Le dimensionnement des éléments de charpente bois est une étape cruciale pour garantir la sécurité, la durabilité et l'optimisation économique d'une construction. Ce guide complet détaille les étapes essentielles du calcul et du dimensionnement, en considérant les charges, les propriétés mécaniques du bois, les normes Eurocodes, et l'utilisation de logiciels de calcul. Nous aborderons le dimensionnement des poutres, des pannes et des fermettes, en fournissant des exemples concrets et des méthodes de calcul applicables à diverses situations.
Charges et actions sur la charpente
Le dimensionnement d'une charpente commence par une analyse rigoureuse des charges et actions qui s'exercent sur elle. Ces charges sont classées en charges permanentes, charges variables et actions climatiques, chacune nécessitant une considération spécifique.
Charges permanentes
Les charges permanentes sont les charges constamment présentes sur la structure. Elles comprennent :
- Poids propre du bois : Variable selon l'essence et l'humidité, estimé entre 450 et 600 kg/m³ pour les bois de charpente courants (ex: Pin sylvestre, Epicéa).
- Poids de la couverture : Tuiles (60 à 80 kg/m²), ardoises (70 à 100 kg/m²), bac acier (15 à 30 kg/m²), etc. La densité de la couverture influence fortement la charge totale.
- Poids des planchers : Variable selon la composition (bois, béton, etc.), généralement compris entre 200 et 400 kg/m².
- Poids des cloisons : Environ 150 à 250 kg/m² selon le matériau (placoplâtre, brique...).
Exemple: Une toiture de 100 m² avec des tuiles (80 kg/m²) et un plancher de 50 m² (300 kg/m²) génère une charge permanente de (100m² * 80 kg/m²) + (50m² * 300 kg/m²) = 19000 kg soit 19 tonnes.
Charges variables
Les charges variables sont les charges qui varient dans le temps. Elles incluent :
- Charge d'exploitation: Poids des personnes (75 kg/m² pour une charge d'habitation), du mobilier et des équipements.
- Surcharges d'exploitation: Charges exceptionnelles (stockage, événements spéciaux). Ces charges sont souvent définies par des réglementations spécifiques.
Il est essentiel d'appliquer des coefficients de sécurité aux charges variables, selon les normes en vigueur (Eurocodes).
Actions climatiques
Les actions climatiques sont des charges liées aux conditions météorologiques. Elles comprennent :
- Charge de neige : Dépend de la zone climatique et de l'exposition. Les normes fournissent des valeurs de charge de neige en fonction de la localisation géographique (ex: 150 kg/m² en zone montagneuse).
- Charge de vent : Dépend de la vitesse du vent de base, de la configuration de la charpente et de coefficients aérodynamiques. Des logiciels spécifiques permettent de calculer la charge de vent avec précision.
- Actions sismiques : A considérer dans les zones à risque sismique, selon les réglementations parasismiques en vigueur.
Combinaison des actions
Les Eurocodes définissent des règles de combinaison des actions pour déterminer les efforts les plus défavorables. Différentes combinaisons (fréquentes, quasi-permanentes, rares) sont considérées, selon la probabilité d'occurrence simultanée des charges.
Résistance du bois et propriétés mécaniques
La résistance du bois est un facteur primordial dans le dimensionnement. Elle dépend de l'essence, de la classe de résistance et de l'état hygrométrique du bois.
Essences de bois et classes de résistance
Les essences de bois utilisées en charpente (Sapin, Epicéa, Douglas, Pin Maritime) possèdent des propriétés mécaniques différentes. Les classes de résistance (C14, C16, C18, C24, etc.) indiquent la résistance du bois à la flexion, à la compression, à la traction et au cisaillement. Ces classes sont déterminées par des essais normalisés.
Influence des défauts du bois
La présence de nœuds, de fissures, ou d'inclinaisons de fibres réduit la résistance du bois. Des coefficients de réduction sont appliqués aux valeurs de résistance du bois pour tenir compte de ces défauts, selon les normes.
Hygrométrie et durabilité
Le taux d'humidité du bois impacte significativement ses propriétés mécaniques. Un séchage adéquat est crucial pour la stabilité dimensionnelle et la durabilité. Des traitements de préservation contre les insectes et les champignons sont également nécessaires pour assurer la longévité de la charpente.
Méthodes de calcul et dimensionnement
Plusieurs méthodes permettent de calculer et de dimensionner les sections de charpente. Le choix de la méthode dépend de la complexité de la structure et des charges appliquées.
Méthodes simplifiées
Pour des cas simples (poutres droites soumises à la flexion), des méthodes simplifiées peuvent être utilisées. Des tables et abaques permettent de déterminer rapidement la section nécessaire en fonction de la portée et de la charge. Ces méthodes sont appropriées pour des calculs préliminaires ou pour des structures simples.
Méthodes analytiques
Pour des structures plus complexes (poutres continues, portiques), des méthodes analytiques sont nécessaires. Ces méthodes, basées sur la résistance des matériaux, permettent de calculer les moments fléchissants, les efforts tranchants et les contraintes dans les différentes sections de la charpente. Des calculs manuels peuvent être effectués, mais des logiciels de calcul sont souvent privilégiés pour leur précision et leur efficacité.
Logiciels de calcul
Des logiciels de calcul de structure (Robot Structural Analysis, SCIA Engineer, etc.) sont largement utilisés pour le dimensionnement des charpentes. Ces logiciels permettent de modéliser la structure, d'appliquer les charges et de déterminer les contraintes dans chaque élément. Ils facilitent le respect des normes et offrent une meilleure précision que les méthodes manuelles.
Vérification des sections
Après le calcul, la vérification des sections est essentielle. Il faut comparer les contraintes calculées aux contraintes admissibles du bois, compte tenu de sa classe de résistance et des coefficients de réduction. Les flèches maximales doivent également être vérifiées pour éviter les déformations excessives. La stabilité globale de la structure (flambement, voilement) doit être analysée.
Optimisation et choix des sections
L'optimisation du choix des sections vise à trouver le meilleur compromis entre la résistance, la stabilité et le coût. Plusieurs paramètres doivent être pris en compte.
Optimisation de la section
Différents profils de sections (rectangulaires, carrées, IPE) peuvent être analysés. L'utilisation de bois lamellé-collé permet d'obtenir des sections plus performantes et de réduire le poids de la structure. Des diagrammes d'interaction permettent de visualiser les combinaisons de moments fléchissants et d'efforts normaux admissibles pour une section donnée.
Assemblages et connexions
Le dimensionnement des assemblages (clouage, boulonnage, assemblages à tenons et mortaises) est crucial pour la résistance globale de la charpente. La résistance des assemblages doit être vérifiée selon les normes en vigueur, en tenant compte du type de bois, des connecteurs et des efforts appliqués.
Considérations de stabilité globale
La stabilité globale de la charpente doit être vérifiée pour prévenir le flambement ou le voilement des éléments. Des méthodes de calcul spécifiques sont utilisées pour évaluer la stabilité globale et garantir la sécurité de la structure.
Exemple de calcul simplifié (poutre droite en flexion)
Considérons une poutre en bois de pin sylvestre (classe de résistance C24) de 6 mètres de portée, soumise à une charge uniformément répartie de 20 kN/m. En utilisant une formule simplifiée de flexion, on peut déterminer la section nécessaire. (Calcul détaillé à intégrer ici avec les formules et les résultats). Ce calcul illustratif sera suivi d'un tableau comparatif des sections disponibles et de leur capacité portante.
| Section (cm) | Moment résistant (kNm) | Capacité portante (kN/m) |
|---|---|---|
| 15x25 | ... | ... |
| 18x27 | ... | ... |
| 20x30 | ... | ... |
... (Suite de l'article avec calculs détaillés, exemples, et conclusion)