Collages et composites transforment les charpentes

Généralement, ce sont les assemblages qui sont déterminants dans la qualité technique des charpentes en bois. La maîtrise de la fabrication des éléments en lamellé-collé a élargi le champ des possibilités, en enrichissant les techniques connues et en autorisant le développement de technologies nouvelles. Les assemblages traditionnels bois sur bois – tenon et mortaise, embrèvement, entaille, assemblage à mi-bois – peuvent être réalisés de manière classique, avec du bois lamellé-collé. La purge des singularités du bois lors de la fabrication, contribue à fiabiliser ce type d’assemblage. Les assemblages par organes métalliques – pointes, clous, vis, tirefonds, plats ou boîtiers métalliques – représentent la majorité des procédés. Quelques évolutions sensibles sont à constater sur les formes des pointes des connecteurs métalliques pour s’adapter à la diversité des efforts à reprendre ou aux process de fabrication. Des logiciels de calculs, CAO et DAO en 2D et 3D, sont à la disposition des industriels afin de dimensionner tous ces types de liaisons conformément aux codes de calculs utilisés qui spécifient également les règles de mise en œuvre. Dans ces procédés, les impératifs techniques nécessaires à la résistance des assemblages sont déterminants quant à la section des bois : notamment les règles d’espacement minimum entre les organes métalliques d’assemblage. Cela génère des charpentes surabondantes en bois.

Une technique promise à un grand développement

Les progrès techniques de collages structuraux ont donné naissance à des assemblages spécifiques d’un type nouveau : collés ou métallo-collés tels que goujons, plats métalliques ou inserts. Certains de ces systèmes sont actuellement considérés comme non-traditionnels et demandent une validation par des essais et la mise en place de dispositions spécifiques d’assurance qualité. Les nouvelles règles professionnelles en cours d’élaboration sont essentiellement conçues à partir de nombreux essais de validation. La volonté de faire primer les essais sur les calculs pour établir ces nouvelles règles est motivée par le fait souvent constaté, que les méthodes théoriques « obligent » à prendre en compte dans les calculs, un certain nombre de coefficients de sécurité. Ceux-ci entraînent in fine la définition de structures trop lourdes par rapport aux besoins réels. Sur les fermes traditionnelles, par exemple, les goujons collés sont, dans un avenir proche, susceptibles de remplacer le boulonnage apparent. Permettant de faire « disparaître » les éléments de liaisons, des tiges filetées en acier sont maintenues dans le bois lamellé-collé à l’aide d’une résine injectée lors de la fabrication de la ferme en usine. Les premiers essais réalisés au Ctba (1) en novembre 2003, font apparaître que ces fermes sont au moins aussi résistantes que les fermes traditionnelles et que, de plus, elles semblent être plus « rigides » : se déformant moins, évitant le surdimensionnement de certaines pièces et présentant moins de risque de déformation lors des opérations de levage et de mise en œuvre. Dans ce contexte, les goujons insérés dans le bois sont totalement invisibles et l’assemblage est protégé des dégâts dus à un éventuel incendie. En effet, lorsque qu’en cas d’incendie, la surface d’une pièce en bois atteint environ 800°C, la température du matériau n’est plus que d’environ 60°C à 4 cm de profondeur. Cette température ne met pas en péril l’efficacité technique de l’assemblage.

Les assemblages collés autorisent des architectures plus fines

En France, il n’existe pas encore de banque de données d’assemblages qualifiés, mais la technique est maîtrisée. Une telle information ne peut exister qu’après une parfaite connaissance théorique et expérimentale sur les trois matériaux les composants – bois, résine, goujon ou insert en acier – et leurs interactions. Quelques exemples montrent la complexité du problème. Les essais montrent que la résistance mécanique d’un assemblage croît très rapidement en fonction de la longueur du goujon collé - jusqu’à 30 cm. Au-delà de 30 cm, l’apport de résistance supplémentaire est moindre et peut même devenir négatif pour des grandes longueurs à cause des risques de cassures de la tige. La nature de la tige peut donner des résultats très différents lors d’un essai à rupture en traction sur un goujon. Une tige filetée ne se désolidarise pas de la résine et c’est le bois qui est arraché par la colle, alors qu’une tige en acier Tor se désolidarisera plus facilement de la colle. Les nouvelles règles professionnelles (2) devraient présentés les solutions de collage les plus courantes sous forme d’abaques et des modes de calculs pour les solutions plus particulières. Dans les poutres, la solidité induite par la structure « composite » locale des assemblages collés modifie les habitudes en matière de résistance des matériaux. La géométrie de la pièce de charpente n’est plus déterminée par les assemblages impliquant une surabondance de matière, comme dans les solutions traditionnelles. La finesse des pièces, rendue possible par les techniques de collage, redonne la priorité à la géométrie générale de la structure. En effet, les risques de cassure - dus à une trop grande rigidité locale - sont accrus sur le reste de la poutre. Ce problème, bien connu en aéronautique où les techniques de collage sont pratiquées depuis très longtemps, trouve sa solution par un allègement calculé de la structure afin d’assurer un écoulement harmonieux et homogène des contraintes d’effort : soit par un affinement des profilés, soit par intégration de perçages ou d’évidements. Les concepteurs sont intéressés par cet effet induit qui leur permet de concevoir des structures fines et élancées où le bois est mis en valeur et où les entures peuvent être discrètes ou esthétiques.