Structures porteuses en bois. Règles constructives

Les informations technigues bois de Lignum

Structures porteuses en bois Rรถgles constructives pour la conception et Vรถlaboration d'un proje

2/1995

Prof. Ernst Gehri, chaire de technologie du bois, EPF Zurich Adrian Mischler, dipl. Bauing. EPFZ

LIGIVUM

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Table des rnatiöres

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1 Introduction Importance de la conception constructive sur l'efficacitä d'une structure porteuse Importance du type de sollicitation 2.1 Poutres flöchies mise en ceuvre avec des dötails 2.2 reduisant la capacitd portante lnfluence d'entailles au droit des appuis 2.3 Angles de cadres 2.4 Comportement mecanique des assemblages 3 en bois Critöres d'optimisation pour la conception des 3.1 assemblages 3.2 Assemblages soumis ä la compression transversale Assemblages soumis ä la traction transversale 3.3 Assemblages soumis simultanöment au 3.4 cisaillement et ä la compression transversale Importance des excentricitös 3.5 Importance d'un comportement ductile 3.6 Importance de la technique d'assemblage pour 4 le projet et l'exäcution Fonctionnement en sörie ou en parallöle 4.1 Efficacitö d'un type d'assemblage 4.2 4.2.1 Degrd d'efficacitö 4.2.2 Comportement idöal d'un assemblage 4.2.3 Assemblages möcaniques de grande efficacitd Mise en ceuvre rationnelle 4.3 Conception et dimensionnement simples 4.4 4.4.1 Gönöralitds 4.4.2 Fidduction des coüts de la conception 4.4.3 Assemblages types lnteraction entre la technique d'assemblage 4.5 et la conception constructive 4.5.1 Poutre triangulöe ä doubles diagonales croisdes 4.5.2 Poutre triangulöe assemblöe par des plaques ä clous

2

23 5 Conclusions 23

6

24

Normes et bibliographie Impressum

1 Introduction Les regles constructives pour la conception et rölaboration de structures porteuses en bois, prösentöes dans ce document, sont basöes autant sur une longue expörience pratique que sur des döveloppements plus Photo 1 Pour le portique d'entrde du pont «Dörflibrücke» ä Eggiwil (BE) la transition bois-bdton a ete röalisde au moyen d'un assemblage bois-mötal.

röcents issus de la recherche. Elles sont, pour les architectes et les ingönieurs, une aide pour la conception et doivent permettre de mieux comprendre le comportement des structures porteuses en bois. Les regles de

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dimensionnement en revanche ne sont pas präsentäes ci-dessous. Les assemblages doivent en premier lieu räpondre aux exigences relatives ä la säcuritä structurale (räsistance) et ä l'aptitude au service (rigiditä). En outre il est capital d'analyser le comportement des assemblages lorsqu'ils sont soumis ä des variations du taux d'humiditä.

On observe couramment au droit des assemblages des contraintes additionnelles räsultent de däformations empächäes. Dans le cas d'une traction transversale le bois fissure fräquemment, ce qui reduit la capacitä portante. II est possible de reduire sensiblement le risque de fissuration du bois par un conditionnement adäquat des piöces ä assembler.

De präförence an limitera la teneur en eau ä une valeur inferieure ä la valeur moyenne previsible d'utilisation. La mise en oeuvre d'un bois sächä correctement est donc un facteur essentiel.

La conception constructive des structures porteuses en bois et plus particuliärement celle des assemblages a une influence däcisive sur les caracteristiques suivantes: Photo 2 Les broches mötalliques traversantes döpassant lögärement ont ötö mise en place depuis la face arriere, produisant un arrachement superficiel du bois. Malgrö I'avant-toit cette zone est röguliärement exposöe aux intempöries, ce qui agit nögativement sur la durabilitö et l'esthätique de l'assemblage.

Photo 3 Portique d'entröe de la passerelle pour piötons de Liembach (ZH). Werne type d'assemblage boismötal que pour la photo 1.

• • • •

L'esthätique La durabilitä Le coüt L'efficacitä

Le critäre esthätique est tres important pour des structures restant visibles. La täche prin-

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cipale dans le cas present est d'offrir des solutions constructives qui repondent aux exigences fluctuantes de l'esthetique tout en respectant les criteres lies ä la durabilite et au coüt.

Photo 4 Contrairement ä la photo 2 dans le cas präsent les broches ne sont pas traversantes et n'apparaissent pas sur la face exterieure exposäe aux intempäries. II en räsulte une amelioration simultanäe de la durabilitä et de l'esthätique.

Pour satisfaire le critäre «clurabilite» il faut mettre en ceuvre ccerrectement le bois. Pour ce faire il faut avant tout respecter les regles constructives et choisir les bons details. Si ces conditions ne peuvent pas etre respectees il faut recourir a des moyens de protection compensatoire comme, par exemple, la mise en ceuvre d'essences de bois resistentes ä I'humidite ou l'utilisation de produits chimiques pour la preservation du bois.

Photo 5 Protection constructive de la structure porteuse en bois par mise en place d'äläments de protection facilement interchangeables.

Pont «Aabachbrücke» ä Uster (ZH).

De nos jours, la conception des details et la minimisation de la main d'ceuvre sont les facteurs determinants permettant de garantir la competitivite economique d'une structure porteuse en bois. Les coüts de la structure sont en grande partie determines par le choix du type et du systäme de construction.

Ce choix est generalement fait par les planificateurs, c'est-a-dire par les architectes et les ingenieurs.

De ce fait, on neglige frequemment les possibilites d'une production rationnelle permettant de minimiser les coüts de fabrication, qui ne peuvent etre atteints que par un choix adapte du type et du systeme de construction.

Le critäre <<efficacite» est en fait contenu impliciternent dans l'evaluation economique. La competitivite du bois pour des structures porteuses ne peut s!arneliorer ä long terme que se I on remplace les methodestraditionnelles de construction par de nouvelles methodes de construction plus rationnelles. L'efficacite dans la construction en bois est dictee- en, priorite par les assemblages et les details de construction, ce qui explique l'irnportance des techniques d'essemblage et:de la Conception des deteils,

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Importance de la conception constructive sur l'efficacitö d'une structure porteuse 2.1

Importance du type de sollicitation

L'efficacitö du bois est maximale lorsqu'il est principalement sollicitd parallölement aux fibres. Une comparaison simple avec d'autres types de sollicitations et avec l'acier est präsentde ci-dessous.

Efficacite acier

Efficacite bois

A 100%

100%

1111

traction/compression cisaillement independent de l'orientation

fin

comp es- traction cisaillesion ment II aux fibres

1111

compres- traction sion 1 aux fibres

Figure 1

Figure 2

Cette comparaison met en evidente les points suivants:

Des renforcements locaux avec des produits därivös du bois tels que des äläments feuilletäs colläs ou contreplaquäs permettent de remädier aux faiblesses du bois massif ou du bois lamellä collä. Les dätails constructifs pour lesquels apparaissent des sollicitations perpendiculaires aux fibres et/ou des contraintes äleväes de cisaillement, peuvent röduire la capacitä portante d'un äläment d'ouvrage et peuvent mener ä une rupture prämaturöe. De telles sollicitations peuvent ötre övitäes par une conception constructive adäquate ou ötre juguläe en ecartant de tels point faibles (par exemple par des renforcements locaux adaptös). De cette fa9on il est possible d'augmenter significativement la compätitivitä äconomique et l'efficacitä de la structure.

• Des constructions en bois sollicitöes ä la compression prdsentent de facon göndrale une efficacitä supörieure ä celles qui sont soumises a la traction.

• Pour des ölörnents de construction sottmis ä un cisaillement important il peut arriver que le recours ä du bois massif (BM) ou ä du bois lamelld colld (BLC) ne soit plus judicieux.

• Des ölörnents de construction soumis a des sollicitations transversales aux fibres doivent ötre dvitds. Dans le cas ou l'on ne peut exclure la traction perpendiculaire aux fibres, a1 faut prendre des mesures constructives adequates.

Figure 3 Poutre transversale du pont routier du San Niclä (GR).

joint special ä entures multiples bois contreplaque

bois lame116 tolle (lamelles disposäes verticalement)

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2.2 Poutre flöchie mise en oauvre avec des dötails constructifs reduisant la capacitö portante Par l'exemple d'une poutre flechie, qui est un avoir les details constructifs. Les modes de element porteur courant, il est possible de ruptures representees aux figures 4 ä 6 cimettre en evidence l'influence que peuvent dessous sont alors possibles: Figure 4 Rupture due ä la compression transversale — par une surface d'appui insuffisante — par une repartition irreguliere des efforts d'appuis par omission de la rotation de la poutre sur I'appui.

Figure 5 Rupture due ä l'effort tranchant en combinaison avec une traction transversale — en raison d'une entaille dans la zone inferieure — en raison d'un assemblage par tenon.

— en raison d'un evidement en travee

Figure 6 Rupture par flexion — en raison d'entailles (combinaison de cisaillement avec de la traction transversale) — en raison d'un joint ä entures multiples de la lamelle inferieure (pour BLC) dont la qualite, si elle est insuffisante, peut representer un point faible (assurance de qualite).

Evidement en travee d'une poutre BLC

entalle dans la zone inferieure au droit de l'appui

f assemblage par teflon

Entaille inferieure en travee de la lamelle inferieure

lnfluence d'entailles au droit des appuis

2.3

Pour des raisons constructives (hauteur ä disposition, securite accrue au deversemenü on pratique parfois des entailles dans la Partie inferieure des poutres au droit des appuis.

Un type particulier d'entailles se rencontre dans le cas de chevetres assembles par des

Degre d'efficacite

tenons dans les poutraisons traditionnelles.

Comme on peut le constater aux figures 7 et 8, de telles entailles menent, particulierement dans le cas de poutre de grande hauteur, ä des reductions importantes de la resistance au cisaillement.

cisaillement (qualitatif) poutre sans entaille Reduction de la rasistance au cisaillement due ä la gaometrie Raduction de refficacite en raison de la fissuration de la poutre

Fissuration

0 0,5 Figure 7

Figure 3

7

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La fissiiration de la poutre peut ötre ävitäe par un renforcement local realise par exernple au moyen de tiges fitetees encolläes.

L'affaiblissernent dü ä la gäornötrie peilt ötre reduit ou cornpensä par la mise en ceuvre d'elönients contreplaquös (degrö d'efficacite cisaillernent = 1).

Joint späcial ä entures multiples

bois contrep aqute en hätre

Photo 6

BLC (=bois lamelle tolle)

Figure 9

2.4

Angles de cadres

Dans les cadres les moments de flexion doivent ötre daviös par les angles de cadres.

De ce fait il se forme un champ de sollicitations avec des contraintes de cisaillement importantes.

Figure 10 Cadre ä trois articulations

Figure 11 Exöcution d'un angle de cadre au moyen de braches

Pour les cadres ä trois articulations les moments de flexion sont gänäralement maximaux au droit des angles de cadres. Indäpendamment du type d'assemblage on peut affirmer que pour une exäcution traditionnelle non renforcöe en bois lamellä collö,

on reste infärieur ä 40% de la capacitö portante des piäces assembläes. En raison d'une introduction non uniforme des efforts et d'affaiblissements locaux cette valeur maximale theorique ne peut ötre atteinte.

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Justification: Dans un angle de cadre avec un champ de cisaillement carre, les contraintes de cisaillement 7 atteignent 1/4 des contraintes de flexion um (en partant de l'hypothäse favorable d'une röpartition constante des contraintes de flexion um.)

Du fait que la rösistance au cisaillement fv vaut approximativement 1/10 de la rösistance ä la flexion an assiste ä la rupture au cisaillement lorsque Von atteint 40% de la rösistance ä la flexion

Figure 12

Un accroissement de l'efficacit6 peut etre atteint en recouvrant ä une ou plusieurs des cinq mesures suivantes:

Champ de cisaillement

a) En augmentant la surface du champ de contraintes tangentielles. gäomätrie favorable Eviter un changement trop rapide de section, —> produisant des sollicitations obliques aux fibres

L'augmentation de cette surface accroit le degrö d'efficacitö d'un facteur valant approximativement (h1/ho)2.

Figure 13

b) En recourant ä l'utilisation de matöriaux dörivös du bois avec des rösistances aux cisaillements plus eleväes.

Joint späcial ä entures multiples BLC

Därivä de bois avec une räsistance äleväe au cisaillement, tel que contreplaquä en hötre, par exemple

La rösistance au cisaillement fy du bois contreplaque est nettement supörieure ä celle du BLC. Avec des valeurs fv hötre 4 ä 5 fv BLc ce ne sont plus les ängles de cadres mais les joints ä entures multiples qui deviennent däterminants. Le degre d'efficacitä maximum assemblage se situe alors aux environs de 0,8.

Figure 14

c) Par mise en oeuvre d'un assemblage möcanique avec renforcement local pour la reprise de l'effort diagonal.

Modäle statique simplifiä Efforts diagonaux repris par des töles metalliques

traction compression

traction compression

Figure 15

Si l'angle de cadre est realise de facon optimale (par exemple par assemblage BSB) il est possible d'atteindre un degre d'efficacitö d'environ 0,6 indöpendamment de l'orientation des contraintes resultant des moments.

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Poutre BLC = traverse du cadre

d) Par combinaison avec d'autres materiaux de construction.

Si Von transfere le champ de cisaillement dans la colonne metallique, l'efficacite de l'angle de cadre est limitee par l'assemblage.

Äme du profil metallique champ de cisaillement Assemblage bois-matal realise au moyen de broches Degre crefficacite 1= 0,6 profil metallique = colonne du cadre

Figure 16

e) Par choix approprie du systeme statique.

Les 1-6-Hexions faites jusqu'ici partent de valeurs du moment de flexion definies au droit des angles de cadres. Frequemment c'est dans cette zone oü le degrö d'efficacite est reduit que l'on a les moments de flexion maximaux. Par le choix approprie du systeme statique et du rapport des rigidites il est possible d'optimiser la röpartition des moments pour repondre aux exigences des angles de cadres.

Une reduction des moments de flexion dans les angles de cadres peut ötre obtenue par: a) Une modification du systeme statique b) Une modification du rapport des rigidites des traverses et des colonnes (dans le cas de systemes hyperstatiques), par exemple avec une colonne elancee en metal.

Figure 17 Systemes statiques et diagrammes des moments correspendants.

3

Comportement möcanique des assembrnges en bois Le comportement des assembiages de structures en bois relatif ä l'aptitude au service et ä la securitä structurale est, par analogie au comportement du bois en general, dependant des charges et de la direction des sollicitations par rapportä l'orientation des fibres.

Des modifications de la teneur en eau ont une grande influence sur le comportement möcanique. Ce domaine comprend egalement le sechage de bois mis en ceuvre avec une teneur en eau trop elevee (bois vert ou ressuyel.

3.1 Critöres d'optimalisation pour la conception des assembiages Selon Trysna (1941)* il faudrait satisfaire les quatre critäres suivants:

* Trysna E: Über die Formänderung hölzerner Tragwerke.

Mitteilungen des Fachausschusses für Holzfragen heim Verein Deutscher Ingenieure im NSBDT und Deutschen Forstverein 1941, Heft 30.

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a) Le retrait (et le gonflement) du bois perpendiculairement aux fibres ne doit pas provoquer des modifications de la göomötrie. Cela veut dire que des ölöments de la structure porteuse ne doivent en aucun point transmettre des charges perpendiculairement aux fibres.

Figure 18 Zone avec transmission de charge perpendiculairement aux fibres

Photo 7

Plaque d'assemblage en acier ou en contreplaque

b) Le bois doit ötre sollicitö axialement (parallölement aux fibres). Dans les assemblages an ne doit avoir que de faibles sollicitations perpendiculairement aux fibres.

Les döformations elastiques perpendiculaires aux fibres qui sont indösirables deviennent alors insignifiantes (figure 19). c) La transmission des efforts dans les assemblages doit s'effectuer parallölement aux fibres. II est pröförable de recourir ä des solutions avec des sections cisaillöes multiples (figure 20).

Figure 19 Equilibre possible. Les moyens d'assemblage ne sont sollicitös que parallölement aux fibres.

Avantages: • longueurs d'assemblages reduites • röpartition uniforme des efforts • efficacitö accrue d) Les reductions de sections et les effets d'entailles doivent ötre aussi faibles que possible.

I I 1

1

i l 1 .

••-.—..--

Figure 20

I . .11...e....)

11

3.2

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s Tassement dü ä des compressions transversales plus elevees.

Assemblages soumis ä la compression transversale

Dans la plupart des constructions traditionnelles on observe des elements sohieltes perpendiculairement aux fibres. Autant pour des constructions ä ossatures bois que pour celles ä colombages, les filieres horizontales representent une part significative de la hauteur des murs. Pour de telles realisations des tassements sont inevitables. e Tassement dü ä une mise en ceuvre du bois humide ou ressuye.

Une protection contre les intemperies insuffisante durant le chantier ou une absorption capillaire de I'eau contenue dans les chapes produisent le möme effet. Le tassement correspondant ä une reduction de 4% de la teneur en eau vaut environ 1% de la hauteur totale des filieres horizontales.

Si le sechage se produit pour des elements charges, alors les deformations elastiques sont accompagnees de deformations plastiques encore plus importante. Ces deformations plastiques dues au fluage peuvent atteindre un multiple des deformations elastiques.

En raison d'une faible rigidite transversale (environ 50 fois plus falble que parallelement aux fibres) ces tassements sont non seulement superieurs proportionnellement mais egalement en valeur absolue.

Les mesures suivantes permettent d'ameliorer les assemblages soumis a des compressions transversales: a) Reduction de la hauteur totale des filieres horizontales au minimum neeesseire constructivement. b) Reduction de la sollicitation perpendiculaire aux fibres par mise en place de sabots en bois dur (augmentation de la surface sollicitee perpendiculairement aux fibres). c) Execution des filieres horizontales avec un bois dont les caracteristiques mecaniques transversales sont meilleures (par exemple bois resineux d'une densite superieure tel que le meleze ou, mieux, en utilisant du bois dur). d) Renforcement de la zone comprimee de la filiere horizontale par une «armature» transversale du bois.

Figure 21

3.3 Assemblages soumis ä la traction transversale Lorsque Von determine la resistance ä la traction perpendiculaire aux fibres sur de petites eprouvettes sans defaut on obtient des valeurs relativement elevees. Les pieces en bois de dimensions courantes, utilisäes dans la construction, presentent des fissures de retrait qui Comparaison:

Compression perpendiculaire aux fibres foo

reduisent fortement cette rösistance. Pour la compression oblique traitee precedemment l'influence de ces fissures de retrait est insignifiante.

La traction oblique doit ätre evitee. Des assemblages presentant des tractions obliques importantes ne peuvent pas etre d'une efficacite suffisante.

Traction perpendiculaire aux fibres foo

(Valeurs en Nimm') 1.2

2 .•› 3 1.5

Figure 22

2.5

1

1.5

1.8

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2 /JVA 21, Fissure

Figure 24 Introduction de I'effort parallölement aux fibres.

Disposition favorable et efficace; traction oblique locale au droit des moyens d'assemblage (grandeur döpendante du type et du diamätre du moyen d'assemblage).

Figure 23 Introduction de I'effort transversalement aux fibres.

Sollicitation oblique importante; pour une disposition döfavorable des moyens d'assemblages il rösulte une traction oblique importante.

3.4

Assemblages soumis simultanärnent au cisaillement et ä la compression transversale

La compression transversale augmente la ment fv lorsque Von est simultanement en capacite portante au cisaillement. L'interde- presence de compression oblique. C'est le pendance est mise en evidence dans le dia- cas notamment pour les poutres lorsque l'on gramme d'interaction (figure 25). Dans cer- ne tient compte que partiellement des chartains cas on tient partiellement compte de ges proches des appuis pour effectuer la veriI'augmentation de la resistance au cisaille- fication au cisaillement (figure 26).

Cisaillement fv

Valeur caracteristique (indice k) Dispersion Zone d'ecrasement

Traction transversale ft90 Compression transversale fc,90 fc,90,k

ft,90,k Figure 25

Charge ponctuelle proche de I'appui

h Ligne d'influence de la röaction d'appui Figure 26

Une möme influence positive de la compression transversale peut ögalement ötre observöe dans le cas du cisaillement simple. C'est le mode de rupture le plus courant pour les embrövements. Comme on peut l'observer

Figure 27

dans le diagramme d'interaction la rösistance au cisaillement chute de fagon importante dös qu'apparaissent des tractions transversales. De telles conditions doivent ötre öcartöes constructivement.

13

En considärant l'äquilibre du systäme on constate que des tractions obliques locales apparaissent dans la zone d'introduction de l'effort (Figure 27, ä gauche).

3.5

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Gräce ä la composante perpendiculaire aux fibres la traction transversale est remplacäe par une compression transversale; II en rösulte un accroissement de la resistance au cisaillement (Figure 27, ä droite).

Importance des excentricites

Pour les poutres trianguläes i1 faut äviter les excentricites. Le respect de cette exigence perrnet d'äviter des sollicltations supplä mentaires dans les Barres et les assemblages, räsultant des conditions d'äquilibre. Les efforts (systeme hyperstatique), dus ä des assemblages partiellement encaströs, ne peuvent cependant pas ötre ävitäs. Des mesures constructives permettent näanmoins de limiter leur importance.

Excentricitö des axes situes dans le plan de la poutre

Une exäcution sans excentricite n'est simplement pas possible pour diffärents types d'assemblages couramment utilisäs de nos jours. La diminution de l'efficacitä resultant des excentricites peut ötre importante et doit donc ötre prise en compte lors du dimensionnement.

Pour des parties trianguläes planes on distingue les excentricites suivantes:

Excentricitö des axes perpendiculairement au plan de la poutre

centre

excenträ

Figure 28 Ces excentricites se rencontrent • Pour des assemblages clous ou räalisäs avec le systäme Menig.

• Parfois ägalement pour des poutres trianguläes avec des plaques d'assemblage, particuliärement pour des plaques ä clous

Figure 29 Ces excentricites se rencontrent • Pour des assemblages clouös ou räalisäs avec le systäme Menig.

• Pour des assemblages avec anneaux ou crampons (des exäcutions asymätriques doivent ötre exclues)

Exemple execution clou6e/exöcution Menig Excentricitä

• dans le plan de la poutre • perpendiculairement au plan de la poutre

Figure 30

-4

II en resulte des sollicitations obliques supplämentaires dans les membrures (exäcution sans plaque d'assemblage) Par le recours ä des sections ätroites elle peut ötre minimisäe (figure 30).

Les excentricites ont une importance capitale dans le systäme Menig du fait que son efficacitä est supärieure ä celle des assemblages clouös.

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Exemple d'exöcution avec des anneaux Les excentricitäs perpendiculairement au plan de la poutre sont particuliärement importantes. Gräce ä une disposition symätrique, la torsion dans les diagonales et la flexion dans les poteaux sont en grande Partie reprises par l'assemblage.

Une amölioration n'est possible que par le choix de l'äpaisseur minimale des piäces ä assembler (en fonction du diamätre de l'anneau) et par la mise en ceuvre de boulons de plus gros diamätres que ceux recommandös couramment (part plus importante des efforts räsultant de l'excentricitä reprise par flexion du boulon).

Figure 31

3.6

Importance d'un comportement ductile

En plus d'une capacite portante et d'une rigidite suffisante il faut privilegier les assemblages tres ductiles. Dans la construction en bois ce sont generalement les assemblages qui sont les points faibles. Dans la mesure oü ces points faibles sont inevitables ils doivent etre realises avec une ductilite maximale.

La mesure de la ductilite d'un seul ou d'un groupe de moyens d'assemblage est donnre par le rapport de la deformation Ölestique wy ä la deformation ultime wu.

La ductilitö est d'une importance capitale: • Pour le comportement gänäral de la structure porteuse: le transfert d'efforts resultant de la ductilitä an obtient gänäralement une capacitä portante supärieure.

• Pour le comportement de l'assemblage: Du fait que le matäriau de base, qui peut ötre le bois ou un matäriau dörivä du bois, a souvent un comportement ä la rupture träs fragile, il faut präconiser une conception des assemblages visant ä obtenir une rupture ductile des moyens d'assemblage.

• Pour le comportement d'un groupe de moyens d'assemblage: En regle gänärale un joint est räalisä par plusieurs moyens d'assemblage. La sommation des capacitäs portantes de ces moyens de liaison ne peut se faire qu'en partant de l'hypothäse d'une grande ductilitö non seulement des diffärents moyens d'assemblage mais ägalement de l'ensemble de l'assemblage.

L'importance de la ductilitä sur la röpartition des efforts dans les diffärents moyens d'as-

Figure 32

Fes ✓ Isolä F Groupe

Broches 0 = 24 mm

Figure 33 Assemblage avec 5 broches alignäes dans le sens de l'effort.

Figure 34 Assemblage similaire ä celui de la figure 33 avec une seule breche dans le sens de I'effort.

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semblage peut etre dämontree par l'exemple d'un joint realise au moyen de broches avec une töte mätallique entaillee dont la geometrie est definie aux figures 33 et 34.

Force par brodle et par section cisailläe

50 1 Broche 40

30

15 Broches

10 Mormation de l'assemblage 1 mm

4

8

Les räsultats des essais effectuäs ä la chaire de technologie du bois de I'EPFZ sont presentes dans le diagramme ci-dessous. Les valeurs de rupture se rapportent toujours ä un boulon et ä une section eisaillee.

L'assemblage avec un seul boulon dans le sens de l'effort a un comportement träs ductile. Malgrä cela la rupture de I'assemblage realise avec 5 broches alignees est träs fragile et se produit pour charge ultime n'atteignant que 40 ä 60% de la valeur attendue.

La ruine intervient par «äclatement» transversal du bois avec une träs faible deformation ä la rupture de ('ordre de 0,5 ä 0,8 mm.

Les broches sont sollleitees de fagon tres variable en raison des träs faibles deformations ä la rupture qui ne permettent pas de compenser les innprecisions liees aux tolerances pratiques de mise en ceuvre.

I<N

20

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12

mm

Cet exemple met en ävidence le fait qu'en plus d'une ductilitä suffisante il faut egalement garantir un älancement suffisant des broches.

Figure 35

4

Importance de la technique d'assemblage pour le projet et l'exöcution 1nteraction • En serie 4.1

Fonctionnement en serie ou en parallele

Les elements de structure en bois peuvent etre isoles, mais sont plus frequemment lies entre eux. L'interaction exige des systämes et des moyens d'assemblage adaptes. Selon le type d'interconnexion an obtient une interaction en serie ou en parallele des differents elements.

?baue tendue avec assemblage aux eZ:1 deux exträmäs

Figure 37 Exemple: poutre trianguläe.

Action isolee

• En parallele

Poutres de rapartition transversales

Figure 36 Exemple: poutre isoläe

Figure 38 Exemple: solivage avec poutres transversales de räpartition.

16

Les modes de rupture varient selon le type de fonctionnement: • En sörie Si pour un ölöment de structure les differentes parties ont une möme importance face ä la ruine c'est la rupture du maillon le plus faible de la chaine qui est döterminant. La rupture d'un seul elöment mene donc ä la ruine. Dans ce cas il est donc important d'avoir un niveau de sollicitation aussi uniforme que possible avec une dispersion aussi faible que possible des caractöristiques.

• En parall&e C'est la recherche d'une interaction entre les differents elements de structure. Dans ce cas il est determinant de defink les

4.2

Efficacit6 d'un type d'assemblage

4.2.1 Degrö d'efficacite II est pröförable d'utiliser des types d'assemblages prösentant un degrö d'efficacite eleve.

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caracteristiques des elements de liaison (rigiditö, resistance). Dans le cas ideal il en resulte une participation de tour les elements jusqu'ä la ruine. La capacite porteuse s'approche ainsi des caractdristiques moyennes des difförents elements composant la structure et l'importance de la dispersion s'en trouve röduite. .

Dans le cas d'une disposition en see, n il niest possible d'atteindre un. degre d'efficacite eleve qu'ä condition de mettre en ceuvre des materiaux et des types d'assemblage trös fiables avec une faible dispersion. Cela necessite de recourir ä un triage möcanique du bois ainsi qu'ä des types d'assemblage d'une fiabilitö et d'une efficacitö correspondante.

Definition: Degrö d'efficacite (A) = rapport de la resistance ultirne de l'assemblage sur la resistance ultime de l'element non assern blö (harre, poutre, ...).

Le degre d'efficacite döpend:

Figure 39 Joint tendu

Figure 40 Joint flächi

- du type d'assemblage (moyens d'assemblage) - des dimensions du bois - de l'essence du bois - du type de bois (bois massif, BLC, derive du bois) - du type de sollicitations (traction, compression, flexion, effort transversal) dans le cas d'un joint comprimö sollicite parallälement aux fibres an peut atteindre un degre d'efficacite eleve ä condition que le flambage soit empöchö.

Figure 41 moyen d'assemblage (sollicite ä la traction paralläle aux fibres).

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Döformation Anneaux Broches join ä entures mul iples

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en bois 2 de Lignum —Assemblages de structures en bois, gönöralitös.) On souhaite des types d'assemblages avec une grande ce qui öquivaut ä la deformabilite qui ötait exigde par le passä.

Capacite portante Assemblage idealise

T , Assemblage avec une ductilite optimale

Mesure de ductilite = — w Y

= deformation specifigue Deformation w Wy

wu

Zone ölastigue, rigidite 61eväe souhait6e

Zone plastique avec de grandes döformations

Figure 42

4.2.2 Comportement ideal d'un assemblage Le comportement möcanique d'un assemblage est ddcrit autant par la rösistance (degrö d'efficacite) que par deformabilitd. II est souhaitable d'avoir non seulement une rigidit6 dlevde dans la phase initiale mais dgalement une ductilitä ölevde ä la rupture.

(Voir ä ce sujet, la table pour la construction

[AN] 600 500 400

Geometrie B Georrietrie A ' 2> 5x40 0 -BLC Epicea 200/200

300 200

Broches 0 6.3 mm, meme disposition et meme nombre de broches pour les deux eprouvettes

F 100

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4.2.3 Assemblages möcaniques de grande efficacitö Des assemblages möcaniques de grande efficacitd peuvent etre rdalisäs par des moyens d'assemblage en forme de tiges. Les assemblages röalisös au moyen de broches avec des töles metalliques entaillöes s'y prötent particulidrement bien. Dans le cas ou les töles sont disposdes de part et d'autre, il est possible d'utiliser des clous ou des vis. II est capital d'adapter les caractöristiques des moyens d'assemblage aux conditions d'utilisation (dlancennent, caracteristiques de l'acier).

Les broches en acier lamine, tels qu'on les utilise de preference de nos jours, donnent en regle gänärale des assemblages plus rigides. Ces assemblages doivent etre evitös car ils ont un comportement relativement fragile ä la rupture en raison d'une deformation insuffisante ä la flexion de telles broches.

(Voir § 3.6). L'exemple ci-dessous montre dgalement l'importance d'une adaptation correcte des moyens d'assemblage.

Pour un meme assemblage an a enlevd une töle pour la gdomdtrie B par rapport ä la geometrie A et obtenu ainsi des caractäristiques nettement meilleures pour la capacit6 portante. La rdsistance ultime s'est en effet öle lägerement accrue alors que la ductilitö de l'assemblage a ötö triplde.

Deformation de ('assemblage 6

[mm]

Figure 43

4.3

Mise en ceuvre rationnelle

En raison du coüt öleve de la main d'ceuvre il est nöcessaire de reduite les temps de fabrication en favorisant une production automatisee.

Ce but peut etre atteint par les diverses mesures suivantes: Par la composition avec un nombre restreint d'616ments de construction comme par exemple avec des poutres triangulees assembldes par des plaques ä clous.

Par le recours ä des assemblages types Par exemple: des pidces mötalliques du commerce, des trianguldes spatiales, des dlements de contreventernents standardisds.

Par le recours ä une machine de taille automatique.

La flexibilitö varie d'un produit ä l'autre.

Frequemment le projet doit etre adapt6 au mode de fabrication. De l'importance accrue du travail pröparatoire decoule un nombre minimal de pieces pour la sdrie ä mettre en ceuvre. Des exigences ölevöes sont demandees quant ä la qualitö de la fabrication et du bois, en particulier en ce qui concerne l'exactitude dimensionnelle des pieces (photo 8).

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4.4

Conception et dimensionnement simples

Photo 8 Machine de taille automatique

4.4.1 Gönöralitös A l'avenir la simplification de la conception et du dimensionnement prendra de l'importance. Cela sera Je seul moyen pour arriver dans des dölais courts et avec un travail röduit a des constructions en bois efficaces et a une fabrication rationnelle. La prioritö est donnöe ä: - La röduction du coüt et de ia dur6e de la conception - L'utilisation d'assemblages types - La possibilitö d'une fabrication rationnelle (voir 4.3) - Une exploitation optimale des caractöristiques du bois.

Les choses sont rendues plus difficiles par les nombreuses adaptations aux nouvelles normes comme par exemple la norme SIA 160 «Actions sur les structures porteuses» (1989) et l'introduction prövue des nouvelles normes europöennes. Les difficultös resultent en particulier de l'importance exagöräe attachöe aux vörifications par le calcul au dötriment de la conception constructive.

Photo 9 Assemblage type d'une structure triangulöe spatiale

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4.4.2

Röduction du coüt de la conception

La plupart des techniques d'assemblage couramment utilisäes par le passe exigent un travail de conception important. De plus les sections de bois definitives ne sont frequemment obtenues qu'apres avoir defini les sur-

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faces necessaires aux assemblages. Cette constatation est gänäralement valable pour tous les assemblages oü les pieces sont liäes par recouvrement tels que les clous, les plaques Menig, les bulldogs et les anneaux. Cela peut etre mis en evidente comme suit:

Figure 44 Assemblage cloue

Figure 45 Assemblage par plaque ä clous

La surface d'assemblage est däfinie par la dimension du recouvrement, c'est-ä-dire par les sections des pieces en bois et la gäometrie du noeud.

La surface d'assemblage peut etre adaptee aux charges ä transmettre par le choix approprie de la surface et de la disposition de la plaque.

Epaisseur du bois:

Epaisseur du bois:

Egales pour les diagonales variables pour les membrures

Toutes les nieees de meme epaisseur.

Efficacite de l'assemblage:

Efficacitä de l'assemblage:

Adaptation par le choix des epaisseurs du Depend du type de plaque. bois.

L'efficacitä des clous depend de l'epaisseur du bois.

Conception:

Conception:

Ne peut que difficilement etre automatisee. Rationnelle gräte ä la conception et ä la fabriNecessite par ailleurs une representation cation assistäe par ordinateur. laborieuse de la disposition des clous.

4.4.3 Assemblages types Contrairement ä la construction metallique il n'existe, dans la construction en bois, que de rares assemblages types qui sont surtout les quelques produits brevetes disponibles sur le marchä.

Construction metallique

Construction en bois

• Geometrie type avec des moyens d'assemblage standardises • Matiäre isotrope

• Multitude de geometries et de moyens d'assemblage • Probleme d'orientation entre la force et la direction des fibres.

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Construction metallique Systömes Photo 10 Assemblage avec plaques de töte > Photo 11 Assemblage type BSB

Photo 12 Assemblage au moyen d'une corniäre > Photo 13 Poutre trianguläe ä doubles diagonales croisäes et montants

Exöcution particuliöre Photo 14 Assemblage clou6

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Construction en bois

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4,5 Interaction entre la technique d'assemblage et la conception constructive Les deux exemples ci-apres doivent permettre de demontrer l'influence reciproque des techniques d'assemblage et de la conception constructive.

4.5.1 Poutre triangulee ä doubles diagonales croisees et montants

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Avantages constructifs: Assemblages par contact: Diagonales coupees d'equerre.

Conception: Aug mentation de la capacite portante ou de la portee par une disposition multiple en parallele.

Figure 46

Principe (figure 47): Poutre triangulee avec des diagonales croisees et des montants metalliques tendus. Par une precontrainte appliquee aux montants, on assure une compression minimale aux diagonales. Cela permet de realiser tous les assemblages de diagonales par contact.

Inconvenient constructif Si I'on considere le flux des efforts dans les assemblages, on constate que les membrures sont soumises en permanente ä des efforts perpendiculaires aux fibres (figure 48). Cela conduit, comme decrit au § 3.2, ä des fleches importantes dues au retrait, ä la deformation elastique et au fil des armees au fluage.

f

double cas usuel membrure 1 montant simple

Solution au probleme par la technique d'assemblage: En Amerique (USA) ce probläme a ete räsolu en realisant cet assemblage selon le principe represente sur la figure 49. Les efforts dans les montants de suspension sont transmis directement, par le biais de sabots en fonte, en compression dans les diagonales.

La compression oblique dans les membrures peut ainsi 'etre evitee. L'efficacite de l'assemblage et par Iä mäme celle de toute la construction peut par cette simple mesure constructive etre sensiblement amelioree.

Figure 47 Esquisse de principe

Bois soumis ä la compression perpendiculaire aux fibres reprise d'efforts faibles avec de su rcroit des döformations importantes Figure 48 Avec sabot en bois dur

exäcution renforce

Figure 49 Avec sabot en tonte

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Fabrication rationnelle: —Pikes metalliques: Le mörne sabot en fonte peut ötre utilisä pour tous les noeuds. De ce fait ii peut ätre produit en grande särie.

—Piäces de bois La production locale est possible (scieries).

Le sächage du bois ne pose aucun probläme car les pikes sont bien ventiläes.

Photo 15 Noeud d'une poutre triangulee assemblee par des plaques ä clous

Photo 16 Une des nombreuses geomatries possibles

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— Piäces rectilignes, grande röpätitivitä, travail de mise en oeuvre falble.

4.5.2 Poutre trianguläe assembläe par des plaques ä clous.

Les poutres trianguläes assembläes par des plaques ä clous sont un bon exemple pour des assemblages types et une mise en ceuvre

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rationnelle. La conception des poutres peut ätre largement automatisee et s'integrer au processus de fabrication, ä condition que l'entreprise soit öquipäe en consäquence. La production se fait en atelier sur des presses späciales et ä l'abri des intempöries. Gräce au degre de pröfabrication älevä la duröe de montage peut ätre minimisäe. Cette execution est particuliärement economique lorsque l'on räalise une särie de plusieurs poutres tri-

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anguläes identiques. En däfinissant un öcartement et une göomätrie des poutres optimale pour les systämes assembläs par plaques ä clous, il est possible d'accroitre l'efficacitä et la compätitivitä äconomique de ces systämes. Cela exige une collaboration präcoce entre le planificateur et l'exäcutant.

Conclusions L'introduction de nouvelles normes (Eurocode 5, SIA 160 /1989) et le recours accru au calcul statique par ordinateur risquent d'accentuer l'importance excessive que l'on attache au calcul, au dätriment de la conception constructive. L'influence de la conception constructive et plus particuliärement celle des assemblages joue cependant un röle däterminant pour l'esthätique, la durabilitä, la compätitivitä 6conomique et l'efficacitä de la structure. Cette publication a pour but d'amener le planificateur et le

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constructeur ä faire certaines räflexions lors de l'älaboration d'un projet de structures en bois. Les principaux thämes traitäs sont les caracteristiques späcifiques du bois, telles que le comportement anisotrope de räsistance et de döformation ou la sensibilitä aux entailles. De plus il est montre comment il est possible de minimiser les coüts de planification et de construction, afin d'accroitre la compätitivitä des constructions en bois face ä d'autres matäriaux de construction.

Normes et bibliographie Norme SIA 160: Actions sur les structures porteuses (1989) Norme SIA 164: Constructions en bois 1981/92 Tables pour la construction en bois 1, Lignum 1991 Tables pour la construction en bois 2, Lignum 1990 Documentation bois «Bases de dimensionnement — Assemblages et moyens d'assemblages», Lignum, 1993

Impressum

Lignatec Les informations techniques bois de Lignum Editeur LIGNUM Union suisse en faveur du bois Peter Hofer, directeur Rdchictimt Choix des sujets, rddaction technique: Jürg Fischer, Lignum Technique Relecture: Charles von Buren, Lignum Communication Traduction: Markus Mooser, Lignum Le Mont Conception graphique: Albert Gomm SGD, Graphic Design, Bäte Administration/Abonnements/Expiedition Andreas Hartmann, Lignum Communication Impression Druckerei a/d Sihl AG, Zurich lrnprimd sur papier blanchi sans chlore Tirage en fran.ais: 1200 exemplaires

Auteurs Prof. Ernst Gehri, chaire de technologie du bois, EPFZ, Zurich Adrian Mischler, dipl. Bauing. EPFZ Lignatec parait deux a trois fois par an; il traite de questions techniques relatives a l'utilisation du bois et des materiaux ddrivds.

Lignatec s'adresse aux planificateurs, ingdnieurs, architectes ainsi qu'aux transformateurs et utilisateurs du bois.

II est possihle de s'abonner ä Lignatec. Un classeur ä index permet de retrouver facilement les informations recherchdes.

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Lignatec Structures porteuses en bols Rägles constructives pour la conception et l'alaboration d'un preiet NJ' 2 / 1995 Parution: Novembre 1995

Riefdrences des figures et photos Figures: E. Gehri, EPFZ Zurich Photos 1,5,7,9,15: J. Fischer, Lignum Zurich Photos 2,3,4,6,8,10-14,16: E. Gehri, EPFZ Zurich

ISSN 1421-0312

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