1. Les Fermes.


1.  Définition


Les fermes remplacent les chevrons et les pannes traditionnels et peuvent recevoir directement des liteaux de couverture et le contrelattage des plafonds. Chaque ferme est un ensemble de pièces de bois assemblées par des connecteurs métalliques à dents, de façon à former une structure plane indéformable , par le principe de triangulation. La liaison des fermes entre elles par les dispositifs d'antiflambage et de contreventement assure la stabilité de l'ensemble. Cette technologie permet de réaliser toutes les formes de charpentes pour tous les types de bâtiments. L'ensemble constitue un système isostatique . Cependant, a cause de leur fonctionnement statique en compression , les fermes génèrent des réactions d'appui horizontales et verticales, même sous une charge uniquement verticale. Nous le constaterons dans les calculs de vérification de résistance ci plus bas.

Illustration d'une ferme et ses différents éléments : structure d une ferme

Exemples concrets de construction avec fermes :

2.  Historique

Au départ, les fermes étaient construites sur chantiers en utilisant des goussets de contreplaqué cloués aux différentes membrures de la ferme. Ainsi, on disposait de portées raisonnables mais le problème résidait dans le temps de construction. Dans les années 50, les connecteurs métalliques sont apparus et ont permis la préfabrication des fermes de courtes et longues portées. Depuis, ces connecteurs constituent l'assemblage type des fermes légères. Ce système a eu beaucoup de succès car il permettait la fabrication de fermes à l'aide de machines.Le seul inconvénient qu'il requiert est l'utilisation de machines lourdes (grues) pour la pose . Aujourd'hui, grâce à leur faible coût, la livraison rapide et les méthodes de montage simples,les fermes légères sont devenues compétitives dans la construction de toit de courtes et longues portées .

3.  Profils extérieurs

HOWEPeut n'avoir qu'une seule portée , avoir plusieurs appuis , être en porte-à-faux
FINK = WIdem
A POINCONIdem
MONO-PENTECette structure peut avoir une ou plusieurs portées,être en porte-à-faux. On peut faire porter la membrure supérieure sur un point d'appui
INVERSEESert à obtenir un toit de cathédrale
TRONQUEUtilisé quand la forme triangulaire ne peut l'être.Tronqué à un point d'appui ou changement de pente
A LANTERNEAUApparence de toit en gradins.
A 2 OU 3 SECTIONSLa ferme inférieure supporte la ferme supérieure
PLATESert pour les planchers ou les toits. On peut la supporter par la membrure supérieure ou inférieure et elle peut être à portée simple ou multiple.

Ces profilés ne constituent qu'une minime partie des profilés de fermes. De fait, les profilés de fermes sont quasi infinis , ce qui d'ailleurs ,comme nous allons le constater dans le chapitre suivant ,est un de ses avantages .

4.  Avantages des fermes

  • longues portées obtenues sans recourir à d'appuis intermédiaires : ce qui permet de disposer de grands espaces ;
  • l'installation d'une ferme en bois ne requiert que la moitié du temps d'installation d'une charpente conventionnelle ;
  • infinité de profilés : ce qui permet de construire des toits dinstincts ;
  • les fermes à usage particulier ( agricole) ont des portées atteignant 25m ;
  • les fermes ont une résistance telle qu'elles sont utilisées dans les coffrages de béton, les échaffaudages ;
  • la configuration en treillis des fermes de toit facilite les câblages (électriques par exemple ) ;
  • ...

5.  Les efforts

On distingue 2 types d'effort dans les fermes :

  1. flexion
  2. compression

De par le fait que les éléments des fermes sont inclinés , on y retrouve des composantes verticales et horizontales en compression.

En considérant une charge verticale uniforme et une structure symétrique, les réactions d’appuis ont pour expression :
réaction verticaleréaction horizontalef :hauteur de la ferme à la clef
sans soutirant :
avec soutirant :

Voici quelques ordres de grandeur couramment utilisés: l = 15 - 20 m f= 5 - 8 m h = l/50 - l/30

On en déduit que les fondations sont beaucoup plus sollicitées horizontalement que la ferme est surbaissée (voir notion de surbaissement). Si les fondations ne sont pas disposées à résister à de grandes charges horizontales, on utilise un tirant (ssi l’espace libre le permet).
On peut aussi constituer des membrures (arbalétriers) de fermes à trois articulations sous forme de treillis. Dans ces derniers il est également possible d’utiliser des systèmes avec soutirant.

Illustrations de fermes avec soutirant.

6.  Conception

Le calcul des fermes se fait en utilisant l'information reçue du constructeur. Cette information reprend :

  • La taille du bâtiment,
  • l'usage du bâtiment,
  • la forme et la portée des fermes,
  • les points d'appui des fermes,
  • le type de construction du toit,
  • les charges qui seront imposées aux fermes et les autres conditions dont il faut tenir compte dans la conception des fermes, telles des charges particulières et leur emplacement,
  • Les paramètres définissant la géométrie (pente, porte-à-faux, longueur de corniche,...).

La conception de la ferme en bois se base sur les 4 principes suivants :

  1. Hygroscopie — la tendance du bois à absorber l'humidité. Cette tendance affecte sa stabilité dimensionnelle et sa résistance.
  2. Effets de la durée sur l'application de la charge — Le bois possède une plus grande capacité à supporter une charge de courte durée que celle d'une plus longue durée. Cela augmente sa performance dans des zones sismiques ou sujettes à de forts vents.
  3. Effet du partage des charges — Les membrures des charpentes en bois ont la capacité de distribuer et de supporter mutuellement des charges, ce qui en augmente l'efficacité.
  4. Effet de dimension — Des recherches ont montré que des membrures de section plus petites sont plus fortes par unité de surface par rapport à des membrures de plus grosse section.

6.1  Dimensionnement

A l'heure actuelle, la plupart des calculs de dimensionnement se font par logiciel( "RIO" par exemple).

Le différente charges de toit permanentes approximatives prises compte par les logiciels dans les calculs de conception , selon le type de construction :

  • fermes espacées de 12 m entre entraxes, avec couverture en métal, sans plafond : 0,2 KN / m²
  • fermes espacées de 12 m entre entraxes, avec pannes de 38 X 89, couverture en métal , plafond en contreplaqué avec isolation :0,27 KN / m²
  • fermes espacées de 12 m entre entraxes, avec pannes de 38 X 89, couverture en contreplaqué, sans palfond :0,32 KN/m²
  • fermes espacées de 12 m entre entraxes, avec pannes de 38 X 89, couverture en contreplaqué , plafond en contreplaqué avec isolation : 0,39KN/m²

+0,05 KN /m² si fermes espacées de 0,6m .

6.2  Contreventement

Les fermes doivent être contreventées afin d'assurer leur performance et leur sécurité .

Les barres assurant le contreventement global du bâtiment sont :

* arbalétriers
* poutres treillis placées sur les entraits .

Les barres assurant le contreventement des fermes les unes par rapport aux autres :

* fiches
* contre-fiches
6.2.1 Contreventement Temporaire

Au cours du montage de la charpente , il est essentiel de fournir un contreventement temporaire aux fermes . Ceci dans le but :

* qu'elles résistent à leur propres poids
* qu'elles résistent aux charges de vent au cours de la construction
* qu'elles supportent le poids propre de constructions temporaires (isolation,...)
* de les conserver en bon état
* d'assurer un bon espacement entre elles.
6.2.2 Contreventement Permanent

Le contreventement permanent permet d'assurer l'intégration des fermes à la structure globale du bâtiment. En somme, il permet de :

* empêcher le voilage des éléments d'âmes chargés en compression
* partager les charges supportées avec les fermes adjacentes
* transmettre les forces latérales aux diaphragmes
* empêcher les déplacements latéraux en général

6.3  Vérifications

La détermination des efforts dans les fermes à 3 articulations est assez simple, celles-ci étant isostatiques. De fait, les efforts sont calculés par l'équilibre des noeuds .

Principales vérifications :* Sur les membrures (arbalétriers),
 * Sur le dimensionnement des articulations,
 * Sur les articulations d’appuis (surtout si absence de tirant).

Jetons un oeil sur les différentes vérifications à réaliser sur les arbalétriers .

a) Sections critique :b) Stabilité des barres comprimées et fléchies :c) Reprise des efforts horizontaux :
Il faut contrôler les sections critiques au niveau de l'interaction flexion-compression et des cas de charges déterminants(autrement dit, les charges procurant l'effort de compression maximale + l' effort de compression associé + le moment de flexion maximale)On s’assure que les barres comprimées et fléchies n'entrainent pas de l'instabilité. Pour ce faire, il faut contrôler tout flambement ou deversement en tenant compte de l’effet stabilisant du système secondaire (pannes liées au contreventement-voir plus haut-, lattage, etc …)On distingue 2 cas de figure . Soit l’espace libre intérieur ne permet pas de placer un tirant et les appuis ne peuvent reprendre les efforts horizontaux. Dans ce cas , on place un tirant au niveau supérieur à celui des appuis, ce qui provoque une augmentation de la flexion dans les arbalétriers ( à contrôler ), cette construction étant utilisée avec des appuis glissants.Soit les appuis peuvent reprendre les efforts horizontaux . Dans ce cas, on place un entrait ( comprimé ) qui diminue la flexion dans les arbalétriers mais qui augmente les réactions horizontales( reprises par les appuis) .

Illustration concrète: Calculs de verification des forces reprises par une ferme

7.  Questions

1) QCM :

Si les appuis reprennent les efforts horizontaux , on parle de :

a)arbalétrier
b)fiche
c)entrait
d)membrure

2) QUESTION OUVERTE :

Quel(s) type(s) d'efforts trouve-t-on dans la structure des fermes ?

Solutions

8.  Sources

  • "Construire en bois 2",Natterer J & Herzog T & Volz M, Atlas de construction, 1998 .
  • Construction en bois(Volume 13) de J. Natterer, J-L Sandroz et M. Rey. Edité par les presses polytechniques et universitaires romanes.
  • "Transformation , utilisation et industries du bois en Europe", Bary-Lenger A , Pierson J, Poncelet J, Editions du Perron , Liège,1999.
  • "Les assemblages des ossatures et charpentes en bois: Construction, entretien, restauration" , Gerner M, Eyrolles, Paris, 1999.
  • http://www.techniques-ingenieur.fr