sur les toitures végétalisées ont été quantifier et intégrer dans une analyse du cycle de vie dynamique. Les résultats indiquent que l'écart des impacts environnementaux des changements climatiques accumulés à l'année 45 entre les toitures végétalisées extensive, semi-intensive et intensive versus la toiture conventionnelle est de -10,97%, -10,25% et -2,60%, respectivement. Ces résultats suggèrent que les systèmes de toitures végétalisées extensives et semi-intensives sont avantageuses par rapport à une toiture conventionnelle pour une durée de vie de 45 ans dans un contexte de climat froid. En ce qui concerne la toiture végétalisée intensive, elles ne sont ni avantageuses ni désavantageuses par rapport à une toiture conventionnelle. Ce projet fait progresser les connaissances concernant les apports environnementaux de la couverture végétale des toitures végétalisées dans un contexte climatique froid pour les futures constructions. / The urgency to act front climate change is becoming more and more unanimous around the world. Indeed, every day, a large amount of environmental impact is generated by buildings. In this regard, the building envelope is a key factor to consider mitigating climate change. This project proposes to improve the envelope building at the level of the roof. To do this, the aim of this study was therefore to identify the point of decoupling between the environmental cost and the environmental benefits of green roofs versus a conventional roof considering a context of renewable energy mix and a cold climate. A comparative life cycle assessment was performed in SimaPro where four roof assemblies were compared: three green roof systems, namely extensive, semi-intensive and intensive and a conventional roof. Roof assemblies were studied in the production, construction, use and end life phases. EnergyPlusᵀᴹ software was performed to quantify the building energy consumption during the use phase. Transportation between each phase, maintenance and carbon sequestration of the plants on the green roofs were also taken into account in this study. Data was collected from the EcoInvent database and was incorporated into the SimaPro software from which the results were extracted. The CO₂ emissions released by the reference building with each of the roofs during the use phase and the rate of carbon sequestration of the plants planted on the green roofs were quantified and integrated into a dynamic life cycle analysis. The results indicate that the difference in environmental impacts of climate change accumulated at year 45 between extensive, semi-intensive and intensive green roofs versus conventional roofing is -10.97%, -10.25% and -2.60%, respectively. These results suggest that extensive and semi-intensive green roof systems are advantageous over conventional roofing for a 45-year life span in a cold climate. As for the intensive green roof, they are neither advantageous nor disadvantageous compared to a conventional roof. This project advances knowledge regarding the environmental contributions of green roofing in a cold climate context for future constructions.

L'urbanisation est en croissance et empiète sur les terres agricoles, il est donc impératif de trouver de nouvelles méthodes de production. Les toits verts, utilisés pour pratiquer l'agriculture urbaine, gagnent en popularité. Cependant, les substrats de culture pour les toitures végétalisées doivent respecter plusieurs critères et leur composition a un impact sur les végétaux. Dans une optique de développement durable et d'économie circulaire, l'objectif de ce projet était de développer des substrats de culture faits de matériaux recyclés pour la production horticole sur toitures. Les essais ont eu lieu sur le toit vert expérimental de l'Université Laval où des substrats à base de brique concassée, de verre cellulaire et de paillis minéralisé, avec ou sans perlite, avec une base de sable et de mousse de tourbe, ont été évalués et comparés aux substrats commerciaux pour les toitures végétalisées ou un substrat horticole. Le rendement de la laitue, tomate, basilic et mini pak-choï a été comparé et l'évolution des paramètres physiques, chimiques et biologiques des substrats a été caractérisée dans le temps. Globalement, les rendements des cultures sur substrats à base de briques et de verre cellulaire ont été comparables ou supérieurs à ceux du substrat commercial pour toiture, à l'exception de la laitue en 2023. La présence de perlite dans le mélange à base de brique n'a pas eu d'effets sur les rendements pour toutes les cultures. Le substrat à base de verre cellulaire utilisé seul a surpassé le substrat à base de verre cellulaire et perlite en 2022 pour la tomate, la laitue et le basilic. Les substrats composés de paillis minéralisés n'ont généralement pas bien performé, probablement dû à leur pH élevé qui a pu affecter la disponibilité des nutriments. Ainsi, l'intégration de matériaux recyclés comme la brique concassée et le verre cellulaire dans les substrats de culture horticole pour les toits semble être une option prometteuse, offrant une stabilité et une bonne porosité en air. Le verre a également l'avantage d'être léger et a tendance à garder le substrat plus frais. / Urbanization is expanding and encroaching on agricultural land, making it crucial to discover new production methods. Green roofs, which are becoming increasingly popular, serve as a means of practicing urban agriculture. However, the composition of roof growing media has a significant impact on plant growth and productivity, and they must meet several criteria. The objective of this project was to develop growing media made from recycled materials for horticultural production on rooftops. The experiment was conducted on the green roof at Université Laval using growing media made of crushed brick, foamed glass, and mineralized mulch, with or without perlite, compared with commercial rooftop and horticulture growing media. The study compared the yield of lettuce, tomato, basil, and tiny bok choy, and characterized the evolution of physical, chemical, and biological parameters of the growing media over time. Overall, the yields in growing media made from bricks and foamed glass were comparable or superior to those of the commercial roof growing media, except for lettuce in 2023. The presence of perlite in the brick-based mix had no effect on yield for all crops. The foamed glass growing medium used alone outperformed the foamed glass and perlite growing medium in 2022 for tomato, lettuce, and basil. Growing media made of mineralized mulch did not perform well, likely due to their high pH, which might have affected nutrient availability. Therefore, incorporating recycled materials like crushed brick and cellular glass into horticultural substrates for roofs seems to be a promising option. These materials offer stability, good air porosity, and foamed glass is also lightweight, keeping the growing media cooler.