Conception des structures

Une structure doit être conçue de sorte à résister à toutes les charges susceptibles d’agir sur elle pendant sa durée de vie. Sous l’effet des charges prévues, la structure doit demeurer intacte et offrir un rendement satisfaisant. De plus, la construction d’une structure ne doit pas exiger une quantité de ressources démesurée. Ainsi, la conception d’une structure est l’équilibre entre la fiabilité nécessaire et l’économie raisonnable.

Les produits du bois servent souvent de principal soutien structurel des bâtiments. L’économie et la solidité de la construction peuvent être atteintes en utilisant les produits du bois comme pièces dans les ensembles structurels, comme les solives, les montants muraux, les chevrons de charpente, les tirants, les poutres et les fermes. De plus, les produits de revêtement et de platelage en bois ont un rôle structurel, en transférant la charge du vent, de la neige, des occupants et du contenu vers les pièces structurelles principales, et un rôle d’enveloppe de bâtiment. Le bois peut servir à plusieurs formes structurelles, comme une enceinte à ossature légère et les petits bâtiments qui utilisent des pièces de petites dimensions répétées ou dans les systèmes de charpente structurelle plus lourds, comme une construction en bois massif, souvent utilisé dans les projets commerciaux, institutionnels ou industriels. La conception d’ingénierie des composants et des systèmes structurels en bois repose sur la norme CSA O86.

Durant les années 1980, la conception des structures en bois au Canada, selon le Code national du bâtiment du Canada (CNB) et la norme CSA O86, est passée du calcul des contraintes en service (CCS) au calcul aux états limites (CÉL). Cela a rendu similaire la méthode de conception structurelle des constructions en bois avec celle des autres matériaux de construction principaux.

Toutes les méthodes de conception structurelle doivent satisfaire aux exigences suivantes en ce qui a trait à la résistance et au service :

Résistance de la pièce ≥ Effets des charges calculées

À l’aide de la méthode CÉL, la structure et ses composants individuels sont caractérisés par leur résistance aux effets des charges appliquées. Le CNB applique des facteurs de sécurité aux parties résistance et charge de l’équation.

Résistance pondérée ≥ Effet de charge pondéré

La résistance pondérée est le produit d’un coefficient de résistance (φ) et de la résistance nominale (résistance spécifiée), tous deux prévus par la norme CSA O86 pour les matériaux et les raccords en bois. Le coefficient de résistance tient compte des variations de dimensions et des propriétés des matériaux, de l’exécution, du type de rupture et de l’incertitude de la prédiction de la résistance. L’effet de charge pondéré se calcule conformément au CNB en multipliant les charges réelles sur la structure (charges spécifiées) par des facteurs de charge qui tiennent compte des variations de la charge.

Aucun échantillon de bois ou de tout autre matériau n’a exactement la même résistance qu’un autre. Dans tout procédé de fabrication, il faut reconnaître que chaque pièce fabriquée sera unique. Les charges, comme la neige et les vents, sont variables elles aussi. Par conséquent, la conception structurelle doit reconnaître que les charges et les résistances sont des groupes de données, plutôt que des valeurs uniques. Comme tout groupe de données, ce sont des attributs statistiques, comme la moyenne, l’écart type et le coefficient de variation. L’objet de la conception est de trouver l’équilibre raisonnable entre la fiabilité et les autres facteurs, comme l’économie et la commodité.

La fiabilité d’une structure dépend d’un éventail de facteurs, que l’on peut catégoriser comme suit :

les influences externes comme les charges et les changements de température;
la modélisation et l’analyse de la structure, les interprétations du code, les hypothèses de la conception et d’autres jugements qui font partie du processus de conception;
la résistance et la consistance des matériaux utilisés dans la construction;
la qualité du processus de construction.

La méthode CÉL consiste à offrir une résistance adéquate à certains états limites, à savoir la résistance et le service. Les états limites de la résistance renvoient à la capacité de charge maximale de la structure. Les états limites de service sont ceux qui restreignent l’utilisation normale et l’occupation de la structure, comme une flexion ou des vibrations excessives. Une structure est considérée comme étant défaillante ou impropre à l’utilisation lorsqu’elle atteint un état limite au-delà duquel sa fonction ou son utilisation est altérée.

Les états limites de la conception en bois sont classés en deux catégories :

les états limites ultimes, qui concernent la sûreté et correspondent à la capacité de charge maximale et comprennent des défaillances comme la perte d’équilibre, la perte de charge, l’instabilité et la rupture;
les états limites de service, qui concernent les restrictions à l’utilisation normale d’une structure.

Parmi les états limites de service, notons la flexion, les vibrations et les dommages localisés.

En raison des propriétés naturelles uniques du bois, comme la présence de nœuds, de flache ou l’angle du fil, la méthode de conception de structures en bois exige des facteurs de modification particuliers au comportement structurel. Ces facteurs de modification permettent d’ajuster les résistances précisées dans la norme CSA O86 afin de tenir compte des caractéristiques matérielles particulières au bois. Les facteurs de modification courants dans la conception de structures en bois comprennent la durée des effets de charge, les effets de système relatifs à l’agissement concerté des pièces répétitives, les conditions de service humide ou sec, les effets de la dimension des pièces sur la résistance et l’influence de produits chimiques et du traitement sous pression.

Les systèmes de construction en bois ont des rapports résistance-poids élevés et les constructions en bois à ossature légère contiennent plusieurs petits raccords, la plupart du temps des clous, qui offrent une ductilité et une capacité importantes dans la résistance aux charges latérales, comme les tremblements de terre et les vents.

Les murs de contreventement et les diaphragmes à ossature légère sont une solution très courante et pratique d’entretoisement latéral pour les immeubles en construction. Typiquement, le revêtement en bois, le plus souvent du contreplaqué ou des panneaux en lamelles orientées, destiné à résister à la charge par gravité peut également agir comme système de résistance latérale. Cela signifie que le revêtement joue plusieurs rôles, y compris la distribution des charges au plancher ou aux solives du toit, l’entretoisement des poutres et des montants pour éviter qu’ils ne flambent hors de la surface, et offre une résistance latérale aux charges des vents et des tremblements de terre. Parmi les autres systèmes de résistance aux charges latérale utilisés dans les bâtiments en bois, notons les ossatures rigides ou les portiques, les contrefiches et les entretoises.

Un tableau des portées typiques est offert ci-dessous pour aider les concepteurs à choisir le système structurel en bois qui convient.

Figure 4.3 : Capacités de portée estimatives des pièces en bois (à des fins d’illustration seulement)
Platelage, solives et poutres	Portées typiques, m	Rapport approximatif portée-profondeur (l-p)
Platelage en bois	1 à 2,5	25-35
Panneaux	0,3 à 0,6	20 à 40
Bois de dimension	3 à 7	15 à 25
Solives en I en bois	6 à 10	20 à 25
Panneaux à revêtement travaillant	3 à 7	24 à 30
Poutres-caissons en contreplaqué	4 à 9	18 à 20
Bois de copeaux parallèles	4 à 18	18 à 20
Bois en placage stratifié (LVL)	4 à 18	18 à 20
Bois lamellé-collé	4 à 25	18 à 20
Fermes et arches	Portées typiques, m	Rapport approximatif portée-profondeur (l-p)
Fermes inclinées	6 à 30	2 à 5
Fermes à membrures parallèles	6 à 30	10 à 15
Fermes de type bowstring	20 à 50	5 à 10