Analyse des pièces de charpente partie 1- propriétés physiques générales et les poteaux

- 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 contrefiches, les jambes de force, diagonales et potelets forment le réseau secondaire d’une ferme.

- Puis viennent les pièces passantes, sablières sur poteaux, les pannes, les faîtages, et enfin le chevronnage .

- Nous allons présenter chacune d'elles et leurs diverses conceptions, pour de la charpente traditionnelle de base !

- Certaines pièces nouvelles seront abordées dans le cadre de l'arêtier (ex pièces d'enrayure) ou de travaux particuliers .

- Une règle d'or à respecter toujours, c'est de placer logiquement tout ce qui est poteaux ou poinçons verticalement dans le sens de pousse de l'arbre d’où il proviens !

- Ci dessous, une très belle charpente de auvent sur poteau parfaitement conçue et réalisée, qui nous permet de visualiser presque toutes les pièces que nous allons détailler .

Notions physiques et mécaniques dans les pièces de charpente

- Nous avons présenté plus haut les forces en présences dans les assemblages, ici elles sont les mêmes mais appliquées au pièces de bois en elles même !

- Il faut évidemment les assimiler pour pouvoir se poser les bonnes questions dans une réalisation !

- Le contrebalancement des effets seront détaillés dans un prochain chapitre lié à l'étude et calculs sur une charpente .

La compression :

- En charpente, deux critères Généraux nous intéresse :

- la compression axiale (linéaire) sur une pièce (ex poteaux, jambes de force, …) et perpendiculaire ou transversale sur une pièce en appuis (ex une solive, pannes, chevrons, …)!

- La compression axiale, va avoir tendance à éclater (fentes) ou plier (flambement) jusqu'à la rupture une pièce sous la charge en fonction du fil du bois, par exemple un poteau sous dimensionné (fig 1).

- La compression perpendiculaire ou transversale, vas elle faire fléchir, rompre ou basculer une pièce, par exemple une solive ou un chevron sous dimensionné ou mal positionné (fig 3) .

La traction ou tension :

- C'est le contraire de la compression ! En charpente, deux critères Généraux nous intéresse :

- La traction axiale linéaire, dans l'absolu risque de rompre la pièce !

- Une pièce saine, ne rompra jamais en charpente, les capacités mécaniques en traction du bois sont énormes, par contre une pièce qui contiendrait des défauts du bois majeurs (gros nœuds, fil tranché, pourrissement, etc ..) ou des assemblages trop invasifs, peuvent crées des faiblesses en amorce de rupture, par exemple sur un entrait (fig 2).

- La traction perpendiculaire ou transversale, qui commet les mêmes effets que pour la compression perpendiculaire ou transversale (fig 3).

La flexion et le fluage :

- La flexion en charpente dont les causes sont expliquées ci dessus, amène à une déformation sensible sur des pièces comme les solives, pannes, chevrons, etc … , qui tend à les cintrer mécaniquement dans le même sens que les charges qui leurs sont appliquées (fig 4).

la corde, représente l'arête de la pièce droite initiale .

La flèche, représente la plus grande distance qui s'éloigne de la corde initiale.

L'arc, représente la courbure provoquée par le fléchissement.

Le fluage en charpente, est l'action des charges sur une pièce pendant une durée prolongée, accentuant la déformation par flexion .

Un bois sec chargé se déformera moins qu'un bois chargé humide !

- Par exemple un solivage posé sec ou l'on entrepose des matériaux lourds pendant un an, auras tendance a reprendre sa place !

- Par contre si le solivage était en bois “vert”, au bout d'un mois avec la même charge de matériaux entreposés, il gardera une grande partie de la déformation de flexion auquel il aura été soumis!

- Enfin dans la flexion d'un porte à faux ou console, la déformation se fait sur l'appuis du support en étirant les fibres au dessus de la pièce et comprimant les fibres au dessous .

- Les effets sont la flexion en bascule jusqu'à la rupture .

La torsion :

- Il est rare en charpente de retrouver cette contrainte mécanique à évaluer sur les bois de conception d'un ouvrage (ex un arbre de moulin à vent ou de roue hydraulique ) .

- Par contre, il y a souvent torsion et gauchement naturel des pièces, qu'il faudra agencer en considération du défaut (risques de déformations sur la structure, ou d'affaiblissement d'assemblages, de repos) (fig 5) .

Le glissement (cisaillement) :

- En charpente, ce qui nous intéresse, c'est le glissement de deux pièces de bois l'une par rapport à l'autre quand une seules de leurs faces respectives sont alignées !

- L'effet donné par compression ou traction se nomme le cisaillement (lames de ciseaux) linéaire et perpendiculaire aux fibres, c'est le cas par exemple dans le moisage lisse, ou le travail au cisaillement peut être important et dommageable . (fig 6)

fig 1 La compression sur pièces verticales fig 2 La traction ou tension fig 3 Compression et traction perpendiculaires fig 4 La flexion et le fluage fig 5 La torsion fig 6 Le glissement (cisaillement)

- Nous allons maintenant détailler chaque pièces présentes dans une charpente depuis le sol jusqu'au faîtage !

- Nous étudierons : Sa définition, sa situation et sa fonction, ses contraintes, ses conceptions et assemblages, dans le but de bien les connaître, ce qui nous permettra plus tard de comprendre quels calculs et études nous devrons appliquer sur chacune !

Les poteaux, piliers, colonnes, potelets

- Les poteaux et assimilés sont très peu abordés dans tout ce qu j'ai put chercher sur le web, il s'avère que c'est une partie très complexe et que peux osent s'y aventurer !

- Je vais donc essayer de développer le sujet pour que les lecteurs puissent se poser les bonnes questions dans leurs projets .

- En charpente, un poteau est une pièce de bois en position verticale de forte section carrée sur laquelle se concentre tout ou parties des forces de descente de charges depuis son sommet jusqu'au sol .

Un poteau de section rectangulaire allongée ou assemblé se nomme un pilier .

Un poteau de section circulaire se nomme une colonne .

Un poteau de section carrée ou approchant s'appelle aussi poutre .

Un poteau court de section carrée, rectangulaire, circulaire, se nomme potelet ou chandelle .

- La force auquel il est majoritairement confronté est la compression .

- Ci dessous quelques exemples.

Poteau de charpente traditionnelle contemporaine Pilier lamellé collé de charpente contemporaine Poteau taillé en colonne de charpente ancienne / H... Potelets dans un colombage ancien

Situations et fonctions générales des poteaux de charpente

Les poteaux de auvents :

- Ce sont les plus connus, ils sont présents dans tous les travaux de charpentes donnant sur l'extérieur “au vent” (halles, lavoirs, auvents, car-ports préau, appentis, etc …) !

- Ces poteaux doivent affronter les intempéries, c'est pour cela que l'on cherche toujours à les isoler du contact avec le sol , et il est préférables de les façonner en chêne .

- Ils sont toujours assemblés avec les fermes dont ils reprennent les charges, et avec les sablières passantes, le tout généralement contreventés .

Les poteaux centraux :

- On les trouvent généralement au centre des fermes de grandes portées, servant même parfois de poinçon !

- Leurs fonctions sont surtout de soulager l'entrait de ferme quand il doit supporter un solivage important (granges, bâtiments industriel ou collectif, etc …). On peu le dissimuler facilement dans du cloisonnement intérieur.

Les poteaux de soutènements :

- Comme le nom l'indiquent ils servent à soutenir généralement des entraits ou des pièces horizontales recevant une charge .

Les demi-poteaux :

- Comme le nom l'indique, se sont des poteaux de section rectangulaire, les petits cotés de valeur d'un demi de la face .

- Ils sont placés contre un mur, pour soulager celui ci de la pression du pied de ferme ou soulager les bois du pied de ferme ! (souvent utilisé en restauration ).

Les poteaux de colombages

- Ils sont placés comme porteurs dans l'assemblage des éléments de murs à colombages (Alsace, Normandie, etc …), ils restent apparent en extérieurs, le poteau placé à l'angle d'un bâtis se nomme “poteau cornier”.

Les poteaux biais (Mansart) :

- Ils sont présent dans les charpentes de types Mansart, ou ils ont un double emploi !

- Ils supportent la charpente du terrasson en portique, et ils accueillent les pannes et chevrons du brisis .

- La pente d'un poteau biais Mansart accuse une pente entre 60° et 80°, donné par l'arc de cercle divisé du tracé initial d'un comble mansardé entre le terrasson et le brisis .

Les poteaux jambages :

- Ils sont destinés aux assemblages de façade des lucarnes et autres baies placées dans la toiture !

Les potelets :

- Ce sont des très petits poteaux, destinés à supporter des pièces de bois horizontales comme la double sablière de coyaux, ou en demi potelet pour servir de liaison dans les blochets !

Situation des poteaux dans une charpente

Les contraintes des poteaux de charpente

La résistance mécanique :

- En premier lieu, un poteau de charpente doit être récepteur d'une grande quantité de pression due au poids de la portion de toiture qui lui est destiné.

- C'est ce que l'on appelle sa part de “descente de charge” que nous approfondirons concrètement plus tard !

- Pour le situer un poteau dans un ouvrage, sa résistance doit être égale ou de préférence supérieur en fonction de sa section, de sa longueur, de l'essence ,défauts du bois, auxquels s'ajoutent des notions de physiques comme des coefficient d'articulation (comment est il fixé), de flambement (un poteau sous dimensionné, ploie sous la charge +/- par rapport à sa longueur ).

- La compression se calcule normalement en décanewton qui est l'unité de force .

- On a la chance d'avoir le kilogramme force (kgf) à peu prés équivalent au décanewton

- ( 1 daN = 1,02 kgf ) ce qui simplifie un peu notre travail, étant habitué à compter en kg et tonnes.

Dimensionnement des poteaux :

- Hors calculs de bureaux d'études pour des ouvrages du génie civil et les calculs très précis et assez compliqués, la partie qui nous intéresse ici ce sont les capacités attribuées aux poteaux et colonnes dans des ouvrages lambdas en charpenterie traditionnelle !

- Deux catégorie de poteaux nous seront utiles, les poteaux et assimilés courts “trapus” (potelets) et les poteaux assimilés “longs”!

- 1/ les poteaux et colonnes courts (trapus ou potelets), sont de sections carrées ou parallélépipédiques, voir en colonnes de sections circulaires ou polygonales qui ont pour longueur un maximum de 5 x la longueur la plus grande de leurs sections, ou 1/4 de leurs circonférences ou facettes.

- Leurs résistances mécaniques à la compression en charpente sont très grande, car elles ne comportent pratiquement pas de “flambement” .

- Exemples : Un poteau trapus de section 20 cm x 20 cm = longueur maximum = 1 mètre. Un poteau de section 20 cm x 15 cm = longueur maximum 1 mètre. Une colonne de diamètre 20 cm = longueur maximum (20 cm x 3.14 /4) x 5 = 75 cm. Une colonne octogonale depuis un une section carrée = (total des largeurs de facettes/4) x 5

- 2/ Les poteaux longs et assimilés (colonne ou pilier) sont arbitrairement ce qui dépasse un potelet, avec des sensibilités au flambement, qui vont générer des baisses capacités de compression.

- On considère en général que le flambement doit être pris en compte à partir du moment ou la longueur d'un poteau et assimilés dépassent de 10 fois la plus grande longueur de la section !

- Exemples : Un poteau long de section 20 cm x 20 cm = longueur maximum sans flambement significatif = 2 mètres.

- Un poteau de section 20 cm x 15 cm = longueur maximum sans flambement significatif 2 mètres. Une colonne de diamètre 20 cm = longueur maximum sans flambement significatif (20 cm x 3.14 /4) x 10 = 1,57 mètres. Une colonne octogonale depuis un une section carrée = (total des largeurs de facettes/4) x 10

- Ci dessous deux liens vers les eurocodes en vigueur, pour les méthodes et formules de calculs techniques des poteaux et flambements !

http://www.geniecvl.com/calcul... http://www.geniecvl.com/initia...

- Parfois il faut calculer un poteau, ne serai ce que pour valider sa solidité dans un ouvrage de charpente .

- Toutefois il est très rare d'avoir à le faire de façon très techniques avec les formules adéquat dans un projet lambda car le bois a des capacités extrêmes, et que les cas ou il dépasserait plus de 35% de la charge admissible son rares !

- De plus les cas que j'ai découvert au cours de ma vie professionnelle, étaient surtout des erreurs de jugements ou de personnes étrangères au métier de charpentier .

- Exemple : Soit une charpente de auvent en chêne sur 4 poteaux de 4 mètres parfaitement répartit de 20 x 20 cm contreventés et articulés (fixé au pied et à la tète).

- La vue en plan de la toiture est 9 mètres coté fermes et 8 mètres coté pannes (maxi en massif débords compris) en deux pans, accuse un poids total de descente de charge de +/-15 tonnes !

- (fermes + pannes/chevrons + tuiles, lattes, sous-toiture, et voliges de charges permanentes) + (charges temporaires (climatiques, neige) et d'exploitation (poids d une personne de 80 kg) )) au mètre carré x surface des deux pans additionnés .

- 15 tonnes / 4 poteaux = 3,75 t = on arrondit à 4 tonnes supportées par chacun des poteaux pour sécurité supplémentaire .

- la charge admissible du chêne catégorie moyenne est de 136 bars.

- 1 bars = 1 kg/f au cm², donc le chêne accepte avant rupture en bois de bout 136 kg de pression au cm².

- Nos poteaux on une section de 20 cm x 20 cm = 400 cm²

- Donc charge admissible maximum 400 cm2 x 136 = 54400 kg = 54,4 tonnes théoriques .

- En atelier hors bureau d'étude, il existe une astuce pour voir si nos poteaux sont compatibles sans flambements. (Ceci n'est qu'une estimation très générale sur poteaux de section carrée) .

- On calcule un élancement arbitraire géométrique !

- Pour cela, on estime qu'il n y a pas de risque de flambement à prendre en compte, à partir du moment ou le ratio longueur du poteau et sa section ne dépasse pas 35 .

- 1/ Dans notre exemple 400 cm (longueur de poteau) / 20 cm = 20

- 20 étant inférieur à 35 , il n'y a aucuns de risque de flambement.

- 2/ Avec un poteau de 15 cm x 15 cm d'une hauteur de 8 mètres = 800 cm / 15 cm = 53,33.

- 53,33 étant supérieur à 35, il y aura du flambement à contrebalancer, ou augmenter les sections.

- Pour notre auvent, un poteau de 20 cm x 20 cm d'une auteur de 4 mètres est très largement suffisant !

- Sauf que des coefficients de réduction viennent diminuer cette capacité (articulation, élancement, flambement, assemblages, densité des bois, défauts etc …) et la liste est longue.

- Il ne faut pas que la charge réelle d'un poteau soit en moyenne supérieur à plus de 35% de la capacité maximum calculée de la pièce de bois dont il est constitué.

- Pour des travaux lambda on peut évaluer logiquement le travail d'un poteau sans avoir à passer par un bureau d'étude !

- Notre poteau évalué plus haut reçoit un poids de travail de 4 tonnes, et sachant que la valeur théorique de notre poteau 20 cm x 20 cm chêne en charge maximum admissible théorique est de 54.4 tonnes, le ratio de travail utilisé dans ce poteau n’est que de (4T x 100%) / 54,4T = 7,35%, ce qui est dérisoire.

- 2/ Imaginons un cas illogique :

- un poteau chêne de 10 cm x 10 cm x 5 m qui ne supporterais que 136 x 100 cm2 = 13,6 tonnes théoriques admissibles.

- 500 cm / 10 cm = 50, cela dépasse les 35 donc flambement élevé avéré !! la section ne conviens pas.

- (4T x 100%) /13,6T = 29,41 % de sollicitation.

- ici on prendrais d’énormes risques, le poteau ploierais sous la charge et finirait par céder !

- 3/ Évaluons la section de poteau minimum sans flambement :

- (400 cm2 x 35 %) / 100 % = 140 soit une section de 14 cm x 14 cm minimum pour 4 mètres sans flambement.

- Charge admissible théorique 196 x (14 cm x 14 cm ) = 31,3 t.

- (4T x 100%) / 31,3 T = 12,7 % de sollicitation, ce qui est acceptable, par contre les appuis des assemblages, charge au vent, et autres paramètres seront eux aussi à évaluer.

- Dans ce dernier cas un charpentier ne prendra pas de risques, et passera directement à des poteaux de 20 cm x 20 cm .

- Enfin, dans le cadre d'une étude d'un projet, le plan papier ou le dessin 3d logiciel, nous démontrera visuellement si un poteau est logique ou pas dans son ensemble !

- Un poteau doit être au final équilibré, voir sur évaluer si des charges futurs pourraient lui être apportées (ex solivage chargé d'un atelier en plus de la couverture).

- Un poteau sous évalué, sera visuellement dans le dessin pas adapté et les estimations plus haut le confirmeront !.

- Si des charpentiers pros ici étaient en possessions de abaques de poteaux tout calculés récentes ou de fichier excel de calcul, j aimerais si c'est possible avoir les exemples ci dessus en réel calculés pour visualiser les différences entre réel et approximations d'atelier !.

A chaque ouvrages de charpente son poteau !

- Le but de ce pas à pas je le rappelle ici est de se poser les bonnes questions, et d'intégrer des bases de charpentes utiles dans les projets particuliers.

- Le dimensionnement des poteaux est une question récurrente sur les forums, ci dessous nous allons explorer celui ci sur quelques exemples courants.

- Les charpentiers adaptent les sections de poteaux à leurs ouvrages en fonction des bois standards 8 x 8 cm jusqu’à 30 x 30 cm, ou ils doivent faire un débit sur liste si des configurations spéciales le demandent.

- Les poteaux de 8 x 8 cm à 10 x 10 cm :

- Ces sections de poteaux légers sont surtout pour des menus ouvrages du types pergolas, auvents, bûchers, poulaillers, petite remises ou cabanes de jardin, tonnelles, etc ..

- Il faut qu'il soient un minimum contreventés, et ne doivent pas accueillir des matériaux de couvertures lourds.

- Il faut veiller à bien les fixer au sol (isolé du sol) pour que des bourrasques de vents ne viennent pas abattre les constructions .

- Une longueur de poteau de 2.50 m doit être un maximum.

8 x 8 cm à 10 x 10 cm 8 x 8 cm à 10 x 10 cm 8 x 8 cm à 10 x 10 cm

Les poteaux de 12 x 12 cm à 15 x 15 cm :

- Ici nous arrivons à des poteaux d'ouvrages accueillant une couverture fixe, solide, légère.

- Si il y a des tuiles, ce ne peut être que pour des ouvrages de peu de surface.

- Auvents accolés, terrasses couvertes, cars port, abris de piscines, chalets de jardin, cabanes d'enfants etc ..

- Des longueurs de poteaux de 3 mètres sont possibles, et plus si accolés et fixés aux murs !

- Ils doivent bien sur être contreventés traditionnellement et articulés (assemblés) en tête et au pied (isolé du sol).

poteaux de 12 x 12 cm à 15 x 15 cm poteaux de 12 x 12 cm à 15 x 15 cm poteaux de 12 x 12 cm à 15 x 15 cm

Les poteaux de 15 x 15 cm à 20 x 20 cm :

- Ce sont les plus utilisés en charpentes, ils permettent de réaliser des travaux conséquents ! Ils sont destinés aux projets contenant une couverture traditionnelle sur une grande surface de toiture, (voir à supporter des aménagements de charpentes intérieurs (mezzanines, reprises d escaliers, etc …)).

- Auvents, préaux ,habitats à ossatures bois, ateliers, petits hangars, garage, etc …

- Ils doivent obligatoirement être fixés solidement au sol,(isoler du sol si placés en extérieurs), et être solidement articulés (assemblés) en tête, et comporter un contreventement en fonction .

Poteaux de 15 x 15 cm à 20 x 20 cm Poteaux de 15 x 15 cm à 20 x 20 cm Poteaux de 15 x 15 cm à 20 x 20 cm

Les poteaux de 20 x 20 cm et plus :

- Ici on arrive dans le monumental, l'industriel, ou le désigne architectural !

- On doit par conséquent ici généralement faire des études et calculs techniques, au moins pour vérifier les structures.

Poteaux de 20 x 20 cm et plus Poteaux de 20 x 20 cm et plus Poteaux de 20 x 20 cm et plus

Les configurations de poteaux, piliers et autres que standards

- Les piliers assemblés :

- Dans des ouvrages qui sortent du traditionnel, pour des raisons design architecturaux ou génie civil, les éléments porteurs sont parfois assemblés de plusieurs pièces de bois ou “moulés” en lamellé collés.

- Ces éléments sont alors à étudier et à calculer en particulier (Photos 1-2-3).

- Les colonnes carrées, circulaires, sculptée :

- Ce sont à la base des poteaux, que l'on façonnent sur des critères antiques pour des monuments ou de la décoration particulière.

- Pour le calcul, on part d'un poteau carré, auquel il conviens d'ajouter parfois le bois en plus pour le façonnage. (Photos 4-5-6).

Piliers assemblés Fig 4 Piliers assemblés Fig 5 Piliers assemblés Fig 6

Colonnes section carrées Colonnes sections circulaires Colonne sculptée

Notions d'articulations des poteaux

- Il existe une quantité de moyens de lier les poteaux en tête et au sol, ci dessous les plus communs qui peuvent être déclinés suivant les besoins et les ouvrages (Schémas ci dessous 1-2).

- Enfin un élément porteur ne doit jamais être en contact direct avec le sol, surtout en extérieur, les deux exemples ci dessous (3-4) le prouvent.

- En charpente intérieur, au sol le poteau doit être minimum fixé sur une semelle en bois dur (ex poteau de mezzanine) ou fixés avec un dé en pierre ou béton (il faut que eux même, acceptent la même charges que les poteaux vont leurs communiquer) pour des éléments très porteurs.

Articulations des poteaux Fig 1 Articulations des poteaux Fig 2 A ne jamais faire !!! Fig 3 Pourrissement d un poteau enterré ou scellé dans l... Fig 4

Notions de base de charpente pour L'Air du Bois

— Michaud Jacky 2019/03/13 18:43