Construction Bois 2014 [PDF]

Zitiervorschau

Responsable du cours : Prof. A. KONIN

AVANT-PROPOS

Le document qui suit est le support de cours de Construction Bois dispensé aux étudiants de la filière Bâtiment et Urbanisme de l’ESTP. L’objectif de ce cours est d’initier les étudiants à la démarche de calcul des constructions en bois. On y présente des généralités relatives au matériau bois ainsi qu’aux moyens d’assemblages. Il inclut également les principes de conception, les normes de calcul utilisées et des exemples de calcul. Ce cours est orienté « Bâtiment » compte tenu du public visé. Cependant, les règles de calcul présentées peuvent s’appliquer au calcul des ponts en bois. Les cours de statique et de résistance des matériaux sont des prérequis indispensables à une bonne compréhension de ce cours. Les apprenants sont également invités à consulter les règles NV65 pour la prise en compte de l’action du vent sur les ouvrages en bois.

BIBLIOGRAPHIE 1- CB71 (1971) : Règles de calcul et de conception des charpentes en bois, Eyrolles, 2- GASC Y. et DELPORTE R. (1979) : Les charpentes en bois, Eyrolles, 3- EN 1995 (2004) : EUROCODE 5 – Conception et calcul des structures en bois, CEN, 4- CCB (2005) : Introduction au calcul des charpentes en bois, Ottawa, CCB, 5- CCB (2007) : Manuel de calcul des charpentes en bois, Ottawa, CCB, 6- Benoît Y., LEGRAND B. et TASTET V. (2008) : Calcul des structures en bois – guide d’application de l’Eurocode 5, Eyrolles, 7- CECOBOIS (2011) : Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois, Canada.

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SOMMAIRE CHAPITRE 1 : LE MATERIAU BOIS ............................................................................................................................................................................................ 1 1. INTRODUCTION ....................................................................................................................................................................................................................... 2 2. AVANTAGES ENVIRONNEMENTAUX DE LA CONSTRUCTION EN BOIS ............................................................................................................................................ 2 3. PROPRIETES DU BOIS.............................................................................................................................................................................................................. 3 3.1. Structure anatomique du bois...................................................................................................................................................................................... 3 3.2. Classification des arbres.............................................................................................................................................................................................. 4 3.3. Comportement ............................................................................................................................................................................................................. 4 3.4. Caractéristiques physiques.......................................................................................................................................................................................... 5 3.5. Caractéristiques mécaniques ...................................................................................................................................................................................... 8 4. DURABILITE ............................................................................................................................................................................................................................ 8 4.1. Importance de la prévention contre l’humidité............................................................................................................................................................. 8 4.2. Classes de risque biologiques ..................................................................................................................................................................................... 9 4.3. Traitement du bois ....................................................................................................................................................................................................... 9 5. PRODUITS DERIVES DU BOIS.................................................................................................................................................................................................... 9 5.1. Bois d’œuvre ................................................................................................................................................................................................................ 9 5.2. Bois d’ingénierie........................................................................................................................................................................................................... 9 6. DIMENSIONS COURANTES DES BOIS ....................................................................................................................................................................................... 10 CHAPITRE 2 : BASES DE CALCUL DES STRUCTURES EN BOIS........................................................................................................................................ 11 1. GENERALITES ....................................................................................................................................................................................................................... 12 2. ACTIONS ET COMBINAISONS D’ACTIONS ................................................................................................................................................................................. 12 2.1. Différentes catégories d’actions ................................................................................................................................................................................ 12 2.2. Combinaisons d’actions ............................................................................................................................................................................................. 13 3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES POUR LE CALCUL .............................................................................................................................................................. 13 3.1. Variabilité ................................................................................................................................................................................................................... 13 3.2. Résistances de calcul pour les bois massifs ............................................................................................................................................................. 14 3.3. Résistances de calcul pour les bois lamellé-collé ..................................................................................................................................................... 14 3.4. Aspect règlementaire ................................................................................................................................................................................................. 15 4. JUSTIFICATION DES SECTIONS ............................................................................................................................................................................................... 16 4.1. Principe ...................................................................................................................................................................................................................... 16 4.2. Conduite des justifications ......................................................................................................................................................................................... 16 CHAPITRE 3 : CALCUL DES ASSEMBLAGES SELON LE CB71 .......................................................................................................................................... 18 1. GENERALITES ....................................................................................................................................................................................................................... 19 2. ASSEMBLAGES TRADITIONNELS ............................................................................................................................................................................................. 19 3. ASSEMBLAGES CLOUES ........................................................................................................................................................................................................ 20 3.1. Clous (pointes) ........................................................................................................................................................................................................... 20 3.2. Principaux cas de cisaillement .................................................................................................................................................................................. 21 3.3. Justification des assemblages cloués ....................................................................................................................................................................... 22 3.4 Disposition des clous .................................................................................................................................................................................................. 22 4. ASSEMBLAGES BOULONNES .................................................................................................................................................................................................. 23 4.1. Prescriptions sur les boulons ..................................................................................................................................................................................... 23 4.2. Justification des assemblages boulonnés ................................................................................................................................................................. 23 4.3. Disposition des boulons ............................................................................................................................................................................................. 24 5. ASSEMBLAGES PAR CONNECTEURS (CRAMPONS)................................................................................................................................................................... 25 5.1. Généralités................................................................................................................................................................................................................. 25 5.2. Justification des assemblages avec des connecteurs .............................................................................................................................................. 25 6. DURABILITE DES ASEMBLAGES .............................................................................................................................................................................................. 27 6.1. Effet de l’humidité ...................................................................................................................................................................................................... 27 6.2. Résistance à la dégradation ...................................................................................................................................................................................... 28 6.3. Résistance au feu ...................................................................................................................................................................................................... 28 CHAPITRE 4 : SYSTEMES CONSTRUCTIFS ........................................................................................................................................................................... 29 1. GENERALITES ....................................................................................................................................................................................................................... 30 2. CHARPENTES NON ASSEMBLEES ........................................................................................................................................................................................... 30 3. CHARPENTE TRADITIONNELLE EN BOIS .................................................................................................................................................................................. 30 4. CHARPENTES A FERMETTES INDUSTRIELLES .......................................................................................................................................................................... 30 4.1. Généralités................................................................................................................................................................................................................. 30 4.2. Assemblage des éléments de fermettes ................................................................................................................................................................... 31 4.3. Contreventement et antiflambage ............................................................................................................................................................................. 31

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CHAPITRE 1 : LE MATERIAU BOIS

Ce chapitre présente le matériau bois et ses principales caractéristiques physico-chimiques et mécaniques.

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1. INTRODUCTION Dans la construction, le bois est utilisé principalement sous deux formes : 

Bois massif : il est utilisé surtout pour les éléments de charpente traditionnelle. Son dimensionnement et sa technologie relève surtout des habitudes régionales.



Bois reconstitué : il peut être fabriqué à partir de deux sous-produits tels que les sciures (ou des bois de moindre qualité) ou à partir de composants en bois (lamelles par exemple). On distingue : o

Les panneaux : ces produits de grand format sont constitués d’éléments de placage fins, de lames de bois, de particules ou de fibres, assemblés par collage, pressage et/ou thermo-durcissement d’un liant. De nombreux panneaux ont été mis au point en fonction de divers usages spécifiques.

Les poutres reconstituées : le bois Lamellé collé, ce sont des pièces constituées de lamelles de bois de faible épaisseur (de 33 à 45 mm), collées entre elles à l’aide de colles résorcine (par exemple). Cette technique permet d’obtenir des pièces de charpente plus résistantes et moins déformables 2. AVANTAGES ENVIRONNEMENTAUX DE LA CONSTRUCTION EN BOIS Dans un monde sensibilisé à l’environnement, le bois est un matériau de premier choix. Il a beaucoup à offrir pour améliorer la performance environnementale globale des bâtiments. L’utilisation du bois permet de réduire la trace environnementale en matière de consommation d’énergie, d’utilisation des ressources ainsi que de la pollution de l’air et de l’eau. Toutes les activités humaines ont des répercussions sur notre environnement immédiat et il est pratiquement impossible de construire un bâtiment n’ayant aucun impact écologique. C’est pourquoi les concepteurs et les constructeurs de bâtiments adoptent majoritairement des concepts de « construction écologique » et optent pour des solutions visant à réduire la consommation d’énergie, à favoriser l’emploi de matériaux renouvelables et à limiter la pollution causée par la fabrication des différents produits. L’analyse du cycle de vie quantifie les impacts qu’un produit, un procédé ou une activité a sur l’environnement au cours de sa vie, à l’aide d’une méthode reconnue scientifiquement. Elle considère l’ensemble des étapes allant de l’extraction des matériaux, la transformation, le transport, l’installation, l’utilisation, l’entretien jusqu’à l’élimination finale ou réutilisation (figure 1.1). L’analyse du cycle de vie des matériaux est un outil précieux pour quantifier le caractère écologique des projets de construction et soutenir les systèmes de certification environnementale des bâtiments.

Fig. 1.1 : Cycle de vie des matériaux de construction

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Une récente étude a permis de montrer que la poutre en bois d’ingénierie émet 6 fois moins de GES (Gaz à Effet de Serre) que celle en béton et environ 4 fois moins que celle en acier (figure 1.2). Le procédé de fabrication du bois de construction requiert moins d’énergie et est beaucoup moins polluant que d’autres matériaux ayant davantage d’impacts sur l’environnement. De plus, l’arbre séquestrant du CO2 dans le bois au cours de sa croissance, son bilan carbone total peut être considéré comme positif. L’utilisation du bois en contribue aussi à l’efficacité énergétique du bâtiment, car sa faible conductivité thermique permet de réduire efficacement les ponts thermiques dus à la structure.

Fig. 1.2 : Comparaison des émissions de GES dues à la fabrication d’une poutre de 7,3m supportant une charge de 14,4 kN/m

3. PROPRIETES DU BOIS Le bois, de par sa composition cellulaire, présente des propriétés uniques qui le distinguent des autres matériaux de construction. Ses propriétés anisotropes (qui diffèrent selon l’axe d’observation) et son hygroscopicité (aptitude à absorber l’humidité) affectent directement ses caractéristiques physiques et mécaniques. Quoi qu’elles soient inflammables, les constructions en gros bois d’œuvre offrent cependant de bonnes performances en cas d’incendie. 3.1. STRUCTURE ANATOMIQUE DU BOIS Le bois est un tissu végétal, assimilable à un matériau composite, formé de cellules, canalisant la sève brute. Une jeune tige comprend en son centre, une moelle qui disparaît souvent dans les organes âgés. Autour d’elle, se déposent, dans le cambium, les zones concentriques d’accroissement du bois (anneaux ligneux ou cernes), habituellement annuels (figure 1.3).

Fig. 1.3 : Coupe transversale du bois

Fig. 1.4 : Structure microscopique du bois

Les cernes sont constitués par des cellules plus ou moins effilées, différenciées à partir du cambium. Les unes ont de grandes ouvertures cellulaires (bois de printemps, bois initial), alors que les autres, en fin de cerne, ont des ouvertures étroites et des parois plus serrées (bois d’été, bois final) (figure 1.4). Dans une tige âgée, on distingue l’aubier, bois physiologiquement actif, perméable aux substances, moins dense, moins résistant que le duramen (bois parfait, bois de cœur) qui est un tissu mort, plus foncé, placé au centre du plan ligneux transversal.

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Le vieillissement d’un tronc se traduit par la transformation progressive de l’aubier en bois de cœur. La répartition relative de ces deux zones dépend de l’âge et de l’espèce. 3.2. CLASSIFICATION DES ARBRES Les arbres sont divisés en deux grandes classes : les gymnospermes (résineux ou conifères), et les angiospermes (feuillus). Les résineux présentent une organisation relativement simple et uniforme ; ils sont constitués de deux types de cellules, les trachéides et les cellules parenchymes. Les cellules longitudinales (trachéides) remplissent la double fonction de conduction et de soutien. Les parenchymes assurent la répartition et l'emmagasinement des substances. Le bois des feuillus présente dans sa structure une diversité beaucoup plus grande que les résineux et possède différents types de cellules (vaisseaux, trachéides et cellules parenchymes). Dans le bois des feuillus, il existe des vaisseaux spécialisés pour transporter la sève brute et des fibres assurant la résistance mécanique et de soutien. 3.3. COMPORTEMENT 3.3.1. Un matériau composite Le bois est un tissu végétal, assimilable à un matériau composite, formé de cellules, dont les membranes incrustées de lignine jouent un rôle de soutien. La lignine est la plus répandue, de toutes les substances qui créent la vie.

Fig. 1.5 : Schématisation de l’anatomie du bois 3.3.2. Un matériau anisotrope et hétérogène Le bois est un matériau hétérogène, constitué de fibres, ce qui explique son caractère anisotrope. Il a donc une direction privilégiée de résistance maximale. Les nœuds sont des anomalies fatales et inévitables dans les grumes, puisqu’elles sont liées à la présence de branches. Ses propriétés mécaniques et physiques varient selon le plan de coupe considéré : axial, radial ou tangentiel (figure 1.6).

Fig. 1.6 : Plans de débits des bois

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3.4. CARACTERISTIQUES PHYSIQUES 3.4.1. Variations dimensionnelles a)Taux d’humidité Les bois contiennent plus ou moins d’eau selon les essences, les conditions de croissance; cette teneur en eau varie aussi avec les saisons et les parties de l’arbre, le bois de cœur contenant moins d’eau que l’aubier, par exemple. Un bois à l’état vert peut contenir 100% et plus d’humidité composée d’eau libre qui remplit vaisseaux et cellules, d’eau de saturation qui imprègne les parois des cellules, et d’eau de constitution faisant partie intégrante des tissus. Un bois qui sèche perd d’abord son eau libre jusqu’à environ 30% (point de saturation) puis, au-dessous de cette teneur, son eau de saturation et de constitution. De 22% à 18%, on dit d’un bois qu’il est commercialement sec. Le taux d’humidité est donné par la relation :

H%  Dans laquelle:

Ph  Pa  100 Pa

Ph = poids de l’échantillon humide ; Pa = poids de l’échantillon à l’état anhydre.

Les qualifications commerciales normalisées des bois en fonction du taux d’humidité sont données dans le tableau ci-après : Tableau 1.1 : Qualifications normalisées des bois en fonction du taux d’humidité (NF B51-002)

Le taux d’humidité a une incidence :

   

Sur la conservation du bois : les pourritures diverses, qui entraînent la désagrégation du bois sous l’influence des champignons, les attaques de certaines bactéries ou insectes ne se développent qu’en milieu humide (plus de 20% d’humidité), Sur la tenue des pièces et assemblages : la variation du taux d’humidité induit des variations de dimensions (jeu des assemblages, travail du bois…). Les bois doivent donc être utilisés uniquement après avoir été amenés par séchage à un degré d’humidité d’équilibre voisin des conditions d’utilisation, Sur la résistance mécanique : un bois est d’autant plus résistant qu’il est sec, mais devient plus fragile, Sur sa déformabilité dans le temps, notamment le fluage.

Le degré d’humidité du bois dépend de son équilibre hygroscopique, c’est-à-dire de son aptitude à absorber l’humidité de l’environnement (figure 1.7).

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Fig. 1.7 : Courbe d’équilibre hygroscopique des bois b) Retractabilité C’est la propriété qu’ont les bois de diminuer de dimensions en perdant leur eau de constitution, au- dessous d’une teneur de 30% (Point de Saturation des Fibres – PSF) environ, en fonction de la diminution de cette teneur (figure 1.8). Le retrait est évalué à partir d’éprouvette dont on mesure la variation de volume entre l’état saturé et l’état anhydre : 𝑟(%) = 100 ∗

𝑉𝑠 − 𝑉𝑎 𝑉𝑎

Ce retrait varie selon la nature du bois : un bois dur a un fort retrait, tandis qu’un bois léger et tendre a un retrait plus faible. Les variations de dimensions, gonflement ou retrait selon l’humidité, diminuent sur des bois vieillis. Suivant le fil du bois, les variations de dimensions sont très faibles. Le retrait longitudinal est pratiquement négligeable alors que le retrait perpendiculaire (radial et tangentiel) est beaucoup plus important (figure 1.9).

Fig. 1.8 : Influence de la teneur en humidité sur les changements dimensionnels du bois Les valeurs de retrait suivantes sont indicatives :

  

Retrait tangentiel fort : Retrait radial faible : Retrait axial très faible :

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1% 0,5% 0%

Fig. 1.9 : Phénomène de retrait suivant le sens du bois

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c) Séchage des bois L’eau contenue dans les bois s’évapore à la surface de ceux-ci dans l’air ambiant; le séchage des bois est donc lié, d’une part, à la vitesse de cette évaporation superficielle et, d’autre part, à la circulation de l’eau contenue dans le matériau, des couches internes vers les faces externes. Des expériences qui ont été faites, on a pu déduire :

1. que cette circulation interne est maximum dans le sens axial (sens des fibres) 2.

qu’elle est bien plus faible dans le sens radial (sens du rayon)

3.

qu’elle est minimum dans le sens tangentiel (perpendiculaire au rayon)

4.

qu’elle diminue d’autant plus d’intensité que le bois considéré est plus dense, et que son degré hygrométrique devient plus faible,

5.

qu’elle est fortement accélérée par la chaleur, et, dans certains cas, par la dépression (vide),

6.

que l’évaporation superficielle est liée à la chaleur, à l’état hygrométrique et à la vitesse de l’air employé pour le séchage.

En général, pour le séchage artificiel et, dans certains cas, pour le séchage à l’air libre (grosses épaisseurs en été), si l’on ne prenait pas de précautions, l’évaporation superficielle deviendrait rapidement trop importante par rapport à la circulation de l’eau dans la matière et il en résulterait de sérieux inconvénients (fentes superficielles et internes, gerces, etc.). Dans un séchoir, on a intérêt à garder une température relativement élevée qui favorise l’évaporation, mais aussi la circulation d’eau intérieure; l’on peut agir surtout sur l’état hygrométrique de l’air employé. Le séchage se divise théoriquement en au moins deux phases: 

la première phase et la plus rapide étant celle pendant laquelle le bois perd son eau libre, de l’état vert à une teneur de 30% d’humidité environ,



et la deuxième phase, plus prolongée, qui permet de ramener la teneur en humidité de 30% au degré voulu. 3.4.2. Réaction au feu

Les charpentes en bois offrent une bonne résistance au feu. Le bois ne perd en effet que 10 à 15% de sa résistance totale sous l’effet de températures extrêmes générées par un incendie. De plus, au moment d’un incendie, une couche de carbonisation se forme autour des larges éléments de bois et protège le matériau central de la chaleur dégagée par les flammes (figure 1.10). Ce phénomène réduit la vitesse de carbonisation à environ 0,65 mm/min. après 45 minutes de combustion, une pièce de bois n’aura donc brûlé que d’environ 29 mm et le centre de la pièce gardera sa résistance. Le concepteur peut donc effectuer le dimensionnement des éléments porteurs en conséquence afin de fournir la résistance incendie recherchée.

Fig. 1.10 : Couche de carbonisation du bois

3.4.3. Cofficient de dilatation thermique Sa valeur moyenne est de 5.10-6 / °C dans la direction radiale, ce qui est inférieur aux valeurs rencontrées pour l’acier et le béton (11.10-6 / °C). Il en résulte, en général, que les effets des variations de température ne sont pas pris en compte dans les calculs statiques des ouvrages en bois : une élévation de température induit des dilatations thermiques mais elles sont en partie compensées par une baisse de taux d’humidité qui se traduit par une rétractabilité accrue.

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En outre, cette faible valeur favorise le bois lors d’un incendie : les parties échauffées se déplacent faiblement par rapport à leurs points d’appuis. La stabilité de la construction s’en trouve peu affectée. 3.4.4. Conductivité thermique Avec une conductivité thermique moyenne de  = 0,12 W/m°C, le bois est un très bon isolant thermique (voir tableau). Tableau 1.2 : Tableau comparatif des conductivités thermiques de différents matériaux

3.5. CARACTERISTIQUES MECANIQUES Les caractéristiques mécaniques du bois sont difficiles à déterminer en raison de la dispersion importante des résultats, provenant des variations de qualités dans la même essence, pour le même type d’arbre, dans la même pièce. Le caractère anisotrope du bois rend nécessaire la recherche des caractéristiques pour chaque direction d’effort par rapport à celle des fibres. Il en résulte que les calculs doivent prendre en compte la disposition du fil du bois par rapport aux sollicitations appliquées. Tableau 1.3 : Tableau des différents essais mécaniques

4. DURABILITE Pour assurer une durabilité convenable à une construction en bois, on doit tenir compte de nombreux facteurs mais aussi de leurs interactions. Les principaux critères pris en compte pour la conservation et la protection du bois sont :

  

la destination de la construction, les conditions prévisibles d’environnement, la forme des éléments et les dispositions constructives envisagées.

4.1. IMPORTANCE DE LA PREVENTION CONTRE L’HUMIDITE Le bois, matériau organique, peut être attaqué par des insectes, des champignons. Face à ce risque, les essences de bois ont des durabilités naturelles très variées. Il est toutefois important de noter que des bois dont l’humidité de service est inférieure à 20%, ne peuvent en aucun cas être altérés par des champignons. On cherchera donc, par des dispositions constructives décidées lors de la Construction Bois – A. KONIN

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conception, à limiter les contacts bois-sol, les problèmes de condensation… Toute zone où de l’eau est susceptible de s’accumuler, doit être drainée, les assemblages ne doivent pas complètement enfermer le bois. 4.2. CLASSES DE RISQUE BIOLOGIQUES La norme EN 335 définit des classes de risques biologiques et les zones de bois dites vulnérables. Dans le cadre de l’étude d’un projet, l’essence retenue doit avoir une durabilité naturelle, ou une durabilité conférée par traitement approprié, au moins dans la zone vulnérable. Des exemples de classes de risque sont indiqués dans le tableau ci-après. Tableau 1.4 : Différentes classes de risque biologiques du bois En intérieur Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4

Atmosphère toujours sèche Atmosphère humide Atmosphère humide avec risque de condensation Risque d’accumulation d’eau

En extérieur Toujours à l’abri Exposition directe aux intempéries Tout autre cas

4.3. TRAITEMENT DU BOIS Les pièces en contact ou encastrées dans la mçonnerie, ou bien exposées directement à l’humidité ou aux intempéries, doivent être systématiquement traitées. Le traitement consiste à faire pénétrer dans le bois des produits actifs, fongicides ou insecticides, capables d’empêcher l’éclosion, la prolifération ou le développement d’insectes ou de champignons destructeurs (NF EN 351 et 460). Le traitement peut être superficiel, pour des bois de charpente à protéger contre des insectes xylophages. Il peut être aussi profond, mis en place à l’autoclave, sous pression et sous vide. Le bois utilisé dans la construction comporte souvent de l’aubier, très sensible aux agressions biologiques. Il est donc souhaitable d’avoir recours à un traitement complet. 5. PRODUITS DERIVES DU BOIS 5.1. BOIS D’ŒUVRE Le bois d’œuvre est obtenu du sciage de la matière brute, suivi de certaines manipulations telles que le séchage, le rabotage ou le chanfreinage. Les résistances prévues et les modules d’élasticité du matériau devant être utilisés pour le calcul sont présentés pour chaque catégorie d’essence dans une norme. Ces propriétés mécaniques ont généralement été obtenues par des tests de résistance sur l’essence la moins performante de chaque combinaison et par des ajustements liés à certains facteurs pénalisants susceptibles de diminuer sa fiabilité. 5.2. BOIS D’INGENIERIE Les bois d’ingénierie sont des produits à valeur ajoutée fabriqués à partir de petites sections de bois. Ils permettent une optimisation de la matière et un meilleur contrôle du produit fini. On trouve plusieurs types de gros bois d’ingénierie en Côte d’Ivoire, dont le bois lamellé-collé (BLC) et le bois de charpente composite (SCL). Ces produits allient l’esthétique aux propriétés structurales. Leur utilisation est permise lorsqu’une construction en gros bois d’œuvre est autorisée dans la réglementation du bâtiment. Leur usage est maintenant répandu et les détails techniques sont inclus dans les normes de calcul. Le bois lamellé-collé et le bois de charpente composite sont décrits brièvement dans les prochaines sections. 5.2.1. Bois lamellé-collé Le bois lamellé-collé (BLC) (glued-laminated timber ou GL) est composé d’un empilage de pièces de bois rabotées et aboutées, puis collées sous presse avec un adhésif hydrofuge. Il permet des sections droites ou courbes au dimensionnement précis et quasi infi ni. Le BLC possède une meilleure stabilité dimensionnelle que les pièces en gros bois d’œuvre. Il est utilisé comme poutre, colonne ou Construction Bois – A. KONIN

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arche dans des longueurs limitées principalement par le transport. Le bois lamellé-collé se divise en deux catégories, le bois lamellécollé homogène (GLH) obtenu à partir d’une classe de lamelles de bois, et le bois lamellé-collé combiné (GLC), obtenu à partir de lamelles de bois de classes différentes. 5.2.2. Bois de charpente composite Les bois de charpente composites (structural composite lumber ou SCL) sont une famille de bois d’ingénierie structuraux fabriqués à partir de collage de placages ou de copeaux de bois au moyen d’un adhésif hydrofuge formant des éléments pleins, semblables au bois de sciage traditionnel. Ces produits servent à substituer l’utilisation d’éléments de bois traditionnels comme les solives, poutres, longerons, linteaux et colonnes. Les bois de charpente composites doivent être fabriqués et évalués conformément à la norme américaine ASTM D5456 et se divisent en trois principales catégories (figure 1.11).

a) Bois de placage stratifiés 6. DIMENSIONS COURANTES DES BOIS

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b) Bois à copeaux parallèles Fig. 1.11 : Bois de charpente composite

c) Bois de longs copeaux laminés

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CHAPITRE 2 : BASES DE CALCUL DES STRUCTURES EN BOIS

Ce chapitre présente les bases de calcul, actions, combinaisons d’actions, exigences de calcul suivant le CB71. Attention, il ne se veut pas exhaustif et seul un recourt au règlement complet permettra de traiter des situations plus complexes…

s

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1. GENERALITES Le calcul d’une structure en bois fait appel à divers règlements dont: 

Règles définissant les effets du vent sur une construction, dites Règles NV 65 modifiées 1980



Règles de calcul et de conception des charpentes en bois, dites Règles CB71



Guide pratique de conception et de mise en œuvre des charpentes en bois lamellé-collé

Les facteurs affectant la conception d’une construction en bois sont :

  

La sécurité structurale de l’ossature : Il s’agit de s’assurer que les contraintes développées dans chaque élément de la structure respectent les valeurs limites réglementairement fixées, L’aptitude au service de la construction : Il s’agit de s’assurer que les déformations (flèches, tassements différentiels, etc.) des différentes pièces demeurent inférieures aux seuils fixés. La prise en compte de l’économie de la construction et de l’impact de l’ouvrage sur l’environnement.

La méthodologie de dimensionnement est schématisée ci-dessous :

Fig. 2.1 : Démarche de dimensionnement d’une structure en bois 2. ACTIONS ET COMBINAISONS D’ACTIONS 2.1. DIFFERENTES CATEGORIES D’ACTIONS Les actions sont les forces et couples dus aux charges et aux déformations imposées à la construction. On distingue : Tableau 2.1 : Différentes catégories d’actions dans la construction Notation

Actions dues aux

G

Charges permanentes (poids propre des éléments, poids des équipements fixes)

Q

Charges d’exploitation

Q∞

Charges d’exploitation de longue durée

Qc

Charges climatiques (vent normal et pluie normale)

Qce

Charges climatiques extrêmes (vent extrême et pluie extrême)

Pc∞

Charges climatiques de pluie de longue durée (précisées par le marché)

SI

Surcharges instantanées (actions sismiques, chocs de véhicules, etc.)

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Le règlement distingue les charges suivant leur durée d’application, étant donné que le bois est extrêmement sensible au phénomène de fluage. La vérification des éléments de la structure, pris individuellement, et de la structure globalement, consiste à s’assurer que la stabilité sera garantie sous toutes les combinaisons d’actions possibles, sans translation (soulèvement ou ripage) ni rotation (renversement ou pivotement). 2.2. COMBINAISONS D’ACTIONS Les règles CB71 proposent les combinaisons d’actions listées dans le tableau ci-dessous : Tableau 2.2 : Combinaisons d’actions suivant le CB71 Combinaison d’actions 1er

2ème

genre

genre

Quantités ne devant pas être dépassées

𝑆1 = 𝐺 + 1,2 ∙ 𝑄

Les contraintes admissibles

𝑆1′

Les contraintes admissibles

= 𝐺 + 𝛾𝑄 ∙ 𝑄 + 𝑄𝑐

𝑆1" = 𝜃 ∙ (𝐺 + 𝑄∞ + 𝑄𝑐∞ ) + (𝑄 − 𝑄∞ ) + (𝑄𝑐 − 𝑄𝑐∞ )

Les limites de déformation

𝑆2 = 1,1 ∙ 𝐺 + 1,5 ∙ 𝑄 + 𝛾𝑐𝑒 ∙ 𝑄𝑐𝑒

Les limites élastiques conventionnelles

𝑆2′

Les limites élastiques conventionnelles

= 0,9 ∙ 𝐺 + 𝛾𝑐𝑒 ∙ 𝑃𝑐𝑒

𝑆2" = 𝐺 + 𝑄 + 𝑆𝐼

Les limites élastiques conventionnelles

Les combinaisons d’actions du 1er genre peuvent être apparentées :

 

Pour S1 et S’1 à des états limites ultimes de rupture à long terme, Pour S”1 à des états limites de service prenant en compte les effets de fluage.

Les combinaisons d’actions du 2ème genre sont apparentées à des états limites ultimes dans des cas d’actions sévères de courte durée (en construction par exemple). Elles ne font pas intervenir les phénomènes de fluage.



Dans S’1:  Q prend la valeur la plus défavorable 0 ou 1,



Dans S”1:  



du module de déformation différée Dans S2:  ce = 0 si les effets de G et Q sont opposés à l’effet de Qce et 1,1 dans le cas où G, Q et Qce produisent des effets agissant dans le même sens,



Dans S’2:

Ei  1 est un coefficient de fluage. C’est le rapport du module de déformation instantané et E

 ce = 1,1.

3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES POUR LE CALCUL 3.1. VARIABILITE Le bois étant un matériau naturel, ses caractéristiques sont moins homogènes que celles d’un matériau produit industriellement. La variabilité de ses caractéristiques physiques et de ses propriétés mécaniques a conduit vers l’adoption de différentes classes de bois établies selon des données empiriques. On retrouve le bois classé visuellement (selon la norme NF B 52-001), qui regroupe la plus grande part de la production actuelle, et le bois classé par contrainte ou résistance mécanique (selon l’EN 338). Le classement mécanique permet de mieux évaluer les propriétés mécaniques du matériau et, donc, d’établir des classes de résistance plus précises telles qu’on les retrouve dans les règles CB71. Les valeurs des résistances de calcul données dans les tableaux ci-dessous ont été établies pour des humidités de référence correspondant :

 

Pour les bois massifs, l’humidité de référence est de 15%, Pour les bois lamellé-collé, l’humidité de référence est de 12%.

Construction Bois – A. KONIN

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Lorsque le bois n’est pas à l’humidité de référence, il est nécessaire d’appliquer un coefficient d’humidité C H aux valeurs des contraintes admissibles des tableaux ci-après afin d’obtenir la valeur de la contrainte admissible correspondant à l’humidité du bois. La valeur du coefficient à appliquer selon l’humidité (H) du bois est : 

Compression, cisaillement, traction transversale

: CH = 1,48 - 0,04∙H



Flexion et traction axiale

: CH = 1,24 - 0,02∙H

3.2. RESISTANCES DE CALCUL POUR LES BOIS MASSIFS En fonction des défauts (présence de nœuds, de flaches, etc.) et des altérations biologiques (attaque par les champignons), le bois est classé, suivant la norme NF B 52-001 en trois classes :

  

Les bois de 1ère catégorie notés ST-I : correspondant aux bois de 1er choix (meilleure catégorie), Les bois de 2ème catégorie notés ST-II : il s’agit des bois de 2ème choix, Les bois de 3ème catégorie notés ST-III : ce sont les bois de 3ème choix (la moins bonne).

La correspondance entre la norme NF B 52-001 et l’EN 338 est indiquée dans le tableau ci-dessous. Le dimensionnement des structures en bois se fait conformément aux règles CB71 ou EC5. En cas d’utilisation des règles CB71, les contraintes admissibles à prendre sont celles définies par la norme NF P 21-400. Pour l’utilisation des règles EC5, les contraintes caractéristiques à utiliser sont celles définies par la norme NF EN 338. Tableau 2.3 : Contraintes admissibles des bois massifs en MPa (produits non certifiés) Symbole Flexion statique Traction axiale Traction transversale Compression axiale Compression transversale Cisaillement longitudinal Module axial Module de cisaillement Densité moyenne

m t,0 t,90 c,0 c,90  Ef EG m

C18 (ST-III) 8,0 5,0 0,13 8,5 2,1 0,9 8°000 500 380

C22 10,0 6,0 0,2 9,0 2,2 1,1 9°000 550 410

Bois résineux C24 C27 (ST-II) 11,0 12,0 6,5 7,0 0,2 0,2 9,5 10,0 2,3 2,5 1,1 1,2 10°000 10°500 600 650 420 450

C30 (ST-I) 13,2 8,0 0,2 10,5 2,5 1,3 11°000 700 460

D30 2 13,2 7,9 0,3 10,1 3,5 1,3 9°000 550 640

Bois feuillus D35 D40 1 15,4 17,6 9,2 10,5 0,3 0,3 11,0 11,4 3,7 3,9 1,5 1,7 9°000 10°000 600 650 670 700

3.3. RESISTANCES DE CALCUL POUR LES BOIS LAMELLE-COLLE 3.3.1. Classes de résistances mécaniques Les classes de résistances mécaniques des éléments en bois lamellé-collé sont définies à partir des classes de résistances des lamelles, de la manière suivante : Tableau 2.4 : Classes de résistances des lamelles Classe de résistance du bois lamellé-collé

GL24

GL28

GL32

Bois lamellé-collé homogène Bois lamellé-collé panaché

C24

C30

C40

C24 C18

C30 C24

C40 C30

 

Lamelles extérieures : Lamelles intérieures :

3.3.2. Résistances de calcul suivant le CB71 Le dimensionnement des poutres en bois lamellé-collé se fait conformément aux règles CB71 ou EC5. En cas d’utilisation des règles CB71, les contraintes admissibles à prendre sont celles définies par la norme NF P 21-400. Pour l’utilisation des règles EC5, les contraintes caractéristiques à utiliser sont celles définies par la norme NF EN 1194.

Construction Bois – A. KONIN

15

Tableau 2.5 : Contraintes admissibles des bois lamellé-collé en MPa (produits certifiés) Symbole m t,0 t,90 c,0 c,90  Ef EG

Flexion statique Traction axiale Traction transversale Compression axiale Compression transversale Cisaillement longitudinal Module axial Module de cisaillement Densité moyenne

m

Bois lamellé collé homogène GL24h GL28h GL32h GL36h 11,4 13,3 15,2 17,1 7,9 9,3 10,7 12,4 0,2 0,2 0,2 0,3 11,4 12,6 13,8 14,8 2,6 2,8 3,2 3,4 1,3 1,5 1,8 2,0 11°600 12°600 13°700 14°700 720 780 850 910 440 480 520 560

Bois lamellé collé combiné GL24c GL28c GL32c GL36c 11,4 13,3 15,2 17,1 6,7 7,9 9,3 10,7 0,2 0,2 0,2 0,2 10,0 11,4 12,6 13,8 2,2 2,6 2,8 3,2 1,0 1,3 1,5 1,8 11°600 12°600 13°700 14°700 590 720 780 850 420 460 500 540

3.4. ASPECT REGLEMENTAIRE Le CB71 donne les contraintes admissibles en fonction de la sollicitation, contrainte à pondérer en fonction de l’humidité du bois (cH) et de la direction principale (c) de la sollicitation : 𝜎 ≤ 𝑐𝐻 ∙ 𝑐𝛼 ∙ 𝜎̅ Les vérifications se faisant aux contraintes admissibles, il est conseillé d’effectuer le dimensionnement de l’ouvrage à la déformation. Il est à noter que la déformation due au fluage n’est prise en compte qu’à la flexion et est négligée en traction – compression. Dans le cas de cette dernière sollicitation, le flambement est à prendre en compte. Le principe de calcul des déformations est développé ci-après :

Fig. 2.2 : Principe de calcul des déformations Remarque : Ce calcul est équivalent au calcul de la flèche totale en utilisant les données suivantes :

 

E = Ei, Charge totale 𝑝 = 𝑝𝑖 + 𝜃 ∙ 𝑝∞

Le coefficient de fluage  est calculé en fonction de :

 

𝜎̅𝑚 : contrainte admissible de flexion, 𝑀 ℎ 𝜎𝑟∞ = 𝐼∞ ∙ 2 : contrainte sous les charges de longue durée, M moment sous les charges de longue durée (p),

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  

H : différence entre le maximum et le minimum des humidités dans le bois entre la mise en œuvre et la stabilisation des déformations, H: humidité du bois lors de sa mise en œuvre. ̅𝑚 𝜎 Si 𝜎𝑟∞ ≤ alors  = 1



Si

5

̅𝑚 𝜎 5

≤ 𝜎𝑟∞ ≤ 𝜎̅𝑚 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝜃 = 1 +

𝐻+∆𝐻 15 ∆𝐻−5 1+ 20

∙

̅ 𝜎 𝜎𝑟∞ − 𝑚 5

̅𝑚 𝜎

Les flèches admissibles sont définies en fonction de la destination de l’ouvrage comme indiquées ci-après :

   

𝐿 150 𝐿 200 𝐿 300

pour les parties d' ouvrages en console sans circulation (auvents), pour les pièces de couvertures (sauf pannes),

pour les parties d' ouvrages en console avec circulation, les pannes, les supports d' éléments en verre poteaux, les éléments fléchis ne supportant pas d’éléments de remplissage, 𝐿 pour les éléments fléchis supportant des éléments de remplissage. 400

les

4. JUSTIFICATION DES SECTIONS 4.1. PRINCIPE Une fois la géométrie des structures définie par un calcul de déformation ou par des considérations architecturales, la justification se fait aux contraintes admissibles, à savoir :

 

Pour les combinaisons du 1er genre : 𝜎 ≤ 𝑐𝐻 ∙ 𝑐𝛼 ∙ 𝜎̅ Pour les combinaisons du 2nd genre : 𝜎 ≤ 𝑐𝐻 ∙ 𝑐𝛼 ∙ 𝜎𝑒 où σe est la limite élastique conventionnelle

Avec : Compression axiale

Traction axiale

Flexion suivant le fil du bois

Cisaillement, traction et compression transversales

𝜎𝑒 = 1,5 ∙ 𝜎̅

𝜎𝑒 = 2,25 ∙ 𝜎̅

𝜎𝑒 = 1,75 ∙ 𝜎̅

𝜎𝑒 = 1,5 ∙ 𝜎̅

4.2. CONDUITE DES JUSTIFICATIONS 4.2.1. Traction axiale et transversale On doit vérifier que : 𝜎 =

𝑁

≤ 𝑐𝛼 ∙ 𝜎̅𝑡

𝐴

Où A est la section nette (déduction faite des trous) et c un coefficient de réduction tenant compte de l’inclinaison de l’effort par rapport au fil du donné dans le tableau ci-après : Tableau 2.6 : Coefficient de réduction en fonction de l’inclinaison des charges en traction axiale  (°) ST-I ST-II

0 1,00 1,00

10 0,67 0,73

20 0,34 0,41

30 0,20 0,24

40 0,13 0,16

50 0,09 0,12

60 0,07 0,10

70 0,05 0,08

80 0,06 0,08

90 0,06 0,075

4.2.2. Compression axiale et transversale 1

𝑁

𝑘

𝐴𝑏

On doit vérifier : 𝜎 = ∙

≤ 𝑐𝛼 ∙ 𝜎̅𝑐,0

Avec :

    

Ab est la section brute sous réserve que la réduction de section due à la présence de boulons ou d’autres assemblages soit inférieure à 15%, k est un coefficient d’amplification de contrainte qui prend les valeurs suivantes, en fonction de l’élancement  : si λ ≤ 37,5 alors k = 1 : pas de risque de flambement, 37,5 < λ ≤ 75 alors k = 1,45 - 1,20∙λ / 100, 75 < λ ≤ 120 alors k = 3100 / λ².

Pour réduire la longueur de flambement d’une pièce comprimée, on peut prévoir des dispositifs de blocage tels que:

 

Des panneaux de fibres compressées, Des bacs de couverture, à condition que les ondes soient perpendiculaires à la barre comprimée,

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17

  

Des couvertures en tuile (dans le cas des pannes seulement), Des lisses ou des pannes, Des barres anti-flambement.

Les lisses, pannes ou barres anti-flambement doivent être reliées à des points fixes tels que : murs de refend, poutres de contreventement, palées de stabilité, etc. 4.2.3. Flexion simple On doit vérifier : 𝜎 =

𝑀 𝐼

ℎ

∙ ≤ 𝑐 ∙ 𝜎̅𝑚 2

Où :

 

h est la hauteur de la section droite, I le moment quadratique de la section c un coefficient qui traduit l’influence de la hauteur de la pièce (voir tableau 2.7)

Tableau 2.7 : Valeurs du coefficient c h (cm)

30

26

23

20

18

15

11

8

6

5

4

3

2

C

0,80

0,85

0,90

0,93

0,98

1

1,1

1,2

1,3

1,45

1,6

1,8

2

Il est à noter que le CB71 conseille de prendre le déversement en compte si le rapport hauteur sur largeur est supérieur à 5 (ℎ/𝑏 > 5) mais ne suggère aucune méthode de calcul. On préfèrera des solutions technologiques telles l’utilisation d’entretoises qui

diminuent la portée libre. 4.2.4. Flexion déviée

 

si   5°30’ (pente inférieure à 10%), on néglige la composante p1, si   5°30’, on majore les charges par le biais d’un coefficient  : 𝛽 = cos 𝛼 + (ℎ/𝑏) ∙ sin 𝛼

Et on se ramène à un calcul en flexion simple.

4.2.5. Flexion composée



Flexion composée avec effort normal de traction

On doit vérifier : 𝜎𝑡 𝜎𝑚 + ≤1 𝜎̅𝑡 𝜎̅𝑚 Les contraintes étant déterminées comme dans les paragraphes 4.2.1 et 4.2.3.



Flexion composée avec effort normal de compression

On doit vérifier : 𝑘∙

𝜎𝑐 𝜎𝑚 + ≤1 𝜎̅𝑐 𝜎̅𝑚

Les contraintes étant déterminées comme dans les paragraphes 4.2.2 et 4.2.3. 4.2.6. Cisaillement longitudinal On doit vérifier :



1,5  T v b  hu

hu étant la hauteur utile de la pièce (hauteur totale s’il n’y a pas de trou de perçage; distance à l’axe du trou dans le cas contraire).

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CHAPITRE 3 : CALCUL DES ASSEMBLAGES SELON LE CB71

Ce chapitre présente les bases de calcul des assemblages des charpentes en bois. Trois modes d’assemblages sont présentés

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1. GENERALITES Un assemblage est un dispositif qui permet de réunir et de solidariser plusieurs pièces entre elles en assurant la transmission et la répartition des diverses sollicitations entre les pièces, sans générer de sollicitations parasites, notamment de torsion. La performance d’un assemblage est tout d’abord caractérisée par sa résistance, sa rigidité et sa ductilité qui assurent un comportement adéquat sous les charges statiques ou dynamiques. De plus, la stabilité dimensionnelle et la résistance à la dégradation des assemblages garantissent la pérennité des constructions en bois. Le comportement au feu est aussi un attribut important qui influence la stabilité de l’ouvrage en cas d’incendie. D’autres critères de conception comme la facilité de mise en œuvre, la simplicité, l’esthétisme et le coût peuvent également guider le choix d’un assemblage. On exige d’un assemblage idéal qu’il transmette les efforts de façon satisfaisante, sans déformation excessive, tout en conservant assez de souplesse pour que la déformation maximale en service soit atteinte avant la rupture fragile de l’élément en bois. Le choix d’un assemblage est fait en fonction du type et de l’intensité du chargement auquel il sera soumis. Selon le cas, un assemblage doit être en mesure de transmettre des efforts de compression, de traction, de cisaillement et/ou de flexion. La figure 3.1 présente différents modes d’assemblages adaptés au type d’effort et à la géométrie envisagée. Quoique ces différentes options soient possibles, il est recommandé pour les structures en bois de favoriser les assemblages en compression pour obtenir un comportement ductile. L’usage des assemblages en flexion est à éviter autant que possible, car ils génèrent fréquemment des contraintes en traction perpendiculaire au fil du bois qui risquent de causer de la fissuration.

Fig 3.1 : Configuration des assemblages selon le type d’effort Il existe différents d’assemblages suivant les pièces en contact. On distingue : 

Les assemblages bois sur bois, ce sont les assemblages traditionnels,



Les assemblages réalisés au moyen d’organes d’assemblages.

2. ASSEMBLAGES TRADITIONNELS Les charpentes, jadis, étaient exécutées avec des assemblages traditionnels. Malgré les exemples de belles charpentes anciennes achevées et pérennes, ces solutions présentent de majeurs inconvénients limitatifs quant à leur domaine d’emploi. Ces assemblages conduisent à des systèmes relativement déformables, sensibles aux efforts dissymétriques ou latéraux (action du vent, tassement des appuis, etc.).Ces techniques d’assemblage sont basées sur la bonne capacité du bois à transmettre des forces en compression, mais utilisent aussi des moyens tels les goujons en bois, pour supporter un inversement des charges. Ces assemblages peuvent ainsi transmettre des efforts allant de faibles à modérés. Comme ces méthodes nécessitent l’enlèvement d’une quantité assez importante de bois au joint, elles peuvent exiger l’utilisation de pièces de bois de forts équarrissages. Construction Bois – A. KONIN

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La figure ci-dessous présente différentes solutions d’assemblages traditionnels.

Fig. 3.2 : Différents types d’assemblages traditionnels 3. ASSEMBLAGES CLOUES 3.1. CLOUS (POINTES) Un clou (ou pointe) est constitué d’une tête, d’une tige et d’une pointe. Ces trois éléments diffèrent selon les clous. Ainsi, on distingue plusieurs types de clous suivant la forme de sa tige et la forme de sa pointe.

On distingue ainsi :

Clou lisse : c’est le type de clou le plus courant, sa tige est ronde et lisse. Sa pointe peut être diamant ou biseautée. Clou annelé : c’est un type de clou dont la tige est constituée d’anneaux convexes. Il est très résistant à l’arrachement. Le diamètre de ce clou est mesuré sur la partie lisse de la tige. Clou torsadé : c’est un type de clou dont la tige est torsadée et carrée. Il est très résistant à l’arrachement. Son diamètre est mesuré sur les arêtes. Clou cranté : c’est un type de clou dont la tige est dentée. Il est très résistant à l’arrachement Fig. 3.3 : Principaux types de clous Les pointes sont des tiges métalliques de plus grande dimension que les clous. Les dimensions courantes des pointes sont données dans le tableau ci-après :

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21

Tableau 3.1 : Dimensions courantes des pointes

Les pointes ne peuvent supporter que des sollicitations de cisaillement. Un clou sera sollicité au simple cisaillement, au cisaillement mixte ou au double cisaillement suivant le nombre de plan de cisaillement traversés par le clou et la profondeur de pénétration du clou au-delà du dernier plan de cisaillement traversé. 3.2. PRINCIPAUX CAS DE CISAILLEMENT Les principaux cas de cisaillement se présentent comme suit :

e : épaisseur de l’élément le plus mince p:

profondeur

de

pénétration dans le dernier élément

Cas du simple cisaillement : chaque clou ne traverse qu’un plan de cisaillement

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3.3. JUSTIFICATION DES ASSEMBLAGES CLOUES Pour les bois résineux, l’effort maximal que peut reprendre un clou est donné par : Cisaillement simple

Cisaillement mixte

Double cisaillement

𝐹 ≤ 0,8 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 1,3 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 2 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

Avec : F Effort repris par clou en daN

d

e

Ft

Diamètre du clou

Epaisseur de l’élément

Effort

en 1/10ème de mm

le plus mince en cm

l’assemblage en daN

repris

n dans

Nombre de clous

Remarque : Pour les bois feuillus, les valeurs de F doivent être multipliées par 1,3. 

Il faut également prendre en compte l’effet de groupe, à savoir que plus il y a de pointes et plus l’effort diminue par pointe. Un coefficient correcteur kn est à appliquer suivant le nombre de pointes n de l’assemblage :



o

𝑆𝑖 𝑛 < 10

o

𝑆𝑖 10 ≤ 𝑛 < 20 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑘𝑛 = 0,9 𝑒𝑡 𝐹𝑡 = 0,9 ∙ 𝑛 ∙ 𝐹

o

𝑆𝑖 𝑛 ≥ 20

𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑘𝑛 = 1

𝑒𝑡 𝐹𝑡 = 𝑛 ∙ 𝐹

𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑘𝑛 = 0,8 𝑒𝑡 𝐹𝑡 = 0,8 ∙ 𝑛 ∙ 𝐹

Afin de prendre en compte l’effet de l’humidité, F est affecté d’un coefficient réducteur de 0,75 si l’humidité est supérieure à 17% : o



𝑆𝑖 𝐻 ≥ 17% 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝐹𝑡 = 𝑘𝑛 ∙ 𝑛 ∙ 𝐹 ∙ 0,75

Pour tenir compte de la dureté du bois, il faut vérifier les conditions indiquées dans le tableau ci-dessous :

Tableau 3.2 : Effet de la dureté du bois 𝑒 ≤ 30 𝑚𝑚 Bois tendres (résineux) Bois frais de sciage (H  30%) Bois durs (feuillus) Bois secs (H  18%)

𝑒 > 30 𝑚𝑚

𝑑≤

𝑒 7

𝑑≤

𝑒 9

𝑑≤

𝑒 9

𝑑≤

𝑒 11

3.4 DISPOSITION DES CLOUS Les pointes ne doivent pas être disposées au hasard; pas trop près les unes des autres suivant que la distance est mesurée parallèlement au sens des fibres du bois ou perpendiculairement à celle-ci; pas trop près non plus du bord des pièces ni de leur extrémité. Les valeurs présentées sur la figure suivante (distances et écartements des pointes donnés en nombre de « diamètre ») peuvent être adoptées sans risque d’éclatement du bois.

Fig. 3.4 : Schéma de disposition des clous Construction Bois – A. KONIN

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4. ASSEMBLAGES BOULONNES 4.1. PRESCRIPTIONS SUR LES BOULONS Les boulons (système vis + écrou), comme les pointes ne peuvent supporter que des sollicitations de cisaillement. Un boulon sera sollicité au simple cisaillement, au double cisaillement ou au cisaillement multiple suivant le nombre de plans de cisaillement traversés par le boulon. Le diamètre des boulons est pris en tenant compte de la relation : 𝑒 𝑏 ≤𝑑≤ 5 6 Où d est le diamètre du boulon, e est l’épaisseur de la rondelle et b la plus petite largeur des pièces en bois assemblées. Toutes les longueurs ne sont pas disponibles dans tous les diamètres. La longueur nécessaire sera un critère de choix (voir tableau 3.3). Les vis sont référencées par la lettre M suivie du diamètre nominal (exemple : M12 pour un diamètre nominal de 12 mm). Tableau 3.3 : Longueur sous tête des vis pour boulons

Les boulons sont toujours associés à des plaquettes ou des rondelles afin d’éviter un matage du bois (écrasement localisé) sous la tête de la vis ou la tête de l’écrou. Ces dernières doivent obéir aux prescriptions suivantes : Les boulons sont toujours associés à des plaquettes ou des rondelles afin d’éviter un matage du bois (écrasement localisé) sous la tête de la vis ou la tête de l’écrou. Ces dernières doivent obéir aux prescriptions suivantes : 

Rondelles :  (B sur le dessin)  3,5d et e  d/3



Plaquettes : e  d/3 et dimensions 3d x 34

4.2. JUSTIFICATION DES ASSEMBLAGES BOULONNES Pour les bois résineux, l’effort maximal que peut reprendre un boulon est donné par : Cisaillement simple

Double cisaillement

Cisaillement multiple

𝐹 ≤ 80 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 200 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 160 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

Pour les bois feuillus, l’effort maximal que peut reprendre un boulon est donné par : Cisaillement simple

Double cisaillement

Cisaillement multiple

𝐹 ≤ 105 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 260 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

𝐹 ≤ 210 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

Construction Bois – A. KONIN

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Avec : F Effort repris par clou en daN

d

e

Ft

Diamètre de la vis

Epaisseur de l’élément

Effort

en cm

le plus mince en cm

l’assemblage en daN

repris

n dans

Nombre de boulons

Remarque : Il est possible d’augmenter les valeurs admissibles par boulon en double cisaillement à condition d’utiliser des plaques d’appui dont les dimensions sont supérieures (en longueur et largeur) à 5 fois le diamètre du boulon et d’épaisseur au moins égale à 0,4d. Dans ce cas : 



Pour les résineux : o

Bois sec à l’air (H  15%)

: 𝐹 ≤ 400 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

o

Bois commercialement sec (18%  H  22%)

: 𝐹 ≤ 300 ∙ 𝑑 ∙ √𝑒

Pour les feuillus, les valeurs admissibles ci-dessus sont à multiplier par 1,3.

4.3. DISPOSITION DES BOULONS Les boulons ne doivent pas être disposées au hasard; pas trop près les unes des autres; pas trop près non plus du bord des pièces ni de leur extrémité. Les valeurs présentées sur la figure suivante (distances et écartements des pointes donnés en nombre de « diamètre ») peuvent être adoptées sans risque d’éclatement du bois.

Assemblages boulonnés avec rondelles

Assemblages boulonnés avec plaquettes

Assemblages boulonnés avec plaques d’appui

Fig. 3.5 : Schéma de disposition des boulons

Construction Bois – A. KONIN

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5. ASSEMBLAGES PAR CONNECTEURS (CRAMPONS) 5.1. GENERALITES Les connecteurs métalliques sont des assembleurs permettant d'assurer des liaisons planes dans la fabrication d'éléments industrialisés de charpente en bois. Ils sont emboutis dans des tôles d’acier dont l’épaisseur est comprise entre 0,9 et 2,5 mm. Leurs géométries sont obtenues par emboutissage pour former un réseau de picots capable de transmettre les efforts. Les connecteurs sont utilisés comme éléments complémentaires d’assemblage autour d’un boulon utilisé dans ce cas pour maintenir les pièces plaquées. Ils sont en acier galvanisé et leurs dents pénètrent dans le bois lors du serrage. Les connecteurs sont de deux sortes ;

 

Double face pour les assemblages bois-bois, simple face utilisable pour les assemblages bois-métal ou bois-bois. Les connecteurs simples face permettent de réaliser des assemblages démontables.

Fig. 3.6 : photos de connecteurs Le montage des connecteurs nécessite des efforts importants pour permettre la pénétration des dents dans le bois. Ceci n’est possible que pour des essences pas trop denses. Les fabricants précisent la masse volumique maximale des bois à utiliser. Selon les configurations et le type de chargement, les connecteurs peuvent mobiliser la résistance du bois de plusieurs manières :



en portance locale du bois au contact des dents du connecteur et du boulon,



en rupture par fendage et cisaillement au voisinage des abouts.

La transmission des efforts au sein d’un assemblage avec un connecteur double face s’effectue en portance locale du bois aux dents et dans la plaque du connecteur. Dans un assemblage avec un connecteur simple face, la transmission se poursuit en pression diamétrale du connecteur sur le boulon et en pression diamétrale du boulon sur la ferrure ou à nouveau sur le connecteur voisin pour un assemblage bois-bois. Les assemblages par connecteurs sont sollicités par un chargement latéral uniquement. 5.2. JUSTIFICATION DES ASSEMBLAGES AVEC DES CONNECTEURS Il nous faut vérifier que, quelle que soit la sollicitation, les contraintes dans le connecteur restent inférieures aux valeurs admissibles.

Construction Bois – A. KONIN

26

Fig. 3.7 : Schématisation des efforts dans un connecteur 5.2.1. Résistance à la compression On doit vérifier : 𝐹𝑐 ∙ sin 𝛼 ≤ 2 ∙ 𝐴 ∙ 𝑓𝑒 Où A est la section du connecteur et fe la limite élastique de l’acier. 5.2.2. Résistance au cisaillement On doit vérifier :

𝑅𝑡 𝐴′

≤ 100 𝑀𝑃𝑎

Où A’ est la section efficace du connecteur et Rt est la force de cisaillement, soit : 𝑅𝑡 = (𝐹𝐶 + 𝐹𝐷 ) ∙ cos 𝛼 A’ dépend de la position du connecteur (voir figure 3.8) et ses valeurs sont données dans le tableau 3.4.

Fig. 3.8 : Principaux cas de cisaillement des connecteurs 5.2.3. Résistance à la flexion On doit vérifier : 𝜎𝑚 =

𝑀𝑓 ≤ 100 𝑀𝑃𝑎 𝐼 2 ∙ ( 𝑝⁄𝑣)

Avec : 𝑀𝑓 = (𝐹𝐵 − 𝐹𝐴 ) ∙ 𝛿 𝑒𝑡 Construction Bois – A. KONIN

𝐼𝑝 𝑏 ∙ ℎ = ∙ √𝑏² + ℎ² 𝑣 6

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Tableau 3.4 : Répartition des surfaces efficaces des connecteurs (cm²)

6. DURABILITE DES ASEMBLAGES Afin d’assurer une bonne durabilité des assemblages, des dispositions doivent être adoptées afin de pallier les effets de l’humidité, les dégradations diverses et accroître leur résistance au feu. 6.1. EFFET DE L’HUMIDITE Comme indiqué au chapitre 1, l’hygroscopicité peut causer des variations dimensionnelles d’un élément en bois en fonction de sa teneur en humidité. Au contraire, les connecteurs et autres pièces métalliques sont relativement insensibles aux variations d’humidité, mais pourraient varier selon le changement de température. Une bonne conception devrait respecter certains principes pour prévenir les contraintes parasites dues au retrait du bois. Il est préférable de sécher préalablement les pièces de bois à une teneur en humidité la plus près de celle en service. De plus, les assemblages ne doivent pas entraver le retrait qui pourrait causer le fendage de l’élément en bois. Pour soutenir une poutre, par exemple, il est plus approprié d’utiliser un étrier qui reprend les efforts en compression plutôt que des cornières latérales et une file de boulons qui risquent d’entraver le mouvement du bois perpendiculairement au fil (voir figure cidessous).

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28

Mauvaise conception

Bonne conception

Fig. 3.9 : Détail d’assemblage permettant de limiter l’impact d’un éventuel retrait du bois 6.2. RESISTANCE A LA DEGRADATION Les éléments en bois et les pièces métalliques formant les assemblages peuvent subir de la dégradation causée par la présence d’eau. La façon la plus facile et la plus efficace de lutter contre la dégradation consiste à limiter, sinon à éviter complètement, la présence de l’eau sur l’assemblage. Si l’assemblage se trouve en milieu extérieur, il doit être protégé contre la pluie. Il est important aussi de permettre un bon drainage du système et d’éviter les détails qui favorisent une accumulation de l’eau. Une bonne circulation de l’air est essentielle afin de permettre le séchage rapide du bois en cas d’humidification. Des cales d’espacement aux appuis ou des plaques de transfert insérées plutôt qu’extérieures sont des exemples de solutions visant à permettre une bonne ventilation (figure 3.10).

Mauvaise conception

Bonne conception

Fig. 3.10 : Détail d’assemblage permettant de faciliter l’écoulement de l’eau et le séchage du bois 6.3. RESISTANCE AU FEU Les éléments métalliques exposés à la chaleur perdent leur résistance et risquent d’endommager le bois en lui transmettant la chaleur. Il est donc avantageux d’isoler les pièces métalliques afin de prolonger la résistance au feu de l’assemblage. On parlera alors d’un assemblage protégé. Des matériaux isolants comme le bois ou le gypse peuvent être utilisés comme plaque de recouvrement sur l’ensemble de l’assemblage ou encore comme bouchon individuel sur chaque connecteur afin que les éléments de l’assemblage non exposé ne soient exposés à la chaleur, retardant ainsi le début de la carbonisation des pièces de bois et la réduction des attaches métalliques. Cette solution permet ainsi d’obtenir un DRF (Degré de Résistance au Feu) supérieur à celui obtenu pour les assemblages non protégés.

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CHAPITRE 4 : SYSTEMES CONSTRUCTIFS

Ce chapitre présente les principaux modes constructifs des structures en bois. Des charpentes traditionnelles aux fermettes.

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1. GENERALITES Pour la conception des constructions en bois, deux systèmes constructifs sont généralement adoptés. Ces systèmes tiennent compte des éléments porteurs des structures. 2. CHARPENTES NON ASSEMBLEES C’est le mode constructif le plus simple. Les pannes sont appuyées directement sur les murs porteurs (pignons et refends), et reçoivent les chevrons qui supporteront la couverture (voir figure).

Fig. 4.1 : Schéma d’une charpente non assemblée 3. CHARPENTE TRADITIONNELLE EN BOIS On appelle charpente traditionnelle en bois, les toitures dont la structure est constituée d’éléments en bois massif (madriers, bastaings, chevrons, etc.) dont l’assemblage compose des fermes. Les fermes sont construites et mise en œuvre sur le chantier à partir d’épures tracées sur le sol du dernier niveau. Leur réalisation est exécutée par des charpentiers expérimentés. Les éléments des fermes composent des triangles (indéformables), où chaque pièce est chargée à ses extrémités.

Fig. 4.2 : Schéma d’une charpente traditionnelle 4. CHARPENTES A FERMETTES INDUSTRIELLES 4.1. GENERALITES L’idée de la technologie des charpentes à fermettes industrielles est à rapprocher du concept de préfabrication des éléments en béton armé.

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Il s’agit de concevoir une charpente constituée d’une multitude de fermes préfabriquées. Ces fermes sont constituées de bois de petites dimensions (de 20 à 40mm x 20 à 100mm). L’espacement de ces fermes correspond à celui des chevrons des charpentes traditionnelles (0,45 à 0,90 m). En effet, une fermette est moins résistante qu’une ferme classique, les charges reprises par les fermettes sont réduites à celles apportées par un entre-axe de fermette.

Fig. 4.3 : Schéma d’une charpente à fermette industrialisée 4.2. ASSEMBLAGE DES ELEMENTS DE FERMETTES Les éléments constitutifs des fermettes sont assemblés principalement par des connecteurs métalliques agrafés sous presse hydraulique. Les fermettes sont manuportables, elles sont liées à la structure BA ou à la maçonnerie par des dispositifs identiques à ceux utilisés pour la charpente traditionnelle. Les liaisons des fermettes à la structure sont de type appui simple ou articulation. 4.3. CONTREVENTEMENT ET ANTIFLAMBAGE Les fermettes ne sont pas indépendantes les unes des autres, elles sont reliées entre elles par trois types de barres. 4.3.1. Lisses de répartition et entretoises Ces barres servent à maintenir l’écartement recherché entre les fermettes lors de leur mise en œuvre. 4.3.2. Lisses d’antiflambage Les fermettes sont constituées de barres assimilées à des bielles. Ces barres sont soit tendues, soit comprimées. Pour éviter le flambement des barres comprimées, on place des lisses d’antiflambage. 4.3.3. Lisses de contreventement Si le vent souffle sur un pignon, il déstabilise la première fermette et celle-ci déstabilise les fermettes voisines. On place alors des barres obliques qui transmettent directement les efforts du vent à la structure du gros œuvre. Les lisses sont mises en œuvre sur le chantier. L’oubli de l’une d’entre elles est la garantie d’un désordre futur.

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