Charpente traditionnelle
Elle est constituée principalement d’éléments en bois massif et assemblée soit par profils complémentaires (embrèvements, tenons-mortaises, enfourchements…) soit par moisement et tiges métalliques (pointes, boulons) ou organes spéciaux (crampons, anneaux). La charpente traditionnelle est utilisée dans la rénovation, les hangars agricoles ou bien encore pour obtenir de grands volumes sous les toits.
Elle est constituée principalement d’éléments en bois massif et assemblée soit par profils complémentaires (embrèvements, tenons-mortaises, enfourchements…) soit par moisement et tiges métalliques (pointes, boulons) ou organes spéciaux (crampons, anneaux). La charpente traditionnelle est utilisée dans la rénovation, les hangars agricoles ou bien encore pour obtenir de grands volumes sous les toits.
Principes
La charpente dite traditionnelle est constituée de fermes, de pannes et de chevrons. Une ferme est composée par l’assemblage de plusieurs pièces de bois massif. Les arbalétriers, l’entrait et le poinçon forment le réseau principal tandis que les contre-fiches, les jambes de force, les diagonales et les potelets forment le réseau secondaire d’une ferme.
Les assemblages des parties constitutives de la ferme se font par embrèvement, par boulon ou par clouage.
Chaque ferme reporte une charge concentrée importante sur les infrastructures qu’il est nécessaire de prévoir. La ferme traditionnelle est une solution appréciable lorsque la charpente comporte d’importantes pénétrations (cheminées, cages d’escalier au niveau du plancher, lucarnes) ou des raccords (noues, arêtiers…).
Du fait de l’utilisation de fortes sections, la ferme offre une bonne tenue au feu. Elle peut donc s’exposer et participer à la qualification de l’espace. On cherche à écarter les fermes au maximum sans le faire au détriment des pannes et des solives (en cas de plancher) qu’elles supportent.
La ferme traditionnelle étant placée dans un plan vertical, elle doit être contreventée lors de sa mise en œuvre. On utilise pour cela des liens disposés dans le plan du faîtage.
Matériaux
Qualité
Les fermes et les pannes sont le plus souvent fabriquées à partir des résineux suivants : épicéa, sapin, douglas, pin maritime, pin sylvestre.
Leur forte épaisseur n’oblige pas à utiliser des bois présentant de très grandes caractéristiques mécaniques sauf pour les très grandes portées. Lorsqu’ils sont cachés, les bois n’offrent pas de contraintes visuelles. Par contre les charpentes apparentes doivent faire l’objet d’un plus grand soin d’aspect.
Humidité
Mis en œuvre dans une ambiance non chauffée, les bois doivent avoir un taux d’humidité voisin de 15% sans excéder 22%. Si les fermes doivent être apparentes dans un local chauffé, le taux d’humidité ne devra pas dépasser 12%.
Risques biologiques
Abritées et ventilées, les fermes ne présentent pas d’autres risques biologiques que ceux qui sont liés aux insectes. Les bois doivent présenter une durabilité naturelle ou conférée correspondant à la classe de risque 2, le transport, le stockage ou le chantier pouvant présenter un risque d’humidification.
Attention :
Les pannes mises en œuvre avec une sous-toiture mal ventilée peuvent être exposées à des risques de condensation (classe de risque 3);
Les bois noyés en maçonnerie et destinés à recevoir les fixations de fermes ou les extrémités d’entraits encastrées dans des murs maçonnés sont beaucoup plus sujets à dégradation.
Différents types de fermes
Il existe plusieurs types de fermes caractérisées par leur triangulation. Différents critères interviennent dans le choix des fermes : utilisation du comble, portée, débord de toiture, pente de toit, poids de la couverture, poids des plafonds.
Ferme latine
Comme son nom l’indique, la ferme latine a été inventée par les romains. Elle est formée de triangles qui ont pour but d’éviter les moments de flexion. Le système le plus simple est constitué d’arbalétriers et de contre-fiches massives, d’un entrait pouvant être moisé et d’un poinçon souvent de section carrée pour recevoir les contre-fiches dans une direction et les liens de contreventement dans une direction perpendiculaire.
La ferme constituée d’un poinçon avec contre-fiche ne permet guère de dépasser 8 m de portée. On peut augmenter la portée en renforçant le réseau secondaire par ajout de montants et de diagonales moisées qui soulagent l’entrait.
Ferme à entrait retroussé
Ce type de ferme s’utilise pour les combles habitables. L’entrait est retroussé à la hauteur des volumes que l’on veut utiliser. Elle comporte des jambes de force destinées à soulager la partie inférieure des arbalétriers. Elle peut comporter des liens en partie supérieure situés au droit des pannes.
Fortement hyperstatique, ce type de fermes ne nécessite pas de pièces de bois de sections importantes. La portée des fermes à entrait retroussé se situe entre 10 et 12 m.
Attention : La réaction en pied de la jambe de force est variable selon l’inclinaison. Elle peut conduire à des poussées horizontales. Le maintien des pieds d’arbalétriers doit alors être assuré par un tirant en acier posé au niveau du plancher.
Ferme sur blochet
Les fermes sur blochet s’apparentent aux fermes à entrait retroussé à la différence que le pied de l’arbalétrier n’exerce aucune poussée sur les murs. Il s’agit d’une ferme à deux articulations qui fonctionne à la manière d’une ferme sur poteau dont la flexion de l’arbalétrier est reprise par les blochets. La portée de ce type de ferme ne dépasse que rarement 12 m. On notera que le pied de l’arbalétrier peut ne pas être en appui sur le mur.
Ferme à la Palladio
C’est une ferme pour comble ne venant pas prendre appui sur un plancher. L’entrait fait fonction d’élément porteur de plancher. Les suspentes latérales ne servent qu’à soulager l’entrait afin qu’il ne se déforme pas sous son poids-propre et à reprendre les contre-fiches qui soulagent les arbalétriers. La portée peut atteindre 16 à 18 m.
Ferme à la Mansart
Elle offre un maximum de volume pour la réalisation d’un comble habitable. Elle fonctionne à la manière d’un portique. La principale difficulté consiste à assurer la stabilité des fermes dans leurs plans sans réduire le dégagement intérieur.
Une première solution consiste à utiliser des contre-fiches qui reçoivent en outre la réaction d’appui des arbalétriers. Cette solution nécessite de fortes sections et les différentes pièces sont situées dans un même plan. Les portées courantes ne dépassent pas 8 m.
Une autre solution consiste à utiliser une ferme triangulée et des poteaux moisés.
La stabilité est assurée dans le plan des entraits par un contreventement qui reporte les efforts au droit des pignons. La portée peut alors atteindre 12 m.
Contreventement
Le contreventement longitudinal est assuré par des liens placés entre les fermes dans le plan des poinçons. Les liens d’une section courante de 7,5 x 11 cm sont fixés par tenons et mortaises ou par simple clouage entre les poinçons et la panne faîtière. Leur inclinaison est proche de 45 °. Lorsque les pignons ne sont pas auto-stables, il est nécessaire de prévoir des contreventements rampants dans les travées de rives clouées à leur intersection avec les pannes et fixées aux fermes. voir schéma 6 ci-contre.
Normes et DTU
DTU 31.1 : Charpente et escaliers en bois DTU 31.2 : Construction des maisons et bâtiments à ossature en bois DTU règles CB 71 : Règles de calcul et de conception des charpentes en bois DTU BF 88 : Règles bois feu 88
Charpente industrialisée ou à fermettes
Les charpentes de ce type sont constituées de planches en bois ou en dérivés, assemblées entre elles par l’intermédiaire de plaques métalliques (connecteurs) assemblées à la presse. Très économiques, les fermettes sont très utilisées dans les constructions neuves. Cependant, ce type de charpente n’est pas toujours adapté pour les combles habitables.
Principes
Les fermes industrialisées encore appelées fermettes sont constituées par des éléments triangulés en bois de faibles sections (épaisseurs minimum 36 mm jusqu’à 15 m et 46 mm au-delà). Les assemblages sont réalisés par des goussets en contre-plaqué (CTB.X) ou plus généralement par des connecteurs en acier galvanisé. Par leurs principes constructifs, elles s’inscrivent dans une logique de fabrication industrielle.
Les fermettes constituent des éléments de charpente légère et capable de franchir des portées jusqu’à 20 mètres. Grâce à ces qualités, elles permettent d’utiliser des parois intérieures non porteuses et offrent une grande flexibilité dans la conception des espaces intérieurs.
Ce type de ferme, très économique, peut épouser pratiquement toutes les formes -y compris les courbes- et peut être utilement conçu comme des poutres de grand élancement. Au contraire des systèmes traditionnels elles fonctionnent dans une logique de charges distribuées. Elles sont espacées généralement de 60 cm. L’écart peut être porté jusqu’à 1,20 m. Elles prennent appui soit sur des murs soit sur des poutres.
Elles reçoivent directement le support de couverture ou la couverture économisant de ce fait les pannes et chevrons. Un plafond vient se fixer sous les entraits lorsque les combles ne sont pas utilisables. Mais le plafond peut également venir se fixer aux niveaux des arbalétriers lorsque le volume de la fermette doit être utilisé ou participer visuellement à un volume intérieur. Le choix d’un plafond et sa position déterminent largement la tenue au feu de la charpente.
Les fermettes se prêtent bien à la mise en place d’isolants ainsi qu’au passage des gaines (électricité, ventilation…).
Matériaux
Qualité
Les fermes industrialisées sont le plus souvent fabriquées à partir des résineux que sont l’épicéa et le sapin. Leur faible épaisseur conduit à utiliser des bois présentant de bonnes caractéristiques mécaniques. Cachés, les bois n’offrent pas de contraintes visuelles.
Humidité
Mis en œuvre dans une ambiance non chauffée, les bois doivent avoir un taux d’humidité voisin de 18 % sans excéder 22 %.
Risques biologiques
Abritées et ventilées, les fermes ne présentent pas d’autres risques biologiques que ceux liés aux insectes. Les bois doivent présenter une durabilité naturelle ou conférée correspondant à la classe de risque 2. Par contre, les bois noyés en maçonnerie et destinés à recevoir les fixations de fermes sont beaucoup plus sujets à dégradation. Le choix de l’essence ou du traitement doit correspondre à la classe de risque 4.
Différents types de fermes industrialisées
Il existe plusieurs types de fermettes caractérisées par leur triangulation.
Différents critères interviennent dans le choix des fermes : utilisation du comble, portée, débord de toiture, pente de toit, poids de la couverture, poids des plafonds.
Fermes pour combles non aménageables
| La ferme en W représente le type le plus courant | La ferme en double W convient aux grandes portées et aux charges importantes | La ferme en M convient aux plafonds lourds et aux couvertures légères | La ferme en Éventail convient aux plafonds légers et aux couvertures lourdes |
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Fermes pour combles aménageables
| La ferme à entrait porteur de plancher représente le système le plus économique pour la réalisation de combles habitables | La ferme de combles habitables en A est en appui sur un plancher qu’elle soumet à une légère traction. Elle nécessite des appuis bloqués | La ferme à la Mansart fonctionne comme un système composé d’éléments porteurs triangulés recevant une ferme en W | Les fermes boiteuses pour chiens-assis exercent une poussée horizontale sur le mur d’appui. Une poutre de reprise de poussée est généralement nécessaire |
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Contreventement
Bien qu’assurés par des éléments de même nature, les dispositifs de contreventement répondent à des exigences très différentes liées à la poussée du vent sur les pignons.
Le contreventement est le plus souvent assuré par des pièces de bois clouées (deux clous minimum) à plat sur la rive des diagonales composant les fermes.
Ce treillis de diagonales de contreventement est complété par des lisses filantes disposées sur les entraits près des nœuds d’assemblage.
Attention : le système de contreventement ne peut généralement pas remplacer le dispositif d’antiflambement : lorsque diagonales de contreventement lisses filantes et pièces d’antiflambement doivent être fixées au même endroit, la priorité doit être donnée au dispositif d’antiflambement (désaxement des pièces secondaires).
voir schéma ci-contre.
Normes et DTU
DTU 31.1 : Charpente et escaliers en bois
DTU 31.2 : Construction des maisons et bâtiments à ossature en bois
DTU 31.3 : Charpentes en bois assemblées par connecteurs métalliques ou goussets
DTU règles CB 71 : Règles de calcul et de conception des charpentes en bois
DTU BF 88 : Règles bois feu 88
FNIBB : La charpente industrialisée en bois.
Charpentes à chevrons
Principes
Les charpentes-chevrons sont constituées de manière principale par des chevrons de grand élancement (46 mm x 200 mm par exemple) assemblés par clouage. Les assemblages sont réalisés directement sur des pannes faîtières et sablières ou entre chevrons et entraits par des goussets en contre-plaqué (CTB.X ou OSB). Ce type de structure économique, constitue une charpente légère relativement limitée dans sa portée (8 à 10 m pour un système double pente).
Comme pour les fermettes, les charpentes-chevrons fonctionnent dans une logique de charges distribuées. Elles sont espacées généralement de 40 ou de 60 cm. Constructivement, les pièces de bois étant très élancées, une grande attention doit être portée aux problèmes de déversement, de flambement et de contreventement.Les charpentes-chevrons se prêtent bien à la mise en place d’une isolation thermique en forte épaisseur.
Matériaux
Qualité
Les charpentes-chevrons sont le plus souvent fabriquées à partir des résineux suivants : épicéa, sapin, douglas, pin sylvestre. Leur faible épaisseur conduit à utiliser des bois présentant de bonnes caractéristiques mécaniques sans contraintes visuelles. (Classement structure : C22 – Classement d’aspect : choix 2)
Humidité
Mis en œuvre dans une ambiance non chauffée (cas des combles non aménagés), les bois doivent avoir un taux d’humidité voisin de 18 % sans excéder 22 %. Lorsque les chevrons constituent la structure d’une enveloppe d’un local chauffé (cas des combles aménagés), le taux d’humidité du bois doit être voisin de 15% sans dépasser 20%.
Risque
Abritées et ventilées, les chevrons-fermes ne présentent pas d’autres risques biologiques que ceux liés aux insectes. Les bois doivent présenter une durabilité naturelle ou conférée correspondant à la classe de risque 2 si le transport, le stockage ou le chantier présentent un risque d’humidification.
Différents types de charpentes-chevrons
Il existe trois grandes familles de charpentes-chevrons. Les critères intervenant dans le choix des chevrons sont les suivants : utilisation du comble, portée, débord de toiture, pente de toit, poids de la couverture, poids des plafonds.
Chevrons arbalétriers
C’est le système le plus simple. Les chevrons sont habituellement fixés en tête contre une planche faîtière ou sur une panne faîtière, et, en pied, sur une sablière de mur ou une lisse fixée au-dessus des solives de plancher. Afin de reprendre la poussée inférieure des chevrons, ceux-ci sont engravés. Les chevrons sont habituellement placés en opposition l’un de l’autre. Ils peuvent cependant être décalés de leur propre épaisseur, au faîte, afin de faciliter leur fixation entre eux ou aux solives de plancher assemblées par recouvrement. Les chevrons arbalétriers forment un dispositif intéressant pour la conception de locaux avec rampants de toiture. Voir schémas ci-dessous.
Lorsque la portée des chevrons est trop importante, on peut introduire des dispositifs de renfort dans la charpente comme des entraits retroussés, des murs de décharge ou des contre-fiches. Le système s’apparente alors à une charpente par fermette. Afin de reprendre les charges de la toiture, les entraits retroussés doivent être situés entre le premier et le troisième tiers de la longueur des chevrons (généralement au milieu des chevrons) Les chevrons formant ferme sont le plus souvent en appuis sur un plancher qu’ils soumettent à une légère traction. Ils nécessitent des appuis bloqués pour limiter la flexion des chevrons. Voir schémas ci-dessous.
Fermes Delta
Ces fermes ont été développées pour répondre à la demande d’usage des combles. Elles consistent à assembler deux chevrons formant arbalétrier et une solive formant entrait. Compte tenu des contraintes de flexion importantes sur les chevrons, ceux-ci doivent avoir une hauteur conséquente. Ils sont souvent composés de profils en bois reconstitué. Voir schémas ci-dessous.
Lorsque la portée des chevrons est trop importante, on peut introduire des dispositifs de renfort dans la charpente comme des entraits retroussés, des murs de décharge ou des contre-fiches. Le système s’apparente alors à une charpente par fermette. Afin de reprendre les charges de la toiture, les entraits retroussés doivent être situés entre le premier et le troisième tiers de la longueur des chevrons (généralement au milieu des chevrons) Les chevrons formant ferme sont le plus souvent en appuis sur un plancher qu’ils soumettent à une légère traction. Ils nécessitent des appuis bloqués pour limiter la flexion des chevrons. Voir schémas ci-dessous.
Contreventement
Le contreventement peut être assuré par des feuillards métalliques disposés en croix de Saint André et cloués à plat sur les chevrons. L’utilisation de panneaux (contre-plaqué CTB-X, OSB, particules CTB-H…) est également courante.
Normes et DTU
DTU 31.1 : Charpente et escaliers en bois
DTU 31.2 : Construction des maisons et bâtiments à ossature en bois
DTU 31.3 : Charpentes en bois assemblées par connecteurs métalliques ou goussets
DTU règles CB 71 : Règles de calcul et de conception des charpentes en bois
DTU BF 88 : Règles bois feu 88