5  Principes de conception et de calcul

5.1  Supports admissibles

Les supports admissibles sont notamment :

  • les dallages définis par le NF DTU 13.3 ;

  • les ouvrages de maçonnerie définis dans le NF DTU 20.1 ;

  • les ouvrages de béton définis dans le NF DTU 21 ;

  • les ossatures bois définies dans le NF DTU 31.2 ;

  • les charpentes assemblées par connecteurs métalliques définies par le NF DTU 31.3 ;

  • les ouvrages de charpente métalliques définis dans le NF DTU 32.1 ;

  • les ossatures métalliques définies dans le NF DTU 32.3.

Sauf dispositions contraires dans les DPM les tolérances brutes des supports sont celles définies dans les NF DTU cités ci-dessus.

5.2  Calculs et analyse de structure.

Les règles de calculs ou de justifications applicables aux travaux visés par le présent cahier des clauses techniques sont les règles de calculs aux états limites dites Eurocode 5 : NF EN 1995-1-1, et les documents qui s'y rattachent. L'utilisation des règles de calculs CB 71 reste possible, suivant les DPM et sous réserve qu'elles soient compatibles avec les autres corps d'état et autres dispositions constructives.

NOTE

Dans le cas de calculs réalisés au CB 71 les classes de résistance et les contraintes admissibles peuvent être disponibles soit dans la norme NF P 21-400 pour les bois de structure et produits à base de bois soit auprès des fournisseurs.

5.3  Classes de services

Les classes de services sont définies par la norme NF EN 1995-1-1 et son annexe nationale

NOTE

L'attention est attirée sur le fait que l'usage de certains matériaux dérivés du bois n'est pas compatible avec la classe de service 3. Voir NF DTU 31.1 P1-2.

5.4  Dimensions pour les calculs

Les dimensions prises en compte pour les calculs sont les dimensions rapportées à 12 % d'humidité quelle que soit la classe de service visée.

NOTE 1

Des variations dimensionnelles s'appliquent entre le point de saturation des fibres et l'équilibre hygroscopique à l'air. Pour les bois tempérés, le point de saturation se situe à environ 30 % d'humidité.

Conformément à la NF EN 336 les sections commerciales des bois massifs sont données à 20 % d'humidité

Pour obtenir la section de calcul, il convient d'appliquer la réduction de section de la manière suivante :

Pour chaque dimension de section (h et b), le coefficient moyen de correction par % de variation d'humidité est β90.

C'est-à-dire : D = Dref * [1 - β90 * (Href - 12)] avec :

  • D la dimension cherchée de l'élément à 12 % d'humidité ;

  • Dref la dimension (épaisseur ou hauteur) connue de l'élément à Href % d'humidité ;

  • β90 = 0,0025 valeur moyenne pour les bois résineux ;

  • β90 = 0,0030 valeur moyenne pour le chêne.

EXEMPLE Elément en bois résineux dont la section est de 75 × 225 mm2 à 20 % d'humidité.

Epaisseur à 12 % = 75 * [1 - 0,0025 * (20 - 12)] = 73,5 mm.

Largeur à 12 % = 225 * [1 - 0,0025 * (20 - 12)] = 220,5 mm.

NOTE 2

Il n'y a pas de conversion à faire pour les bois classés sec à 12 % d'humidité et pour les bois lamellés-collés, aboutés ou reconstitués dont le procédé de fabrication impose une humidité de référence à 12 %.

L'Annexe A du présent document présente plusieurs tableaux de sections de résineux évoluant en fonction de l'humidité relative de l'air.

5.5  Positionnement des pièces des charpentes triangulées

Conformément à la NF EN 1995-1-1 et de ses amendements A1, A2 (Eurocode 5), l'analyse de la structure doit tenir compte des éventuels excentrements ou imprécisions dans le positionnement des pièces.

NOTE

A la date de publication du présent document il s'agit du 5.4.

5.6  Flèches et contre-flèches

La flèche des ouvrages ou éléments d'ouvrages, calculée aux états limites de service, doit être inférieure aux valeurs limites indiquées en clause 7.2 (2) de la NF EN 1995-1-1/NA.

La flèche Wtot,2 = Wfin - WG,inst, qui dépend des matériaux fixés à la charpente doit être vérifiée selon les exigences des référentiels concernés (DTU, Avis techniques, etc...) ou à défaut l'Annexe C propose des valeurs.

NOTE

Il peut être prévu de donner aux éléments fléchis une contreflèche notée : wc.

5.7  Assemblages

Les assemblages doivent être conçus et calculés conformément aux spécifications de la norme NF EN 1995-1-1, de ses amendements A1, A2 et en particulier, conformément à sa section 8 Assemblages par organes métalliques et à l'Annexe A Cisaillement de bloc des assemblages bois-métal multiples de type tige .

5.8  Rôle des chevilles

La cheville est en bois dur, elle participe au maintien des assemblages (notamment dans les tenons mortaises). Cependant il convient de vérifier l'utilisation de l'assemblage : dans le cas d'efforts de compression le maintien est assuré mais dans le cas d'efforts de traction il est nécessaire de prévoir un renforcement par un boulon ou autre permettant d'éviter la dislocation de l'assemblage.

5.9  Solivage et faux solivage

Le solivage doit être calculé conformément aux recommandations de la NF EN 1995-1-1 et des documents qui s'y rattachent et en particulier, conformément au 7.3 Vibrations.

5.10  Durabilité

5.10.1  Généralités

Les principes de maîtrise de la durabilité des éléments d'ouvrages en bois sont décrits dans le FD P 20-651.

A partir des conditions d'exposition à l'humidité (classe d'emploi), la durabilité doit être maitrisée selon les spécifications ci-après soit par l'utilisation d'essences de bois naturellement durables soit par l'utilisation d'essences de bois à durabilité conférée.

Pour les structures intégrées dans le volume intérieur des constructions qui correspondent à la classe d'emploi 1, du fait des risques d'exposition pendant la phase chantier, les risques liés à une ré-humidification doivent être pris en compte. Pour cela il peut être réalisé une protection lors de la phase chantier ou l'utilisation d'un bois ou matériau à base de bois compatible avec la classe d'emploi 2.

5.10.2  Spécificités pour les éléments en semi ou pleine exposition

L'ensemble des dispositions ci-dessous s'applique aux éléments en semi ou pleine exposition, à partir d'une classe d'emploi 3.1 incluse (les éléments en classe d'emploi 1 ou 2 ne sont pas concernés).

Plusieurs paramètres influent sur l'affectation de la classe d'emploi :

  • la zone géographique ;

  • la massivité de l'élément ;

  • la conception de l'élément.

Les deux premiers paramètres ci-dessus sont intégralement définis dans le FD P 20-651.

Le paramètre lié à la conception est introduit dans ce même FD P 20-651 sous la forme de trois catégories (conception drainante, conception moyenne, conception piégeante). Le présent document indique le lien entre les conceptions usuelles et ces trois catégories.

Les règles générales pouvant être utilisées pour l'ensemble des parties d'ouvrages en bois exposés aux intempéries, sont définies ci-après. Chaque élément (arbalétrier, solive, panne, entrait,...) doit être distingué tant au niveau des parties courantes, qu'au niveau des points singuliers (extrémité, assemblage...), pour affecter globalement, l'élément en retenant l'exposition constatée la plus pénalisante. Au niveau d'éléments composés tels que des fermes ou poutres treillis par exemple, si l'on souhaite uniformiser l'affectation de la classe d'emploi pour l'ensemble de la partie d'ouvrage, elle se fait également sur la base constatée la plus pénalisante.

Si les parties de bois sont protégées par des habillages (capotage, bardage, couverture, conformes aux NF DTU correspondant) elles sont ramenées en classe d'emploi 2 sauf conditions d'humidité ambiante élevée.

5.10.3  Règles d'affectation des parties courantes exposées

Chaque élément dispose d'une Face Supérieure FS et de Faces Latérales FL.

Figure 3  Faces exposées

5.10.3.1  Impact de l'écoulement longitudinal de l'eau sur la face supérieure

Suivant l'inclinaison de la pièce de bois, l'écoulement de l'eau affecte la face supérieure dans des conceptions différentes :

  • pour α entre 0° et 15° inclus, affectation de la face supérieure en conception piégeante ;

  • pour α de 15° à 75° inclus, affectation de la face supérieure en conception moyenne ;

  • pour α entre 75° et 90°, affectation de la face supérieure en conception drainante.

Figure 4  Type de conception en fonction de l'écoulement longitudinal de l'eau sur la face supérieure

5.10.3.2  Impact de l'écoulement latéral de l'eau sur la face supérieure

L'écoulement de l'eau peut être facilité pour permettre une affectation de la face supérieure en conception drainante pour des usinages de forme de la face supérieure à pente minimale β = 15° (délardement monopente ou bipente, arêtes cassées).

En deçà de 15° la face supérieure est affectée en conception piégeante.

Figure 5  Façonnage minimum pour obtenir une conception drainante de la face supérieure

5.10.3.3  Impact de l'écoulement vertical de l'eau sur la face latérale

Cas où l'angle est compris entre 0° et 75° inclus : lorsque la hauteur × (retombée de la pièce) est inférieure ou égale à 23 cm, la face latérale est à affecter en conception drainante sinon la face latérale est à affecter en conception moyenne.

Cas où α compris entre 75° et 90° : FL est à affecter en conception drainante.

Les singularités du bois telles que fentes et noeuds non adhérents, les entailles, et les plans de collage sur la face latérale pouvant occasionner des stagnations locales d'eau sont piégeantes.

Pour les pièces de forte retombée dont la face latérale serait exposée, il convient de prévoir une protection par habillage.

Figure 6  Type de conception en fonction de l'écoulement verticale de l'eau sur la face latérale

5.10.4  Règles d'affectation pour les points singuliers exposés

5.10.4.1  Extrémités des éléments en bois (bois de bout) exposées

Une extrémité exposée d'un élément en bois est à affecter en conception piégeante excepté pour les extrémités basses dont l'angle avec l'horizontale est inférieur ou égal à 15° (voir Figure 7) qui sont à affecter en conception drainante sous réserve que la conception de l'assemblage le permette.

Figure 7  Mesure de l'angle d'inclinaison de l'extrémité d'un poteau

En partie haute, le bois de bout dont l'angle avec l'horizontale est inférieur ou égal à 15° ne doit pas être exposé sans protection aux intempéries sauf pour les bois naturellement très durables (classe de durabilité DC 1 selon la NF EN 350.

Un habillage pérenne (adaptés aux divers cas de figure : abouts de pannes débordantes, tête de poteaux...) permet une affectation de ce point singulier en classe d'emploi 2, ce qui ne nécessite plus d'utiliser l'outil multicritère avec détermination de la catégorie de conception.

Un profilage des abouts de pannes et chevrons, protégeant ceux-ci des intempéries, abrités par une toiture ne nécessite pas la mise en place de protection supplémentaire.

5.10.4.2  Extrémités basses (pieds de poteaux) exposées

Le bois de bout est à affecter en conception drainante si :

  • aucun élément tiers ne vient générer de rétention d'eau localisée (ferrure d'ancrage mal conçue : trop large ou enveloppante...) ;

  • sa position altimétrique est de + 15 cm au minimum, par rapport à la surface courante du sol naturel avoisinant (ou dalle brute) et au minimum de + 10 cm par rapport au nu supérieur d'un éventuel plot béton fini émergeant.

NOTE

Ces dispositions sont destinées à limiter la projection d'eau de pluie sur le bois de bout.

Figure 8  Exemples de pied de poteau sur ferrure

Figure 9  Exemples de pied de poteau sur plot

Pour tout autre cas les extrémités inférieures sont à affecter en conception piégeante.

5.10.4.3  Assemblages exposés

Trois principes d'assemblages permettent d'affecter la catégorie de conception :

  • assemblages comportant des encastrements de parties bois (tenons/mortaises, embrèvements, épaulement, mi-bois....) ou d'autres formes de piégeages d'eau localisée (exemple : chapelle) sont à affecter en conception piégeante ;

  • assemblages avec contacts surfaciques (exemple : entrait moisés sur poinçon non entaillé) sont à affecter en conception moyenne ;

  • assemblages avec désolidarisations des éléments sont à affecter en conception drainante.

Figure 10  Trois exemples d'approches pour concevoir un assemblage entre entraits moisés et poteau

Des dispositions constructives peuvent faire évoluer une conception piégeante vers une conception drainante ou moyenne.

Figure 11  Exemple de conception drainante d'un assemblage entraits moisés - poteau

5.11  Conception des contreventements

Le contreventement de la charpente doit être conçu conformément aux recommandations du 9.2.5 de la NF EN 1995-1-1, et des documents qui s'y rattachent.

La charpente ne peut contreventer des structures réalisées par un autre corps d'état que si les déplacements admissibles de ces structures sont compatibles avec les déplacements limites des éléments de charpente.

5.11.1  Contreventement assuré par barre, poutre de contreventement incorporées dans l'ossature

Contreventement transversal : la distance entre deux entraxes de poutres au vent ne peut excéder 60 mètres et 8 travées, sauf justification particulière.

Contreventement longitudinal : la distance entre deux entraxes de poutres au vent ne peut excéder 40 mètres, sauf justification particulière.

Figure 12  Position des contreventements

5.11.2  Contreventement assuré par panneaux

Le contreventement par panneaux doit être conçu conformément aux spécifications des 9.2.3 contreventement et 10.8.1 diaphragmes de plancher et de toiture de la NF EN 1995-1-1 et des documents qui s'y rattachent. Les panneaux pouvant participés au contreventement sont :

  • soit des panneaux de contreplaqué de 10 mm d'épaisseur au minimum ;

  • soit des panneaux d'OSB/3 ou d'OSB 4 de 16 mm d'épaisseur au minimum ;

  • soit des panneaux de particules P5 ou P7 de 16 mm d'épaisseur au minimum ;

  • soit des panneaux lamibois à usage structural avec au moins deux plis croisés et de 15 mn d'épaisseur minimum ;

  • soit encore un platelage en bois massif rainé bouveté de 15 mm d'épaisseur au minimum.

Ils doivent respecter les conditions de pose suivantes :

  • sans justifications particulières les panneaux sont couturés en leur périphérie. La Figure 13 donne un exemple de couturage en périphérie ;

  • les dispositions constructives seront prises afin que la transmission des efforts soit assurée par les éléments de structure vers les points durs ;

  • la densité des fixations est fixée par les spécifications résultant du calcul ;

  • les pannes peuvent être prévues hors oeuvre si les fixations de celles-ci aux éléments principaux d'ossatures sont aptes à transmettre les forces et couples qui résultent de cette disposition ;

  • l'épaisseur des éléments sur lesquels les panneaux sont fixés est égale à au moins 15 fois le diamètre de pointes employées ;

  • les éléments de platelage sont continus sur trois appuis au moins ;

  • la longueur des panneaux de toute nature doit leur permettre de reposer sur trois appuis au minimum, sauf ceux se trouvant près des rives ou près d'accidents de toiture qui peuvent ne reposer que sur deux appuis ;

  • il convient d'utiliser des pointes non lisses, tel que défini dans la NF EN 14592+A1, vis (ou tire fond), avec un espacement maximum sur la périphérie des panneaux de 150 mm. Pour les supports intermédiaires, il convient que l'espacement maximal soit de 300 mm ;

  • la longueur des pointes de fixation est supérieure à 2,5 fois l'épaisseur du panneau ;

  • la rive longue des panneaux doit être orientée perpendiculairement aux appuis ;

  • s'ils assurent la fonction de support de couverture ils doivent respecter aussi les prescriptions des NF DTU les concernant.

Figure 13  Exemples d'assemblage de panneaux non supportés par une solive ou une ferme

5.12  Dossier d'exécution

Le dossier d'exécution doit comporter les indications suivantes :

  • indication des hypothèses de chargements et de stabilité de la charpente ;

  • indication au cas par cas des charges non pondérées transmises au gros oeuvre ;

  • la nature et le classement mécanique des éléments de structure employés en référence aux normes selon le NF DTU 31.1 P1-2 :

    • dans le cas d'utilisation de bois avec une durabilité conférée, la nature et le mode d'application du produit de préservation selon les NF EN 351-1, NF EN 350, NF EN 599-1+A1 et une attestation de traitement conforme à la NF B 50-105-3 en fonction de la classe d'emploi définie selon la NF EN 335 ;

    • dans le cas d'utilisation de bois avec une durabilité naturelle, la classe de durabilité du bois selon les NF EN 350 et NF EN 460 en fonction de la classe d'emploi définie selon la NF EN 335 ;

  • le détail de positionnement et les caractéristiques des ancrages, des assemblages, des organes d'assemblages ;

  • si l'étude en a montré la nécessité, les points d'appui pour le stockage et le transport et les points de prise pour la manutention et le levage ;

  • si nécessaire, les précisions relatives à la nature, aux modes de fixation et à la programmation de la mise en place des contreventements provisoires et du retrait de ces derniers.

NOTE

Les informations à transmettre par l'entreprise titulaire du lot charpente sont précisées dans le 4.2 du NF DTU 31.1 P2.

5.13  Détails d'exécution du réglage et des ancrages des ouvrages

Les possibilités de réglage des ouvrages doivent tenir compte des tolérances du gros oeuvre.

Les ancrages sont étudiés en fonction du support et des efforts à transmettre.

Plusieurs types d'ancrage peuvent être réalisés :

  • scellements des pièces dans les réservations du gros oeuvre ou fixations sur celui-ci ;

  • pré scellement de ferrures d'ancrage dans le gros oeuvre ;

  • scellements de ferrures et de tiges d'ancrage en réservation dans le gros oeuvre ;

  • les ferrures d'ancrage par chevilles mécaniques ou chimiques.