Construire une toiture solide et pérenne requiert l’utilisation d’un matériau de couverture approprié. De plus, la charpente et la couverture doivent présenter une structure cohérente : forme du toit et dimensionnement de la charpente.
Lors de sa mise en oeuvre, une charpente est soumise à des efforts de contraintes. Ils sont induits par des charges permanentes ou variables.
Quelles sont les charges et les contraintes mécaniques d’une charpente en bois ? Faisons le point.
Quelles sont les charges extérieures supportées par une charpente en bois ?
Les charges permanentes
Des charges ou forces extérieures contraignent la structure d’une charpente en bois. Elles s’appliquent à l’ensemble de la toiture et se propagent vers les appuis d’une pièce ou plusieurs de la charpente (poutre, poteau, murs, ferme). Elles ont diverses origines.
Si elles ne sont pas prises en compte lors de la mise en oeuvre des éléments des charpentes, dimensionnement et assemblage, elles entraînent des déformations.
Les charges permanentes
Les charges permanentes des charpentes sont constantes. Le poids des éléments de la structure de la charpente traditionnelle et des matériaux qu’elle supporte constitue une charge permanente. C’est l’effet de la gravité qui joue sur la masse des matériaux.
La contrainte mécanique d’une charpente symétrique se traduit par une force verticale dirigée vers le bas et à mi-distance des appuis des pièces de bois (poutre, ferme…).
Les charges variables
Les charges variables supportées par une charpente en bois sont variables, car leurs intensité, direction ou position changent. Ces contraintes mécaniques variables sont les charges climatiques : le vent, mais aussi le poids de la neige.
Sur une toiture légère, les vents violents peuvent engendrer un effet d’aspiration et une détérioration de la charpente et de la toiture en général.
Les charges particulières
Les charges particulières exerçant des contraintes mécaniques sur les charpentes sont :
- Les charges d’exploitation : objets supportés par le plancher soutenu par la charpente ou objets maintenus par la charpente elle-même.
- Les séismes : les secousses exercent une contrainte mécanique verticale et horizontale et donc des déformations potentielles sur tout le bâtiment (murs, fondations, charpente, toiture).
Quels types de contraintes mécaniques internes subit une charpente ?
Les efforts permanents ou variables subis par la toiture se répercutent sur l’ensemble des pièces de la charpente, les points d’appui et les assemblages.
Ces sollicitations entraînent une contrainte mécanique interne de différents types en fonction du système de structure mis en oeuvre : compression, traction, cisaillement ou flexion.
La compression
La contrainte mécanique de compression est un effort interne sur une pièce de bois comprimée qui provoque un écrasement des fibres du bois.
Sur une ferme de charpente, les arbalétriers et les poinçons subissent des contraintes mécaniques de compression. La surface de contact d’une poutre ou panne doit être suffisante sur les points d’appui avec une force de direction canalisée.
La compression a également des répercussions sur les assemblages des charpentes : écrasement, rupture, glissement, cisaillement.
Les risques sont le fléchissement et le fluage des pièces de bois. Cette déformation peut être irréversible. Veiller à l’utilisation d’une section adaptée et éviter la mise en charge d’éléments trop humides.
La traction
La contrainte mécanique de traction est le contraire de celle de compression. L’effort interne agit sur une pièce tendue (tirer sur une poutre et non plus la comprimer). La résistance à la traction dans le sens des fibres du bois est 20 fois supérieure à la résistance du bois perpendiculairement aux fibres.
La traction induit aussi des efforts et déformations sur les assemblages des pièces de bois : arrachement, cisaillement, rupture…
Le cisaillement
Parmi les contraintes mécaniques d’une charpente en bois, il existe également la contrainte mécanique de cisaillement. C’est une contrainte interne qui agit sur 2 éléments de bois contigus en les faisant glisser l’un contre l’autre : par exemple une jonction arbalétrier – entrait.
Le cisaillement peut aller jusqu’à la rupture d’un assemblage ou d’une pièce.
La flexion
La contrainte mécanique de flexion génère une courbure ou un fléchissement des éléments de charpente : poutre, panne, chevron. Une panne n’a pas la même élasticité si elle est posée verticalement ou par rapport à la pente de toiture. Il s’agit d’une flexion simple ou d’une flexion déviée.
En fonction des déformations admissibles, la section de bois a un coefficient de résistance adapté.
Comment pallier les contraintes mécaniques d’une charpente en bois ?
Quelques précautions sont à respecter lors de la mise en oeuvre d’une charpente en bois. Elles rendent admissibles les contraintes mécaniques et préviennent les risques de déformation :
- Opter pour un matériau en bois de qualité, adapté à la résistance requise des systèmes fléchis (noeuds, fils du bois, fentes…).
- Dimensionner correctement la section de chaque pièce de bois de l’ossature de charpente.
- Choisir un bois dont le taux d’humidité est stabilisé.
- Respecter les assemblages des éléments de charpente pour éviter les glissements des pièces de la ferme.
- Choisir le type de traitement adapté en fonction des essences de bois.
Les contraintes mécaniques d’une charpente en bois sont à considérer sérieusement lors de l’étude et du calcul de la construction. Le charpentier compare et adapte en fonction du type de toit le mode de pose approprié.
Sachez qu’à portée égale, un mode de mise en oeuvre peut générer des contraintes mécaniques plus importantes dans les pièces de bois qu’une autre : une flexion déviée par exemple.
