Conception d'une ferme (1)

Il y a plusieurs choses à prendre en compte pour pouvoir concevoir une ferme.

Nous allons étudier ces étapes pas à pas.

1)      Qu’est-ce qu’une ferme ?

2)      Quels types de fermes ?

3)      Comment se répartissent les efforts dans une ferme ?

4)      Quels points faut-il prendre en compte pour concevoir une ferme ?

1)      Une ferme est une structure porteuse conçue pour supporter une zone plus ou moins étendue de la toiture. 

      A l’origine les premières toitures étaient composées de peu d’éléments : la couverture reposait sur un lattis d’éléments de faible section. 

      Soucieux de pouvoir répondre aux souhaits de ses contemporains, le charpentier a peu à peu élaboré sa structure afin de pouvoir faire des édifices plus grands, capables de supporter des couvertures plus lourdes. Lorsque les lattes ont été trop faibles il a ajouté des éléments perpendiculaires à celles-ci pour les soulager (les chevrons). 

      Puis il s’est rendu-compte qu’en ajoutant une pièce horizontale, pour relier deux chevrons en vis-à-vis, il pouvait augmenter la résistance de sa structure. 

     Le chevron portant ferme était né. 

      Les années et les siècles passant les édifices sont devenus plus grands, leurs formes se sont complexifiées et le chevron portant ferme a atteint ses limites. 

      Le charpentier a donc ajouté une couche supplémentaire à sa structure, sous les chevrons et perpendiculaire à ces derniers : la panne était née. 

      D’abord reposant sur des pignons cette méthode a vite montrée qu’elle était limitée et l’ajout d’une quatrième couche à la structure s’est rapidement imposé. 

      En créant une structure forte pour supporter la couche de panne la solution était trouvée et permettait de répondre à la majorité des problèmes rencontrés. 

      Les assemblages ayant suivi une évolution parallèlement à la structure, le charpentier a désormais une grande quantité de possibilités pour exprimer son art et répondre aux besoins et aux attentes de ses semblables.

2)   Les types de fermes

3)   Les efforts dans une ferme

1)      Il y a de nombreux points à prendre en compte pour concevoir une ferme :

a.       Le pays dans lequel se trouve la construction.

b.      La région.

c.       La pente de la toiture.

d.      Le type de couverture.

e.      Les essences de bois disponibles.

f.        Les sections de bois disponibles.

g.       Les contraintes climatiques, inhérentes au pays, à la région et/ou au site de construction.

h.      La destination finale du bâtiment

                                                               i.      habitation,

                                                             ii.      lieu public,

                                                            iii.      agricole,

                                                           iv.      industriel, etc...

i.         Le type de conception :

                                                               i.      traditionnelle,

                                                             ii.      triangulée,

                                                            iii.      industrielle (fermette),

                                                           iv.      lamellé-collé,

                                                             v.      composite,

                                                           vi.      mixte bois-métal.

j.        Les types d’assemblages

                                                               i.      à entailles (tenon-mortaise, embrèvement,  enfourchement, etc…),

                                                             ii.      à juxtaposition (les pièces de bois sont liées au moyen d’organes d’assemblages : boulons, pointes, anneaux, etc...),

                                                            iii.      chimiques (colle).

k.       Les sections de bois nécessaires à la reprise des efforts (obtenus par le calcul du dimensionnement des différentes barres de la structure, dans le respect des normes en vigueur dans le pays, en tenant compte des charges diverses, contraintes, tenu au feu, etc…).

l.         Les assemblages nécessaires à la reprise des efforts (obtenus par calcul de chaque nœud de la structure, dans le respect des normes en vigueur dans le pays, en tenant compte des charges diverses, contraintes, tenu au feu, etc…).

m.    Le maître d’ouvrage et le maître d’œuvre peuvent parfois émettre des souhaits spécifiques dont il faudra tenir compte dans le respect des règles énoncées ci-dessus.

Arrivé à ce stade vous disposez de toutes les informations nécessaires à l’élaboration des plans d’exécutions.

Il ne vous reste plus qu’à passer commande de vos matériaux et vous mettre à l’ouvrage.

Conception d'une ferme (2)

1       Quels types de fermes ?

      Nous n’aborderons ici que les plus répandus. En effet il existe une gigantesque quantité de type de fermes : suivant l’époque, la région, la technique, le pays ou parfois simplement l’imagination du charpentier. Il faudrait tout un livre pour les recenser. Au fil des âges, suivant l’évolution des besoins, des connaissances et des technologies, plusieurs systèmes ont été développés :

a.       Le système réticulé : La première ferme est limitée à sa plus simple expression, elle est composée de deux arbalétriers, d’un entrait pour empêcher l’écartement des deux précédents, et d’un poinçon dont le rôle principal est de faciliter l’assemblage des arbalétriers en tête et soulager l’entrait dans son milieu. Elle n’a pas de panne intermédiaire et ne supporte qu’un faîtage, assemblé avec le poinçon. (cf. image ci-dessus) L’ajout d’une panne intermédiaire implique l’ajout de contrefiches, pour soulager la flexion de l’arbalétrier. C’est la ferme dite latine. Partant de cette base de nombreuses déclinaisons ont été créé par ajout ou suppression de barres, en fonction des besoins ou des contraintes diverses : habitabilité du comble, nécessité de créer une voûte, forme de la toiture (Mansard, bulbe, dôme, etc…), très fortes pentes (clochers), etc…
Télécharger le document associé: TypesFermes_1.pdf
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b.      Le système triangulé : son invention est née du besoin de créer des bâtiments toujours plus grands tout en limitant la quantité de bois nécessaire à sa réalisation. Pour l’expliquer il convient d’aborder une notion indispensable en conception, celle de nœud et de barre. Un nœud est une intersection de plusieurs barres et une barre est une partie d’un élément de la structure comprise entre deux nœuds. Les nœuds et barres sont toujours étudiés à leur fibre neutre, qui correspond à l’axe de la  pièce de bois. Il y a des nœuds canoniques (dont les axes des barres sont tous concomitants) et les nœuds non-canoniques (dont les axes ne sont pas concomitants).

      Avant le système triangulé, les charpentiers bien que travaillant par empirisme avaient compris qu’un nœud travaille mieux s’il est canonique. Cela n’est toutefois pas toujours possible dans un système réticulé, ce qui les obligeait à utiliser des pièces plus fortement dimensionnées que nécessaire. C’est ce que l’on appelle un système hyperstatique. Ce sont les ingénieurs qui en se penchant sur l’étude des structures et de la répartition des efforts dans les barres les composants ont pu mettre au point le système triangulé.
Télécharger le document associé: TypesFermes_3.pdf

c.       Le système aggloméré : évolution du précédent, il consiste en un remplacement du treillis du système triangulé par des âmes pleines.

                                                               i.      Système à âmes pleines : le treillis est remplacé par deux couches de planches fines fixées dans les membrures extérieures.

                                                             ii.      Système à âmes de contreplaqué : le treillis est remplacé par une couche de contreplaqué fixée entre les membrures extérieures.

                                                            iii.      Système en caisson : les membrures triangulées sont à l’intérieur d’un caisson composé de deux couches de contreplaqué extérieures.

d.      Le système collé : bien qu’issu des travaux du colonel Emy, il fallut attendre la mise au point de colles à base de résines de synthèses pour que ce système puisse être totalement fonctionnel.

                                                               i.      Le lamellé-collé : les lamelles de bois sont assemblées par collage entre elles et sont disposées sur la hauteur de la pièce de bois.

                                                             ii.      Le contrecollé : même chose que le précédemment mais les lamelles sont disposées sur l’épaisseur de la pièce de bois.

Lorsque les deux pans de toiture d’une ferme sont de pente différente ou bien lorsque les deux appuis de celle-ci sont à des altitudes différentes on dit de cette ferme qu’elle est boiteuse.

Enfin lorsqu’une ferme est coupée au-delà du poinçon on dit qu’elle est tronquée.

Conception d'une ferme (3)

 Comment se répartissent les efforts dans une ferme ?

         La répartition des efforts dans les éléments d’une ferme fait partie des choses indispensables que doit connaître un charpentier.

      Vous ne devez jamais oublier que notre métier consiste à construire des bâtiments dans lesquels les gens vivent, travaillent, dorment, se reposent et parfois se réfugient.

      Nos ouvrages doivent donc être suffisamment solides pour offrir une sécurité maximale à ses habitants.

      Il  faut pour cela pouvoir reprendre bien sûr les charges usuelles au type de bâtiment (outre le poids propre, il y a les charges d’exploitation correspondant aux habitants, ainsi que leurs effets et leurs meubles, les charges exceptionnelles telles que la présence d’amis lors d’une soirée.

      Ou bien les charges climatiques telles que le poids  de la neige, les effets du vent et parfois les secousses sismiques).

      Ce cours n’a pas la vocation à vous apprendre comment déterminer les efforts dans les éléments d’une ferme. Je vais seulement vous montrer quels sont ces efforts et comment ils se répartissent sur la structure.

Télécharger le document pdf associé: CremonaLatine.pdf

La ferme latine: calcul des efforts par la méthode graphique dite « Crémona ». 
Le dessin de la ferme est fait aux fibres neutres (axe des pièces de bois). 
La notation des barres est impaire pour les barres extérieures et paire pour les barres intérieures. 
Le tableau des forces : en bleu, les charges numérotées et leur intensité ; en rouge, les réactions d’appuis et leur intensité. 
Les charges et réactions d’appuis sont disposées sur le dessin et ont leur échelle propre. 
Après réalisation du crémona les barres sont mesurées sur ce dernier et reportées dans le tableau des efforts : numérotation, nature (compression ou traction) et intensité exprimée en kilogrammes.

Le dévers: les principes de base

Il y a plusieurs principes  de base à connaitre pour pouvoir se lancer dans le dévers :

-          Il faut connaitre les différentes possibilités de déverser une pièce de bois,

-          Comprendre ce qu’est un dévers de pas

-          Savoir tracer le ou les dévers de pas d’une pièce de bois et savoir en faire la ou les herses.

1^ère notion à connaitre : les différentes façons de positionner un arêtier.

1)      Faces aplomb, sans délardement : les faces latérales de l’arêtier sont aplomb et la pièce de bois fait lattis par les arêtes. En cas de pente différente sur les deux versants cela ne dispense pas de faire le dévoiement : dans le cas contraire il faudrait faire un délardement sur un des deux côtés.

2)      Faces aplomb, délardé : c’est le type d’arêtier le plus fréquemment rencontré.

3)      Chanlatté : le chevron d’arêtier est composé de deux pièces qui ont la particularité d’être disposées à plat suivant le lattis des versants et qui sont découpées de façon à joindre l’une contre l’autre à l’arête. Les pièces font généralement la même épaisseur que celles qu’elles doivent recevoir (les chevrons).

4)      Aplomb par arêtes : se dit lorsque les deux arêtes opposées de la pièce de bois sont alignées sur un même plan vertical. L’arête supérieure fait lattis à l’intersection des deux versants.

5)      Lattis sur un versant : cela peut-être lattis long pan ou bien lattis croupe. La pièce de bois est déversée de façon à ce que sa face supérieure soit alignée avec le lattis du versant.

6)      A tout dévers : l’arête supérieure est généralement au lattis avec l’intersection des deux versants. Aucune autre arête, et aucune face n’est alignée avec quoi que ce soit.

Partant de là des combinaisons sont possibles : sur la charpente du château de Fontainebleau j’ai eu l’occasion de voir des arêtiers lattis croupe et délardés côté long pan, les empanons des deux versants étant assemblés par des tenons.

Et si l’on ajoute à cela le fait que ces positionnements peuvent s’appliquer aux empanons, croix de St André, liens, etc., on comprend vite que le dévers offre des possibilités quasi illimitées en matière d’imagination et que l’on peut consacrer sa vie entière à réaliser des ouvrages à dévers sans jamais faire deux fois la même chose.

2^ème notion à connaitre : le dévers de pas.

Lorsqu’une pièce de bois est à dévers on peut s’imaginer qu’il existe un plan théorique formé par le prolongement de la face jusqu’au sol. 

Nous obtenons alors un triangle délimité par le lattis d’une part, la projection au sol de la face de l’autre et le chevron d’emprunt à l’extrémité la plus haute. 

La ligne de projection au sol s’appelle le dévers de pas en plan. 

Ce triangle détermine ce que l’on appelle un plan de coupe. 

Lorsqu’on cherche les coupes de d’une pièce de bois contre une autre il suffit de déterminer leurs plan de coupe respectifs et de les mettre en herse pour obtenir les coupes à la sauterelle.

Dans le cas d’une pièce face aplomb, le dévers de pas en plan se confond avec les faces (elles sont sur le même plan). 

Dans le cas d’une pièce faisant lattis, le dévers de pas au sol est confondu avec la sablière (la ligne théorique, pas la pièce de bois !) du versant. 

Et dans le cas de pièces à dévers, la ligne n’existe pas et il va falloir la matérialiser. Il y a plusieurs façons de faire cela.

1)      Le dévers de pas par bout : comprendre par la vue par bout. 

Après avoir positionné la pièce de bois sur la vue par bout, prolongez les faces jusqu’à la ligne de sol de la vue par bout. 

Alignez les points nouvellement obtenus avec ceux du pied de l’arêtier, cela vous donne les lignes de dévers pas en plan. 

Détails sur tous les pdf ci-joint.

Arêtier face aplomb non délardé.

Arêtier face aplomb délardé.

Arêtier chanlatté.

Arêtier aplomb par arête.

Arêtier à tout dévers.

2)      Le dévers de pas par emprunt : comprendre par le chevron d’emprunt. 

Cette méthode ne peut s’appliquer que dans le cas d’une pièce faisant lattis avec le versant.

 En traçant une ligne perpendiculaire au lattis du chevron d’emprunt du versant concerné et en renvoyant cette ligne à venir croiser ce chevron d’emprunt sur la vue en plan, on obtient, en reliant ce dernier point avec le pied de l’arêtier sur la vue en plan, la ligne de dévers de pas en plan. 

Détails sur le pdf ci-joint:

Arêtier lattis sur un versant.

Vidéo expliquant ce qu'est un dévers de pas et le principe de recherche des plans de coupe pour déterminer les angles de coupe à la sauterelle.

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