Le bois lamellé-collé permet de concevoir des systèmes structuraux très variés. Le présent chapitre décrit un certain nombre de structures de base en bois lamellé-collé pour des bâtiments tels que des halls et des ponts en bois, de systèmes simples composés de poteaux et de poutres à des structures constituées de portiques ou en forme de coque qui – chacune à leur manière et dans une plus ou moins grande mesure – mettent à profit les avantages du bois lamellé-collé.
Le choix du système structural est avant tout déterminé par la fonction du bâtiment, par des considérations d’ordre architectural (hauteur libre, contraintes relatives à la pente du toit, lumière naturelle, etc.) (cf. Figure 3.1) ainsi que par le budget. Dans certains cas, les contraintes liées à la fabrication et au transport peuvent aussi s’avérer déterminantes (cf. Chapitre 1).
Il est possible d’optimiser l’utilisation du matériau en suivant les recommandations cidessous (règles) :
- les éléments doivent, de préférence, être soumis à des forces axiales (compression, traction),
- les moments de flexion élevés et le risque élevé de flambement latéral (poutres élancées) doivent être évités,
- les forces de cisaillement doivent être examinées avec attention,
- les excentricités et les torsions doivent être évitées,
- les tractions perpendiculaires au fil dues aux charges ou au retrait doivent être évitées,
- les systèmes spatiaux sont généralement la meilleure solution en termes de stabilisation et de robustesse.
En règle générale, il est possible d’optimiser les systèmes structuraux de différentes manières :
- en adaptant les dimensions aux forces sectionnelles (poutres à double décroissance par exemple – cf. Figure 3.5),
- en choisissant bien l’emplacement des appuis (appuis intermédiaires, poutres continues),
- en choisissant l’emplacement des articulations (systèmes Gerber par exemple),
- en utilisant des contrefiches pour diminuer la portée (cf. Figure 3.2),
- à l’aide de poutres armées (pour créer des appuis élastiques intermédiaires) (cf. Figures 3.11 à 3.13).
Les éléments qui créent une surface sont généralement « auto-optimisés », car ils remplissent plusieurs fonctions : structure porteuse, stabilisation et cloisonnement de l’espace (Figure 3.3).
Le Tableau 3.1 reproduit à la fin de ce chapitre donne un aperçu des systèmes structuraux en bois lamellé-collé les plus courants. Pour faciliter le choix, ce tableau indique la portée recommandée ainsi que la hauteur approximative des éléments pour les différents types de structures. Les valeurs indiquées correspondent à des valeurs moyennes dans des conditions normales. La hauteur h de l’élément peut être légèrement réduite en cas de charges faibles ou lorsque les éléments sont proches les uns des autres. Le contraire est aussi valable.
Figure 3.1 : Différentes contraintes conditionnent la forme d’un bâtiment : utilisation du bâtiment comme lieu de stockage pour des matériaux en vrac, lumière naturelle à travers le toit et hauteur libre imposée.
Figure 3.2 : Contrefiches réduisant la portée libre d’une poutre.
Figure 3.3 : Système superficiel (structure plissée) remplissant plusieurs fonctions : cloisonnement de l’espace, structure porteuse, stabilisation.
3.1. SYSTEMES A POUTRES ET A POTEAUX
La structure en bois lamellé-collé la plus simple et la plus courante consiste en des poutres dont chaque extrémité est en appui simple sur des poteaux. Lorsque la portée est faible, les poutres à section constante sont souvent préférables, alors qu’en cas de portées plus grandes, il peut être économiquement avantageux que la hauteur de la section transversale varie en fonction des forces présentes dans la poutre. L’assemblage de la poutre et du poteau doit être conçu de façon à empêcher le flambement latéral de la poutre (« ferrures en U » – cf. Chapitre 14).
Figure 3.4 : Systèmes à poutres et à poteaux. (a) Poutres bananes dont le dessous est incurvé, (b) poutres armées et (c) poutres se caractérisant par une hauteur de section transversale plus importante au niveau des appuis (plus bas).
Figure 3.5 : La forme d’une poutre à double décroissance symétrique suit la courbe du diagramme des moments d’une poutre en appui simple soumise à une charge uniformément répartie. Ce type de poutre offre donc une meilleure économie de matériau que les poutres à hauteur constante.
Le choix de la hauteur structurale la plus basse est souvent déterminé par la déformation, c’est-à-dire par la flèche maximale autorisée, plutôt que par la capacité résistante.
La face inférieure des poutres lamellées-collées est souvent droite, mais il est possible de lui faire suivre une courbe plus ou moins marquée pour des raisons esthétiques ou fonctionnelles. La poutre à double décroissance symétrique dont le dessous est incurvé constitue une forme courante (Figure 3.4 a). Dans le cas des poutres courbes, cependant, les contraintes perpendiculaires au fil sont plus importantes et doivent être prises en compte au moment de la conception. Très souvent, ces poutres sont renforcées à l’aide de goujons collés, de vis autotaraudeuses ou de panneaux contreplaqués pour les contraintes de traction perpendiculaires au fil (cf. Chapitre 7).
Le rôle d’un bâtiment est essentiellement de fournir des services, ce qui a un impact considérable sur le plan architectural. Une question à cet égard revient souvent : est-il possible de faire des trous et des entailles dans les éléments lamellés-collés ? Dans le cas d’une poutre ordinaire, les forces de cisaillement sont supportées par l’ensemble de la section transversale. Or les forces de cisaillement étant plus importantes au niveau des appuis, il n’est généralement pas recommandé de faire des trous et des entailles près des appuis. Les trous doivent être placés au centre de la section transversale, où les contraintes de flexion sont faibles. La Figure 3.6 indique la zone où il est préférable de pratiquer un trou dans le cas d’une poutre en appui simple. L’argument ci-dessus se rapporte à des principes. De plus amples informations sur la conception des poutres trouées et entaillées sont fournies dans le Chapitre 5. Aucun trou ne doit être fait dans les zones de poutre soumises à des contraintes perpendiculaires au fil (certaines parties des poutres à inertie variable, des poutres courbes et des poutres bananes, par exemple).
Figure 3.6 : Moments externes et forces de cisaillement d’une poutre en appui simple soumise à une charge uniformément répartie. Des trous peuvent être faits dans la partie centrale de la poutre.
Les poteaux lamellés-collés possèdent généralement une bonne capacité résistante. La longueur de flambement d’un poteau encastré, libre au niveau de l’extrémité supérieure, équivaut environ au double de sa hauteur. Cependant, étant donné qu’il est presque impossible de fixer parfaitement un poteau (glissement et espacement des organes d’assemblage mécaniques), la longueur de flambement équivaut, dans la pratique, à un peu plus du double de la longueur L du poteau (cf. Chapitre 4). Dans le cas d’un poteau ordinaire, articulé aux extrémités supérieure et inférieure, la longueur de flambement est égale à L.
Il est normal que le bâtiment soit conçu de façon à permettre l’encastrement des poteaux à leur extrémité supérieure, en les reliant à la charpente de comble par exemple. Dans le cas des bâtiments ne dépassant pas 3 - 4 m de haut, il est généralement avantageux sur le plan économique de fixer les poteaux dans les fondations pour assurer la stabilité. Les fondations doivent alors être conçues pour les moments résultants. Dans le cas des bâtiments plus hauts, il est généralement avantageux de mettre en place un contreventement diagonal ou une poutre au vent. Pour en savoir plus, se référer au Chapitre 13.
3.2. POUTRES CONTINUES
Figure 3.7 : Poutres continues
Les poutres qui reposent sur plusieurs appuis ou les poutres en porte-à-faux permettent de mieux optimiser l’utilisation du matériau que les poutres en appui simple, car le moment de flexion ne varie pas énormément le long de la poutre. Il est possible d’améliorer l’efficacité en augmentant la hauteur de la poutre au niveau des appuis internes, ce qui augmente le moment de flexion au niveau de ces appuis et diminue le moment de flexion au niveau de la travée.
Les poutres continues peuvent avantageusement être conçues sous la forme d’un « système Gerber ». Dans ce cas, les assemblages sont articulés et placés de façon à obtenir une répartition favorable des moments de flexion et des longueurs adaptées au transport. L’emplacement adéquat des articulations Gerber pour les poutres continues soumises à une charge uniformément répartie est indiqué dans le Chapitre 12 (pannes).
Les systèmes à poutres continues sont particulièrement adaptés aux structures porteuses primaires des toitures. Pour les structures secondaires, cependant, il est préférable d’utiliser des poutres en appui simple afin d’empêcher une rupture progressive (pour en savoir plus, se référer au Chapitre 12).
3.3. POUTRES A TREILLIS
Figure 3.8 : Poutres à treillis supportant des charges verticales (poids mort, neige) au niveau de la membrure supérieure. (ae) Poutres à treillis parallèles : (a) diagonales comprimées, (b) diagonales tendues, (c) diagonales doubles ou (d) avec appuis supplémentaires au niveau de la membrure comprimée, (e) poutre à treillis parallèle avec diagonales comprimées et tendues – idéale en cas de nombre restreint d’assemblages. (f-g) Poutres à treillis triangulaires : (f) tronquée, (g) normale. (h-i) Poutres à treillis spécialement conçues pour laisser passer la lumière naturelle. (j-k) Poutres bow-string : (j) montants et diagonales avec force de traction ou très faible force de compression, (k) contrefiches verticales comprimées et diagonales tendues.
En cas de grande portée, lorsque les poutres massives s’avèrent trop lourdes et utilisent trop de matériau, certains types de poutres à treillis peuvent offrir une solution de remplacement viable (Figure 3.8). Ceci est notamment valable lorsque le toit doit suivre une légère pente et que la hauteur de construction est relativement importante.
Entre autres avantages, les poutres à treillis peuvent être fabriquées en usine en unités adaptées au transport. Ces unités sont ensuite assemblées sur le lieu de construction. L’un de leurs inconvénients, en revanche, est qu’elles supposent un grand nombre de nœuds parfois compliqués qui impliquent des coûts élevés. Il est souhaitable que l’architecte prenne part à la conception de la poutre à treillis, notamment en ce qui concerne les nœuds et les autres détails. Au moment de la conception des poutres à treillis, il convient de vérifier les différents emplacements des diagonales afin d’optimiser la structure (Figure 3.8). À chaque nœud, les axes centraux des éléments assemblés doivent se croiser en un seul point afin d’empêcher les excentricités, qui entraînent des moments de flexion (secondaires).
Les réseaux (et autres pièces similaires) nécessaires au fonctionnement des services peuvent, dans de nombreux cas, être placés près de l’élément supérieur d’une poutre à treillis ou au-dessus de l’élément inférieur. Les éléments comprimés sont en bois lamellécollé alors que les éléments tendus peuvent être en acier (câbles d’acier). Dans ce cas, la hauteur structurale correspond à la distance entre les axes centraux des éléments supérieurs et inférieurs. Elle peut soit être constante tout au long de la poutre ou suivre la répartition du moment de flexion (Figures 3.8 f-k). Les poutres à treillis constituent une bonne solution en cas de portées mesurant de 30 à 85 m.
3.4. FERMES A TROIS ROTULES
Figure 3.9 : Fermes à trois rotules (a) Ferme à trois rotules avec tirant ; (b) ferme à trois rotules avec poutres armées et tirant ; (c) ferme à trois rotules avec tirant dans la partie centrale ; (d) ferme à trois rotules avec poutres armées et tirant dans la partie centrale ; (e, f) ferme à trois rotules avec poutres armées sans tirant (deux appuis d’encastrement) ; (g) fermes à trois rotules disposées en cercle avec un anneau de traction de forme polygonale le long du bord du toit.
Les fermes à trois rotules et les autres systèmes de fermes peuvent constituer une bonne solution sur le plan économique et de la capacité résistante lorsque les exigences relatives à la portée excluent l’utilisation de poutres massives et que diverses raisons empêchent celle des arcs et des portiques.
Sous sa forme la plus simple, une ferme à trois rotules consiste en deux poutres appuyées l’une contre l’autre et en un assemblage articulé au niveau du faîtage. Les extrémités inférieures sont articulées au niveau des fondations ou reliées l’une à l’autre à l’aide d’un élément tendu, souvent en acier (Figure 3.9). Dans ce dernier cas, la ferme est généralement soutenue par des poteaux, mais l’élément tendu peut aussi être inséré dans un tube coulé dans la dalle de plancher. En principe, les poutres sont droites et de hauteur constante, mais le type et la forme des poutres peuvent varier (poutres armées, par exemple).
La poutre armée (ou sous tendue) peut être considérée comme une forme structurale intermédiaire entre les poutres massives et les poutres à treillis (Figures 3.10, 3.11). Les assemblages sont cependant moins nombreux et de conception plus simple que dans le cas d’une structure s’apparentant purement à une poutre à treillis. Certaines sociétés fabriquent des pièces métalliques spécialement conçues pour ce type de poutres, et notamment des éléments tendus et des organes d’assemblage. Par une mise en précontrainte, les tirants peuvent avoir un effet positif sur le comportement au flambement des contrefiches comprimées (cf. Figure 3.12). Lorsque la contrefiche commence à dévier hors du plan, la charge concentrée sur la contrefiche (à partir des tirants) passe de la direction verticale à inclinée tout en continuant de pointer vers l’assemblage entre la contrefiche et la poutre. La résultante au niveau de A est une force horizontale P1 qui permet une autostabilisation du système et une diminution du déplacement induit au niveau de A (Figure 3.12a). L’effet d’autostabilisation fonctionne tant que le point d’assemblage entre la poutre et la contrefiche se situe au même niveau ou au-dessus des points d’assemblage entre la poutre et les tirants (cf. Figure 3.12). Pour garantir l’autostabilisation de ce système, la poutre armée doit être dotée d’une contreflèche suffisante, de sorte que même en cas de pleine charge, la flèche corresponde au moins à L/200. Dans le cas des poutres sans contre-flèche, d’autres méthodes de stabilisation peuvent être utilisées : stabilisation de l’extrémité inférieure de la contrefiche contre le déplacement hors-plan ou assemblages rigides entre la poutre et la contrefiche, par exemple (Figure 3.13). La Figure 3.13b montre qu’en cas de sollicitation asymétrique (sollicitation d’un seul côté de l’élément principal) potentielle, il n’est pas recommandé d’utiliser une jambe de force composée d’éléments pouvant supporter la compression, car l’élément de stabilisation pourrait pousser l’élément principal sur le côté, ce qui le déstabiliserait. Dans ce cas, la méthode de stabilisation à l’aide de tirants (Figure 3.13c) est plus sûre.
Figure 3.10 : Exemple d’une poutre armée d’une hauteur structurale h ; (1) poutre, (2) élément tendu (acier), (3) élément comprimé (contrefiche), (4) éléments de fixation en acier encastrés ou externes.
Figure 3.11 : (a-c) Poutres armées dotées d’un nombre variable de contrefiches. (d) Poutre en ventre de poisson.
Figure 3.12 : (a) Poutres armées stabilisatrices avec contre-flèche, créant un système autostabilisateur. (b) Situation déstabilisatrice dans le cas d’une poutre initialement déformée avec une contre-flèche négative.
Figure 3.13 : Poutres armées stabilisatrices soit à l’aide de différents types d’assemblages rigides entre la poutre et la contrefiche (a, d), soit par le contreventement de l’extrémité inférieure de la contrefiche contre le déplacement hors-plan (b, c).
Les fermes à trois rotules peuvent avantageusement être conçues comme des ossatures spatiales. Les poutres de toiture sont alors disposées de façon à rayonner à partir du faîte et les éléments tendus prennent la forme d’un anneau de traction de forme polygonale reliant les extrémités inférieures des poutres le long du bord du toit (cf. Figure 3.9g).
3.5. ARCS
Figure 3.14 : Arcs. (a) Arcs à trois rotules sur des fondations, (b) arcs avec tirants sur des poteaux.
Le bois lamellé-collé est un matériau de construction très polyvalent qui permet par exemple de construire facilement des formes courbes telles que des arcs ou des portiques. À chaque type de sollicitation correspond une forme pleinement efficace – le « courbe des pressions ». Un arc qui suit la courbe des pressions et qui est uniquement soumis à des charges verticales subira une compression pure sur toute sa longueur. Si la charge est uniformément répartie sur le plan horizontal, la courbe des pressions sera une parabole, alors qu’en cas de charges concentrées, ce sera un polygone. Cependant, la plupart des structures supportant différentes charges et combinaisons d’actions (poids propre, neige, vent, charges de neige ou de vent asymétriques ou décentrées, etc.), il est difficile de trouver une courbe des pressions unique adaptée à tous les cas de charges/toutes les combinaisons d’actions. La géométrie de l’arc doit donc être choisie pour les charges les plus importantes ou pour les charges permanentes ; l’arc sera soumis au fil du temps à différentes combinaisons de compressions et de flexions.
L’arc permettant une utilisation plus efficace du matériau, la hauteur de la section transversale sera beaucoup plus faible que dans le cas d’une poutre avec une portée et une sollicitation identiques. La différence de fonctionnement entre une poutre et un arc est illustrée à la Figure 3.15.
Figure 3.15 : Les contraintes de flexion d’une poutre sollicitée (1) varient selon la hauteur. Compression en haut et traction en bas. Au centre de la section transversale, la contrainte est égale à zéro. Dans le cas d’un arc (2), en revanche, la compression intervient tout au long de la section transversale.
Les structures en bois lamellé-collé, qui offrent de multiples possibilités de conception et une haute résistance, sont particulièrement viables en cas de grandes portées. Parmi les arcs en bois lamellé-collé construits, certains ont une portée libre de plus de 100 m.
Dans la pratique, les arcs circulaires sont probablement la forme la plus utilisée pour les petites portées. En cas de grandes portées en revanche, les arcs paraboliques peuvent s’avérer plus économiques. Pour accroître la hauteur libre à proximité des appuis, l’adoption d’une forme elliptique ou autre peut être préférable. Un autre moyen d’accroître la hauteur libre consiste à placer l’arc sur des poteaux (Figure 3.14b).
Un arc exige des appuis stables, ce que procurent une structure attenante, les fondations ou des éléments tendus spéciaux. Ceux-ci peuvent être visibles ou, dans les halls par exemple, être placés sous la dalle de plancher (Figure 3.14).
Les arcs sont normalement conçus avec des éléments de fixation articulés au niveau des appuis et (en général) du faîtage. Dans le cas de grandes portées, d’autres fixations peuvent être prévues en vue du transport. Ces assemblages doivent être rigides et placés à des endroits où les moments de flexion sont faibles.
L’arc à trois rotules est isostatique, ce qui signifie des calculs simples et une insensibilité au tassement des appuis. Ce type d’arc est également stable dans son propre plan et ne transmet pas de moments de flexion aux fondations. Cependant, les arcs n’étant pas stables dans la direction hors-plan et étant soumis au flambement des poteaux et à un flambement latéral, ils ne doivent pas être trop élancés (la largeur de la section transversale ne doit pas est trop faible) et ils doivent être contreventés en conséquence (voir également le Chapitre 13).
Lorsqu’ils sont disposés en cercle, les arcs revêtent une forme similaire à un dôme. Dans le cas d’un véritable dôme, une structure en coque est utilisée. Un dôme peut constituer une solution intéressante en cas de grandes portées.
3.6. PORTIQUES
Figure 3.16 : Portique aux reins courbes.
Pour des raisons fonctionnelles, esthétiques ou économiques, l’adoption d’un arc dessinant une forme autre que parabolique (économie de matériau) ou circulaire peut être préférable. Les exigences relatives à la hauteur libre de l’ensemble de la construction imposent souvent l’adoption de la forme caractéristique du bois lamellé-collé, à savoir un portique à trois rotules aux reins courbes (Figure 3.16) ou, en cas d’exigences extrêmes concernant l’utilisation de l’ensemble de la zone, aux reins à angles vifs.
Dans les deux cas, les fonctions du bâtiment sont améliorées, au détriment d’un potentiel d’utilisation du matériau légèrement plus faible. Le portique à trois rotules possède par ailleurs les mêmes avantages que l’arc à trois rotules, à savoir qu’il implique des calculs et des fondations simples. Ce type de structure est particulièrement adapté aux sous-sols pauvres, car il ne transfère aucun moment de flexion aux fondations.
La forme traditionnelle est symétrique dans le plan, mais il est possible d’obtenir des volumes intéressants par l’intermédiaire de combinaisons avec d’autres éléments de construction – courbes ou droits – ou d’agencements tridimensionnels de demiportiques.
3.7. CANTILEVERS
Figure 3.17 : Cantilevers. (a,b) Toiture isolée avec poteaux encastrés, (c) tribune avec cantilevers à l’arrière.
Dans de nombreux contextes, les exigences imposent qu’un des deux ou les deux côtés longs d’un bâtiment soient ouverts et dépourvus de poteaux. Ceci est notamment le cas des scènes en plein air, des toitures isolées des quais de gare et des tribunes (Figure 3.17).
Dans tous ces cas, le bois lamellé-collé offre des solutions sous la forme de poutres droites ou de potences courbes en porte-à-faux – demi-portiques. Dans les deux cas, les moments d’encastrement importants doivent être transférés aux structures communicantes, qui doivent donc être conçues en conséquence.
3.8. COQUES
Figure 3.18 : Coques. (a, c, d) Paraboloïdes hyperboliques, (b) coques entrecroisées.
Les coques permettent de créer une large variété de formes avancées et de grandes zones dépourvues de poteaux. La combinaison de plusieurs coques du même type permet d’obtenir des toitures de formes très variées. Parmi les types de coques existants (le dôme ayant déjà été mentionné dans la section réservée aux arcs), le conoïde et le paraboloïde hyperbolique sont relativement courants (Figure 3.18). Ces deux formes présentent une caractéristique très intéressante, à savoir que leur surface peut être engendrée par des droites et qu’elle peut donc facilement être construite à partir d’une ou de plusieurs couches entrecroisées de planches en bois ou de tôles ondulées.
3.9. COMBINAISON DE DIFFERENTS TYPES D’ELEMENTS LAMELLES-COLLES
La combinaison de plusieurs systèmes structuraux offre généralement des solutions élégantes.
Il est possible de répondre au souhait d’une lumière du jour abondante à l’aide d’une toiture à redans composée de fermes à trois rotules placées sur des poutres continues (Figure 3.19a).
Il est également possible de surmonter les difficultés liées à la nature du sous-sol en concentrant les forces de réaction aux charges en un nombre réduit de points d’appui, doté chacun d’une dalle de fondation renforcée. Dans le cas des systèmes mixtes à arcs et à poutres illustrés par les Figures 3.19 b et c, la majeure partie de la charge du toit est supportée par les arcs.
Figure 3.19 : Systèmes mixtes. (a) Toiture à redans, (b, c) combinaisons de poutres et d’arcs, (d) toiture haubanée.
3.10. PONTS EN BOIS LAMELLE-COLLE
La plupart des ponts en bois actuellement construits sont des passerelles (pour piétons, cyclistes, etc.). Au cours des dernières années cependant, l’intérêt porté aux ponts routiers en bois s’est accru et un grand nombre de ponts de ce type ont été construits.
D’un point de vue structural, il existe une différence entre la sous-structure d’un pont et sa superstructure. La superstructure correspond à la partie porteuse – principalement horizontale – qui franchit un obstacle (un cours d’eau par exemple). La superstructure inclut le tablier, les poutres principales qui supportent le tablier et la structure primaire, correspondant par exemple aux poutres ou aux arcs qui supportent les charges (poids propre, charges de trafic, neige et vent) et qui les transfèrent à la sous-structure. La sous-structure transfère ensuite les charges aux fondations par le biais des culées et de divers types d’appuis intermédiaires. De nos jours, ces derniers sont souvent fabriqués en béton armé ou parfois en acier, alors qu’auparavant, ils étaient généralement en pierres ou en briques. Il est possible d’utiliser des poteaux en bois à condition qu’ils soient protégés en cas de contact avec l’eau.
Les ponts à poutres, les ponts en arc et les ponts à câbles (ponts suspendus ou à haubans) sont les trois principaux types de superstructure de pont (cf. Figures 3.20 et 3.21). En règle générale, les ponts à poutres incluent des ponts-dalles, des poutres à treillis et d’autres types de structures consistant en des assemblages de barres (Figure 3.20). Il est également possible de combiner différents types de structures. Étant donné que les systèmes structuraux utilisés pour les charpentes de comble (précédemment décrits) ne diffèrent que légèrement de ceux utilisés pour les ponts, seuls les aspects propres aux ponts en bois seront mentionnés dans la présente section.
Plusieurs conditions déterminent le choix de la structure la mieux adaptée à chaque cas, et notamment les exigences relatives à la portée et à la hauteur libres, la place disponible pour la structure et le type de trafic. L’aspect revêt souvent une importance significative, car en principe les ponts de grande taille marquent le paysage. Parmi les autres facteurs qui influencent le choix, il convient de mentionner la nature du sol et les exigences relatives au matériau de construction à utiliser.
Figure 3.20 : Ponts à poutres : a) poutre simple, b) poutre tendue à la base, c) poinçon, d) poutre à treillis, e) ferme à contrefiches, f) poinçon et ferme à contrefiches combinés.
Figure 3.21 : (a) Pont en arc, (b) pont suspendu, (c) pont à haubans.
3.10.1. Tablier de pont précontraint
L’un des types de ponts en bois les plus simples est le tablier en bois cloué-laminé, qui consiste en une série de planches placées côte à côte ou de madriers cloués les uns aux autres ; la chaussée et le système structural sont combinés dans la même structure. La version moderne de ce principe est le pont-dalle en bois précontraint transversalement, généralement appelé « tablier de pont précontraint » (cf. Figure 3.22).
La dalle de la route est constituée de poutres lamellées-collées – de madriers en cas de petite portée – pressées les unes contre les autres à l’aide de tiges en acier de précontrainte. Cette structure est facile à monter et la dalle possède de bonnes caractéristiques de répartition de la charge. En raison de sa rigidité latérale, elle ne nécessite aucun contreventement supplémentaire. La dalle est normalement imperméable à l’humidité ; sa surface supérieure protège le bois de l’humidité provenant d’en haut. Seule une petite surface du bois est donc exposée et les variations de la teneur en humidité (jeu du bois) sont également faibles.
La chaussée peut avantageusement être rendue continue sur plusieurs travées. Un tablier de pont précontraint peut également servir d’élément supérieur ou inférieur pour une poutre à treillis.
Figure 3.22 : Pont-dalle avec dalle lamellée-collée précontrainte transversalement. (1) Garde-fou. (2) Poutres lamelléescollées droites. (3) Tirant en acier. (4) Surface de roulement.
3.10.2. Ponts à poutres
Dans le cas des ponts à poutres, la structure porteuse consiste généralement en deux poutres lamellées-collées longitudinales ou plus ; lorsque la portée et les charges sont faibles, ces poutres peuvent être en bois de sciage. Les poutres peuvent couvrir une ou plusieurs travées. Lorsque la distance entre les poutres est faible, le tablier, composé de madriers, peut reposer directement sur les poutres (Figure 3.23).
Dans le cas des ponts de petite taille, le tablier peut servir de diaphragme et supporter les charges horizontales (le vent, par exemple), tout en empêchant le flambement des poutres. En cas de portée plus importante, un contreventement est nécessaire ; il prend généralement la forme de poutres à treillis horizontales placées entre les poutres principales, au niveau de leur face supérieure ou inférieure.
Lorsque les poutres principales sont plus largement espacées, le tablier repose sur des poutres secondaires transversales, qui transfèrent la charge aux poutres principales. La surface supérieure du tablier, composé de madriers reposant sur les poutres secondaires, est généralement recouverte d’asphalte (Figure 3.24). En cas de grande portée et de trafic intense, le tablier est généralement une dalle précontrainte, qui agit structurellement avec les poutres principales formant une section en T ou en caisson. Le tablier servant alors de diaphragme pour les charges horizontales, aucune mesure spéciale n’est nécessaire pour contrer la force du vent.
Figure 3.23 : Pont à poutres avec des madriers posés directement sur les poutres lamellées-collées.
Figure 3.24 : Pont à poutres avec des poutres secondaires transversales et des madriers. (1) Garde-fou. (2) Surface de roulement. (3) Madriers. (4) Poutre secondaire transversale. (5) Poutres lamellées-collées. (6) Contreventement.
3.10.3. Poinçon, ferme à contrefiches
Les ponts à poutres conçus avec un poinçon ou une ferme à contrefiches (Figures 3.20 c, e et f) étaient auparavant utilisés en cas de travées trop importantes pour être reliées par des poutres ordinaires. Les poutres principales étaient alors accompagnées d’un ou de plusieurs points d’appui intermédiaires, ce qui signifie que le matériau était utilisé de façon plus efficace. Les tirants sont généralement en acier. Au cours du processus de conception, il convient de prendre en compte les différences des matériaux en termes de propagation de la chaleur et de propriétés de rigidité.
Les fermes à contrefiches peuvent constituer une solution efficace dans le cas, par exemple, d’un pont à poutres traversant un ravin profond, les contrefiches inclinées pouvant être soutenues par les côtés du ravin. Les fermes à contrefiches peuvent être considérées comme une forme intermédiaire entre un pont à poutres et un arc.
3.10.4. Ponts en arc
Ces structures se composent généralement de deux arcs, la chaussée étant placée à la base, au milieu ou au sommet des arcs (Figure 3.25). Les arcs sont limités sur les côtés par des poutres à treillis ou des portiques. De même que le tablier, ces éléments sont également utilisés pour supporter les charges de vent et toute autre force horizontale à laquelle est soumise la structure.
Pour des raisons liées au transport et à la fabrication, les arcs sont souvent conçus comme des arcs à trois rotules, en particulier en cas de portée supérieure à 20 mètres. Par ailleurs, grâce à l’arc à trois rotules, la structure est isostatique et peut supporter des déplacements relativement importants au niveau des fondations. S’il est préférable, pour d’autres raisons, d’utiliser des arcs à deux rotules, il est possible de faire des assemblages rigides sur le lieu de construction.
Figure 3.25 : Ponts en arc à tablier inférieur, intermédiaire et supérieur.
3.10.5. Ponts suspendus et à haubans
Un pont suspendu consiste en une chaussée renforcée suspendue à des câbles porteurs entre deux pylônes à l’aide de tirants verticaux (Figure 3.21b).
Un pont à haubans consiste en un pont à poutres soutenu par deux appuis rigides ou plus. Entre ces appuis, des poutres sur appuis élastiques sont soutenues par des câbles obliques partant d’un ou de plusieurs pylônes. Les réactions d’appui obliques des câbles induisent des forces axiales dans les poutres du pont. Les différences de rigidité et de propagation de la chaleur des matériaux (de l’acier et du bois, par exemple) doivent être prises en compte lors de la conception.
3.10.6. Ponts caténaires
Un pont caténaire est une sorte de pont suspendu dont le tablier remplit deux fonctions : (1) surface de roulement (courbe) pour les piétons et les véhicules légers et (2) élément de pont primaire, précontraint et en traction (cf. Figure 3.26). La courbe en forme de chaînette du pont est en partie déterminée par le cas de charges en question. En raison d’une certaine rigidité à la flexion du tablier et d’une sollicitation asymétrique, la forme dévie de celle d’une chaînette. Les forces horizontales importantes doivent être supportées par la sous-structure. La longueur de la structure varie selon les variations dimensionnelles du bois (retrait ou gonflement) et, dans une moindre mesure, les variations de température, qui doivent être prises en compte au moment de la conception.
Figure 3.26 : Exemple d’un pont caténaire.
3.11. ELEMENTS D’ASSEMBLAGE
Les structures en bois lamellé-collé sont souvent visibles et sont donc un élément fondamental de l’architecture d’un bâtiment (en bois). Ceci est également vrai pour les éléments d’assemblage. La conception de ces derniers doit donc bénéficier d’une attention particulière de la part du concepteur.
Dans l’ancienne technique de construction en bois, les assemblages étaient généralement conçus pour ne transférer que les forces de compression ; ils ne pouvaient transférer les forces de traction que dans une très faible mesure. De nos jours, les assemblages et les raccordements sont réalisés à l’aide de pointes, de vis, de boulons et de différents éléments de fixation en acier qui peuvent aussi bien transférer les forces de traction que de compression (se référer au Chapitre 14 pour obtenir des informations détaillées sur les différents éléments d’assemblage et les méthodes de calcul).
Les éléments de fixation en acier transfèrent les forces de façon plus concentrée et mieux définie que les anciens types d’assemblage en bois. Une articulation qui unit deux éléments structuraux sans la possibilité de transférer les moments peut, par exemple, être conçue comme une véritable articulation.
3.12. TABLEAU RECAPITULATIF
Le Tableau récapitulatif 3.1 ne couvre que les types de structures en bois les plus courantes pour les bâtiments. Il indique les hauteurs structurales approximatives et les portées recommandées pour différents types de structures afin d’aider le concepteur dans son choix et de simplifier la conception. Les valeurs indiquées correspondent à des valeurs moyennes dans des conditions normales. Lorsque la sollicitation est faible ou que les unités sont peu espacées, les hauteurs structurales peuvent être légèrement plus basses que celles indiquées dans le tableau. L’inverse est également vrai. La bonne proportion (valeur initiale) entre la hauteur d’un élément h et sa largeur b est h/b = 5. Le choix du système structural est souvent conditionné par des contraintes liées à la fabrication et au transport.
Les valeurs indiquées dans le Tableau 3.1 correspondent aux valeurs initiales recommandées pour la hauteur des éléments, et non aux valeurs finales. Il convient d’effectuer des calculs de dimensionnement détaillés pour trouver les dimensions finales de l’élément à l’état limite ultime et à l’état limite de service. Une contre-flèche peut, au besoin, être intégrée au système pour anticiper les flèches futures. Dans le cas de certaines structures, telles que les arcs, il convient de vérifier les contraintes de traction perpendiculaires au fil. Il convient aussi de considérer attentivement les différents coefficients de forme, tels que les charges de neige, sur différents types de toiture. Toutes les structures doivent être contreventées pour empêcher le flambement latéral et pour résister aux charges horizontales (cf. Chapitres 4 et 13).
Tableau 3.1 : systèmes structuraux en bois lamellé-collé. Pentes de toiture et portées recommandées. Hauteur approximative de la section transversale des éléments (entraxe de 6 m environ, charge variable de 3,0 kN/m² environ, poids propre de la charpente de comble de 0,5 kN/m² ). Les systèmes en italique et suivis d’un * sont moins courants.
