Une structure doit être conçue pour résister à toutes les charges qui devraient agir sur elle pendant sa durée de vie. Sous l'effet des charges appliquées prévues, la structure doit rester intacte et fonctionner de manière satisfaisante. En outre, la construction d'une structure ne doit pas nécessiter une quantité démesurée de ressources. La conception d'une structure est donc un équilibre entre la fiabilité nécessaire et l'économie raisonnable.

Les produits du bois sont fréquemment utilisés pour fournir les principaux moyens de soutien structurel des bâtiments. L'économie et la solidité de la construction peuvent être obtenues en utilisant des produits du bois comme éléments d'applications structurelles telles que les solives, les montants muraux, les chevrons, les poutres, les poutrelles et les fermes. En outre, les produits de revêtement et de platelage en bois jouent à la fois un rôle structurel en transférant les charges du vent, de la neige, des occupants et du contenu aux principaux éléments structurels, et une fonction d'enveloppe du bâtiment. Le bois peut être utilisé dans de nombreuses formes structurelles telles que les maisons à ossature légère et les petits bâtiments qui utilisent des éléments répétitifs de petite dimension ou dans des systèmes d'ossature structurelle plus grands et plus lourds, tels que la construction en bois de masse, qui est souvent utilisée pour les projets commerciaux, institutionnels ou industriels. La conception technique des composants et systèmes structuraux en bois est basée sur la norme CSA O86.

Au cours des années 1980, la conception des structures en bois au Canada, conformément au Code national du bâtiment du Canada (CNB) et à la norme CSA O86, est passée de la conception des contraintes de travail (WSD) à la conception des états limites (LSD), rendant l'approche de la conception structurelle pour le bois similaire à celle des autres principaux matériaux de construction.

Toutes les approches de conception structurelle exigent les éléments suivants pour la résistance et l'aptitude au service :

Résistance des éléments = Effets des charges de calcul

En utilisant la méthode LSD, la structure et ses composants individuels sont caractérisés par leur résistance aux effets des charges appliquées. Le CNB applique des facteurs de sécurité à la fois au côté résistance et au côté charge de l'équation de conception :

Résistance pondérée = Effet de charge pondéré

La résistance pondérée est le produit d'un facteur de résistance (f) et de la résistance nominale (résistance spécifiée), tous deux indiqués dans la norme CSA O86 pour les matériaux et les assemblages en bois. Le facteur de résistance tient compte de la variabilité des dimensions et des propriétés des matériaux, de l'exécution, du type de défaillance et de l'incertitude dans la prédiction de la résistance. L'effet de la charge pondérée est calculé conformément au CNB en multipliant les charges réelles sur la structure (charges spécifiées) par des facteurs de charge qui tiennent compte de la variabilité de la charge.

Il n'existe pas deux échantillons de bois ou de tout autre matériau ayant exactement la même résistance. Dans tout processus de fabrication, il est nécessaire de reconnaître que chaque pièce fabriquée sera unique. Les charges, telles que la neige et le vent, sont également variables. Par conséquent, la conception structurelle doit tenir compte du fait que les charges et les résistances sont en réalité des groupes de données plutôt que des valeurs uniques. Comme pour tout groupe de données, il existe des attributs statistiques tels que la moyenne, l'écart-type et le coefficient de variation. L'objectif de la conception est de trouver un équilibre raisonnable entre la fiabilité et des facteurs tels que l'économie et l'aspect pratique.

La fiabilité d'une structure dépend d'une série de facteurs qui peuvent être classés comme suit :

• les influences externes telles que les charges et les changements de température ;
• la modélisation et l'analyse de la structure, des interprétations du code, des hypothèses de conception et des autres jugements qui constituent le processus de conception ;
• la solidité et la consistance des matériaux utilisés dans la construction ; et
• la qualité du processus de construction.

L'approche LSD consiste à fournir une résistance adéquate à certains états limites, à savoir la résistance et l'aptitude au service. Les états limites de résistance font référence à la capacité de charge maximale de la structure. Les états limites d'aptitude au service sont ceux qui restreignent l'utilisation et l'occupation normales de la structure, comme une déflexion ou des vibrations excessives. Une structure est considérée comme défaillante ou impropre à l'utilisation lorsqu'elle atteint un état limite au-delà duquel ses performances ou son utilisation sont compromises.

Les états limites pour la conception du bois sont classés dans les deux catégories suivantes :

• Les états limites ultimes (ELU) concernent la sécurité des personnes et correspondent à la capacité de charge maximale. Ils comprennent des défaillances telles que la perte d'équilibre, la perte de capacité de charge, l'instabilité et la rupture ; et
• Les états limites d'aptitude au service (ELAS) concernent les restrictions à l'utilisation normale d'une structure.

Les exemples de SLS comprennent la déflexion, les vibrations et les dommages localisés.

En raison des propriétés naturelles uniques du bois, telles que la présence de nœuds, la flache ou l'inclinaison du grain, l'approche de la conception pour le bois nécessite l'utilisation de facteurs de modification spécifiques au comportement structurel. Ces facteurs de modification sont utilisés pour ajuster les résistances spécifiées dans la norme CSA O86 afin de tenir compte des caractéristiques du matériau propres au bois. Les facteurs de modification couramment utilisés dans le calcul des structures en bois comprennent les effets de la durée de la charge, les effets de système liés aux éléments répétitifs agissant ensemble, les facteurs de conditions de service humides ou sèches, les effets de la taille des éléments sur la résistance et l'influence des produits chimiques et du traitement sous pression.

Les systèmes de construction en bois ont un rapport résistance/poids élevé et les constructions à ossature légère en bois contiennent de nombreux petits connecteurs, le plus souvent des clous, qui offrent une ductilité et une capacité importantes lorsqu'il s'agit de résister à des charges latérales, telles que les tremblements de terre et le vent.

Les murs de cisaillement et les diaphragmes à ossature légère constituent une solution de contreventement latéral très courante et pratique pour les bâtiments en bois. Généralement, le revêtement en bois, le plus souvent du contreplaqué ou des panneaux à copeaux orientés (OSB), qui est spécifié pour résister à la charge de gravité, peut également faire office de système de résistance aux forces latérales. Cela signifie que le revêtement remplit plusieurs fonctions, notamment la distribution des charges aux solives du plancher ou du toit, le contreventement des poutres et des montants pour éviter qu'ils ne se déforment et la résistance latérale aux charges dues au vent et aux tremblements de terre. D'autres systèmes de résistance aux charges latérales sont utilisés dans les bâtiments en bois, notamment les cadres rigides ou les portiques, les contreventements à genoux et les contreventements transversaux.

Un tableau des portées typiques est présenté ci-dessous pour aider le concepteur à choisir un système structurel en bois approprié.

Pour plus d'informations, consultez les ressources suivantes :

Introduction à la conception en bois (Conseil canadien du bois)

Manuel de conception en bois (Conseil canadien du bois)

CSA O86 Conception technique du bois

Code national du bâtiment du Canada

www.woodworks-software.com

Bois non traité sous pression

Pour la plupart des bois traités, les produits de préservation sont appliqués sous pression dans des installations spéciales. Cependant, il arrive que cela ne soit pas possible ou que la nécessité de traiter le bois ne soit apparue qu'après la construction ou l'occupation du bâtiment. Dans ce cas, les produits de préservation peuvent être appliqués selon des méthodes qui n'impliquent pas de cuves sous pression.

Certains de ces traitements ne peuvent être effectués que par des applicateurs agréés. Lors de l'utilisation de produits de préservation du bois, comme pour tous les pesticides, il convient de respecter les exigences de l'Agence de réglementation de la lutte antiparasitaire (au Canada) ou de l'Agence de protection de l'environnement (aux États-Unis) en matière d'étiquetage.

Cinq catégories de traitements sans pression

Traitement pendant la fabrication des produits en bois d'ingénierie

Certains panneaux en bois d'ingénierie, tels que le contreplaqué et le bois de placage stratifié (LVL), peuvent être traités après fabrication avec des solutions de préservation, ce qui n'est pas le cas des produits à base de fines lamelles (OSB, OSL) et des panneaux à base de petites particules et de fibres (panneaux de particules, MDF). Les produits de préservation doivent être ajoutés aux éléments en bois avant qu'ils ne soient collés ensemble, sous forme de pulvérisation, de brouillard ou de poudre.

Les produits tels que l'OSB sont fabriqués à partir de petites et fines lamelles de bois. Les conservateurs en poudre peuvent être mélangés aux lamelles et aux résines pendant le processus de mélange, juste avant le formage et le pressage du matelas. Le borate de zinc est couramment utilisé dans cette application. En ajoutant des conservateurs au processus de fabrication, il est possible d'obtenir un traitement uniforme sur toute l'épaisseur du produit. 

En Amérique du Nord, le contreplaqué est normalement protégé contre la pourriture et les termites par des procédés de traitement sous pression. Toutefois, dans d'autres parties du monde, des insecticides sont souvent formulés avec des adhésifs pour protéger le contreplaqué contre les termites.

Prétraitement de la surface

Il s'agit d'un traitement de préservation anticipé appliqué par trempage, pulvérisation ou brossage sur toutes les surfaces accessibles de certains produits en bois au cours du processus de construction. L'objectif est de fournir une enveloppe de protection aux produits, composants ou systèmes en bois vulnérables dans leur forme finie. Un exemple serait la pulvérisation de borates sur les charpentes des maisons pour les rendre résistantes aux termites de bois sec et aux coléoptères xylophages dans certains cas. Ces traitements peuvent également être appliqués au bois d'œuvre, au contreplaqué et à l'OSB afin de fournir une protection supplémentaire contre la formation de moisissures.

Prétraitement souterrain (traitement Depot)

Il s'agit d'un traitement de préservation appliqué à des endroits distincts, et non à l'ensemble de la pièce, au cours du processus de fabrication ou de la construction. L'objectif est de protéger de manière proactive uniquement les parties du produit, du composant ou du système en bois susceptibles d'être exposées à des conditions propices à la pourriture. Un exemple serait de placer des tiges de borate dans les trous percés dans les extrémités exposées des poutres en lamellé-collé dépassant la ligne de toit.

Traitement complémentaire

Il s'agit d'un traitement de préservation appliqué à des endroits distincts sur du bois traité en service pour compenser soit une pénétration initiale incomplète de la section transversale, soit une diminution de l'efficacité de la préservation au fil du temps. L'objectif est de renforcer la protection du bois déjà traité ou de traiter les zones exposées par la coupe nécessaire des produits en bois traité. Un exemple serait l'application d'un pansement prêt à l'emploi sur des poteaux électriques dont la charge conservatrice d'origine s'est épuisée. Un autre exemple est celui des matériaux coupés sur place pour les fondations en bois préservé.

Traitement correctif

Il s'agit d'un traitement de préservation appliqué au bois sain résiduel dans les produits, les composants ou les systèmes où l'on sait que la pourriture ou l'attaque d'insectes a commencé. L'objectif est de tuer les champignons ou les insectes existants et/ou d'empêcher la pourriture ou les insectes de se propager au-delà des dommages existants. Un exemple serait l'application au rouleau ou par pulvérisation d'une formulation de borate/glycol sur du bois sain laissé en place à côté d'une charpente pourrie (qui devrait être découpée et remplacée par du bois traité sous pression).

Formats des traitements sans pression

Les traitements sans pression se présentent sous trois formes différentes : les solides, les liquides/pâteux et les fumigants. Contrairement aux produits de préservation traités sous pression, qui dépendent de la pression pour une bonne pénétration, ces produits s'appuient sur la mobilité des ingrédients actifs pour pénétrer suffisamment profondément dans le bois pour être efficaces. Les ingrédients actifs peuvent se déplacer dans le bois par capillarité ou se diffuser dans l'eau et/ou l'air à l'intérieur du bois. Cette mobilité permet non seulement aux substances actives de pénétrer dans le bois, mais aussi de s'en échapper dans certaines conditions. Cela signifie que les conditions à l'intérieur et autour de la structure doivent être comprises afin de minimiser la perte de conservateur et la perte de protection qui en découle. Les borates, les fluorures et les composés de cuivre sont particulièrement adaptés à une utilisation sous forme de solides, de liquides et de pâtes. L'isothiocyanate de méthyle (et ses précurseurs), le bromure de méthyle et le fluorure de sulfuryle sont les seuls traitements par fumigation largement utilisés. Le bromure de méthyle a été supprimé en 2005, sauf pour des utilisations très limitées.

Solides

Le principal avantage des solides dans ces applications est qu'ils maximisent la quantité de matériau soluble dans l'eau qui peut être placée dans un trou foré, en raison du pourcentage élevé d'ingrédients actifs contenus dans les tiges disponibles dans le commerce. L'inconvénient majeur est la nécessité d'une humidité suffisante et le temps nécessaire à la dissolution de la tige. Le système de préservation solide le plus ancien et le plus connu est la tige de borate fondu, développée à l'origine dans les années 1970 pour le traitement complémentaire et correctif des traverses de chemin de fer. Depuis, ils ont été utilisés avec succès sur les poteaux électriques, les bois de construction, les menuiseries (fenêtres) et divers autres produits en bois. Un mélange de borates est fusionné en verre à des températures extrêmement élevées, puis versé dans un moule et laissé à prendre. Placé dans des trous dans le bois, le borate se dissout dans l'eau contenue dans le bois et se diffuse dans toute la région humide. L'écoulement en masse de l'humidité le long du grain peut accélérer la distribution du borate. Des biocides secondaires tels que le cuivre peuvent être ajoutés aux tiges de borate pour compléter l'efficacité des borates contre la pourriture et les insectes. Bien que tous les agents de conservation doivent être traités avec respect, de nombreux utilisateurs se sentent plus à l'aise avec les tiges de borate et de cuivre/borate en raison de leur faible toxicité et de leur faible potentiel de pénétration dans l'organisme.

Les fluorures sont également disponibles sous forme de bâtonnets. Le bâtonnet est produit en comprimant du fluorure de sodium et des liants, ou en l'encapsulant dans un tube perméable à l'eau. Les fluorures se diffusent plus rapidement que les borates dans l'eau et peuvent également se déplacer en phase vapeur sous forme d'acide fluorhydrique.

Le borate de zinc (ZB) est une poudre utilisée pour protéger les produits à base de lamelles. Il est mélangé aux résines et aux supports pendant les processus de fabrication des panneaux OSB et d'autres produits à base de lamelles et devient bien dispersé dans l'ensemble. Le borate de zinc a une très faible solubilité dans l'eau et peut protéger les produits à base de bois contre la pourriture et les termites.

Liquides, pâtes et gels

Les liquides peuvent être pulvérisés ou brossés sur les surfaces, ou versés ou pompés dans des trous percés. Les pâtes sont le plus souvent appliquées au pinceau ou à la truelle, puis recouvertes d'un papier kraft recouvert de polyéthylène pour former un "bandage". Les pâtes peuvent également être emballées dans des trous percés ou incorporées dans des bandages prêts à l'emploi à enrouler autour des poteaux. Les borates et les fluorures sont couramment utilisés dans ces formulations car ils se diffusent très rapidement dans le bois humide. Le cuivre se diffuse plus lentement car il réagit avec le bois. Pour le bois plus sec, des glycols peuvent être ajoutés aux formulations de borates afin d'améliorer la pénétration. Les produits de protection du bois disponibles en vente libre pour l'application au pinceau sont à base de naphténate de cuivre (de couleur verte) ou de naphténate de zinc (transparent). Tous deux sont dissous dans des solvants de type essence minérale. En outre, des formulations de borate/glycol à base d'eau peuvent également être achetées en vente libre sous forme de liquides à appliquer au rouleau.

Fumigants

Ces traitements sont généralement administrés sous forme de liquides ou de solides ; ils se transforment en gaz lors de l'exposition à l'air et deviennent mobiles dans le bois sous forme de gaz. Certains fumigants solides et liquides sont conditionnés dans des capsules perméables ou des tubes en aluminium. L'isothiocyanate de méthyle (MIT) et les produits chimiques qui produisent ce composé en se décomposant sont utilisés pour les poteaux électriques et le bois. Ce composé s'adsorbe au bois et peut fournir une protection résiduelle de plusieurs années. Le fluorure de sulfuryle et le bromure de méthyle sont utilisés pour la fumigation des tentes des maisons afin d'éradiquer les termites de bois sec.

Réparation des coupures dans la coquille traitée

Le bois traité sous pression qui se trouve dans le sol peut subir une décomposition interne importante en l'espace de six ou sept ans seulement si les coupes, les trous de boulons et les entailles ne sont pas traités à la brosse avec un produit de préservation appliqué sur le terrain. Les agents courants en vente libre à cette fin sont les suivants naphténate de cuivre (couleur verte), ou naphténate de zinc (transparent). Tous deux sont dissous dans des solvants de type essence minérale. Il existe d'autres agents à appliquer au pinceau, notamment des formulations à base de borate et de glycol en phase aqueuse, que l'on peut également se procurer dans les magasins de matériaux de construction.

L'oubli de cette étape critique réduira presque à coup sûr la durée de vie du produit et entraînera annuler toute garantie sur le produit. Bien que l'application au pinceau des produits de protection du bois soit loin d'être aussi efficace que le traitement sous pression, les produits de protection coupés sur le terrain sont généralement appliqués sur le fil du bois, ce qui permet à la solution de s'imprégner davantage que si elle est appliquée sur le fil du bois.

Dans les essais sur le terrain de FPInnovations, ces agents de conservation ont été testés, naphténate de cuivre a donné les meilleurs résultats. Le naphténate de zinc (2% zinc), qui est incolore, n'a pas été aussi efficace mais peut convenir pour les applications hors sol où le risque de pourriture est plus faible et si la couleur vert foncé du naphténate de cuivre n'est pas souhaitable. Il est à noter que le vert foncé du produit à base de cuivre s'estompe au bout de quelques années.