Notions physiques, mécaniques et géométriques de bases appliquées en charpente.

Les notions de physiques élémentaires en charpente

- Celles ci sont principalement les poussées en pression verticales et latérales .

- Elles sont enfantines à assimiler, mais doivent être réfléchies en permanence dans le métier de charpentier; en effet, elles seront chaque fois présentes, et donc à contrebalancer partout dans un ouvrage.

- Les illustrations ci-dessous situent bien à quoi nous avons à faire!

- Une pression verticale (poids de la couverture, neige, etc.)sur des bois jointés au sommet et reposant sur des murs , exerce une poussée oblique le long des pièces, communiquant à leur tour une poussée latérale sur le haut de ces murs vers l'extérieur, par conséquent occasionnant leurs basculements simultanément, ainsi que l'écroulement du sommet vers le sol.

- Pour palier à ce désordre, il convient de rediriger les forces obliques et latérales verticalement vers le sol par ajout de moyens physiques!

- 1/ Construire un pignon sur lequel repose tout le poids de la couverture “diluant” ainsi les poussées dans le volume de celui-ci !

- Cette solution serait la plus efficace, si elle n'occultait pas une grande partie de la surface utile au sol. (Fig 1).

- 2/ Fixer un poteau ou une colonne sous le sommet permet efficacement de diriger la poussée verticale directement au sol!

- Cette solution, qui fut très souvent utilisée, libère une grande partie de l'espace libre utile au sol, mais crée quand même un encombrement qui peut être gênant dans certaines fonctions du bâtit. (Fig 2).

- 3/ Fixer une pièce ou un lien reliant les deux bases des bois, ce qui annule les poussées obliques par étirement horizontal en opposition,transmettant ainsi la poussée d'origine verticalement sur les murs .

- Ici nous venons de créer une triangulation, d'une efficacité remarquable autoportante, tout en libérant totalement le vide utile au sol. (Fig 3).

Fig 1 Fig 2 Fig 3 Fig 4

Notions mécaniques de charpente.

- Malgré la création d'une triangulation qui a déjà expliqué son efficacité, les paramètres de forces contenus dans une charpente agissent sur les matériaux dont elle est constituée, et peuvent créer ici aussi des désordres conséquents et néfastes sur le bâtit et les usages!

- Notre triangulation va en effet subir des déformations internes qu'il faut contrebalancer par un réseau secondaire pour sa pérennité!

Conséquence mécanique de triangulation simple :

- La poussée verticale de pression au sommet, bien que redirigée en verticale des murs, crée un fléchissement vers le sol des bois en transformant la poussée oblique linéaire annulée par le tirant en pression perpendiculaire, occasionnant par la même un affaissement du sommet .

- Si l'action n'est pas contrebalancée , il y a risques de déformations majeures de l'ensemble, affaiblissement des assemblage, voire rupture des pièces. (fig 1-2)

Conséquence mécanique de triangulation avec soutènement central :

- En ajoutant un pilier central sur la triangulation simple, placée sous sommet et reposant sur l élément horizontal, nous diminuons nettement le fléchissement des bois obliques!

- Même s'il y a diminution des efforts, la compression du pilier redirige la pression verticalement au centre de l'élément horizontal, le faisant fléchir à son tour.

- Si l'action n est pas contrebalancée, il peut se produire des déformations préjudiciables à la toiture, ainsi qu'aux éléments intérieurs; par contre le risque de rupture est endigué. (fig 3-4)

Conséquence mécanique de triangulation avec soutènement central et jambes de forces :

- A notre triangulation avec poteau central, nous ajoutons des “Contrefiches et jambes de forces” pour contrebalancer les derniers fléchissements!

- Les novices en charpente font pratiquement tous la même erreur , à savoir fixer ces jambes perpendiculairement aux bois obliques et reposant sur le bois de liaison horizontal!

- En effet, on pourrais dire qu'il se produit une triangulation secondaire, mais avec ce principe, toutes les forces vont converger vers un même point central, occasionnant une logique d'affaissement général de l ensemble, sans toutefois s'écrouler.

- Cette construction dans le temps peut conduire à des déformations de la couverture et des éléments intérieurs.(fig 1-2)

- L'aboutissement d'une construction pratiquement indéformable, c'est ce que l'on nomme une “ferme” , constituée d'un appareillage de bois d assemblages formant une géométrie pérenne dans le temps!

- Ici, les jambes de force sont placées judicieusement de manière à reporter toutes les forces en traction opposées sur l'élément horizontal .

- Pour cela, il faut que le poteau central maintenant appelé “poinçon” soit enserré par assemblages aux bois obliques appelés “arbalétriers”; ce principe en effet empêche le poinçon de s'affaisser par compression des coupes des arbalétriers sur celui-ci .

- Les jambes supérieures désormais appelées “contrefiches”, retiennent le fléchissement des arbalétriers en s'appuyant sur le poinçon, créant ainsi un “étirement” bénéfique de celui-ci. (fig 2 bis)

- Si la portée des arbalétriers est plus grande, on applique des “jambes de forces” de leur vrai nom “jambettes” suivant les régions, fixées sous ceux-ci et reposant sur le bois horizontal appelé maintenant “entrait ou tirant”, dans une position oblique vers l'extérieur, donnant encore ici une logique d'étirement en opposition.

- Cette géométrie ainsi conçue, donne à la triangulation principale 6 triangulations secondaires, annulant toutes les forces mécaniques contenues dans une ferme, ne laissant que la force principale verticale de pression partir au sol depuis les aplombs des murs.(fig 3-4)

- En réaction du risque de confusions soulevées par Kentaro, tous les schémas ci-dessous ne sont ici que pour visualiser les principes, leurs physionomies sont non contractuelles!

Fig 1 Fig 2 Fig 2 Bis Fig 3 Fig 4

Notion géométrique ancestrale de charpente.

- Compte tenu des effets mécaniques et physiques à contrebalancer dans une ferme de charpente, assez rapidement les charpentiers antiques inventeront la ferme triangulée (En l'occurrence la ferme latine par les romains)!

- Le principe de base est très simple : il suffit de diviser en 4 parties égales au niveau de l'entrait, et de diviser en 2 parties la hauteur au poinçon.

- Cette construction géométrique seule ne suffit pas à rendre “indéformable” une ferme de charpente, il faut lui apporter des positions de bois appropriées, et des assemblages performants!

- Le schéma ci-dessous indique les forces en présence dans une triangulation géométrique d'une ferme latine.

Notion de triangulation ancestrale en charpente

Notion de triangulation ancestrale en charpente.

- Toute la logique physique, mécanique et géométrique de ce chapitre doit être absolument apprise et comprise dans le métier de charpentier,elle sera appliquée de fait tout au long de sa carrière, gage d'un travail bien fait et pérenne dans le temps.

Notions de base de charpente pour L'Air du Bois

— Michaud Jacky 2019/03/12 15:21