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Le contreventement des bâtiments 2/2 Le contreventement est l’ensemble des dispositifs permettant d’assurer la stabilité d’un ouvrage vis-à-vis des sollicitations horizontales. C’est un élément essentiel dans la conception d’un ouvrage. La compréhension du phénomène et des problématiques liées est un préalable nécessaire pour sa conception et son dimensionnement. Une structure bien conçue doit pouvoir assurer sa stabilité sous l’action de n’importe quelle charge extérieure et notamment sous l’action des charges horizontales (pression du vent sur les façades, secousses sismiques, chocs de véhicules…). Autrement dit, la conception générale d’une structure, ainsi que de chacun de ses composants, doivent permettre d’assurer la descente des charges horizontales depuis leurs points d’application jusqu’aux fondations. Définition : L’ensemble des éléments structuraux destinés à assurer la descente des charges horizontales s’appliquant sur un bâtiment est appelé système de contreventement. Le contreventement d’un bâtiment doit être pensé dès sa conception, car ce sont la géométrie globale et le positionnement en plan des éléments les plus rigides qui déterminent en grande partie la bonne répartition des efforts dans la structure. Les géométries simples et compactes sont donc à privilégier. À l’opposé les formes en U ou en L sont à éviter car elles posent des problèmes de concentration de contraintes au niveau des angles et font apparaître de la torsion d’ensemble. La disposition en plan des éléments de contreventement est également très importante. Un mauvais positionnement et/ou une mauvaise répartition des éléments rigides entraîne nécessairement une torsion du plancher qui génère des efforts supplémentaires dans les éléments de contreventement. La notion de torsion est donc très importante pour l’étude des structures vis-à-vis des efforts horizontaux et on verra que celle-ci peut être évitée en faisant coïncider le centre de torsion avec le point d’application de la charge. Par exemple dans le cas d’une structure soumise aux efforts de vent, l’adoption d’un système de contreventement symétrique est une bonne réponse à ce problème de torsion. Les sollicitations horizontales auxquelles sont soumises les structures bois proviennent pour des efforts de vent ou de sollicitations sismiques. Les efforts de vent sont fonctions en plus de la situation géographique, de l’orographie (science géographique du relief), de l’exposition de l’ouvrage et de la volumétrie du bâtiment. Les sollicitations sismiques dépendent principalement de la zone sismique dans laquelle se trouve le bâtiment, de la géométrie du bâtiment, de sa régularité en plan et en élévation, de sa masse et de la nature du sol sur lequel il se trouve, il faut s’assurer de la capacité de celui-ci à recevoir une construction dans de bonnes conditions. Le tremblement de terre engendre des effets de deux natures,
Comme on le voit, les deux calculs d’efforts de vent et de séisme sont assez différents. Les efforts sismiques faisant intervenir notamment des notions de période et de dissipation d’énergie, un ouvrage bien conçu pour résister aux efforts de vent ne le sera pas nécessairement pour la résistance au séisme. Mode de propagation des efforts dans la structure Dans une structure de bâtiment, les efforts horizontaux appliqués au plancher sont transmis aux fondations par l’intermédiaire des éléments de contreventement. Ces éléments de contreventement peuvent être décomposés en deux familles :
La transmission des efforts jusqu’au sol est assurée par cisaillement entre les pointes ou vis et le platelage des planchers puis par cisaillement et traction/compression entre les éléments verticaux et les fondations, dalle, murs ou pilotis. Ce cheminement des efforts dans la structure est rendu possible par une rigidité suffisante dans leur plan de chacun des éléments. Le comportement de la structure dépend donc fortement du comportement de chaque élément de contreventement pris individuellement qu’ils soient verticaux ou horizontaux. Le comportement de ces différents éléments est complexe, car il dépend à la fois de leur géométrie (élancement, section), de leur composition, de leur positionnement et de leur rigidité relatifs dans le plan, de l’importance des charges verticales appliquées sur ces éléments.
Il existe deux grands principes pour réaliser le contreventement vertical : par noyau ou par refend. Le contreventement par noyau est réalisé en positionnant au centre de la structure un élément rigide destiné à reprendre l’intégralité des charges horizontales. Ce sont généralement les circulations verticales telles que les cages d’ascenseur ou d’escalier qui remplissent cette fonction. Dans un contreventement par refends, la rigidité est assurée soit par des panneaux rigides (murs en ossature bois rigidifiés par panneaux, murs en bois massif contrecollé) soit par la création de palées de stabilité triangulées ou encore par des portiques rigides. Le contreventement vertical doit être conçu de manière à stabiliser la structure sur toute la hauteur de l’ouvrage tout en apportant un minimum d’efforts aux fondations.
Les murs à ossature en bois (éléments verticaux)
Les murs en bois massif contrecollé
Le contreventement horizontal est réalisé généralement par des dispositions constructives au niveau des planchers et de la toiture. Il est assuré par un diaphragme constitué de solives d’un platelage et éventuellement d’une dalle collaborante et des éléments de chaînage dans le cas de bâtiments à étages, soit par la réalisation de poutres au vent généralement obtenues par triangulation des éléments de stabilité.
Remarque : Réalisation d'une poutre au vent
Principe du diaphragme rigide : On appelle diaphragme rigide tout plancher haut (ou toiture) contreventé de telle sorte qu’il peut se comporter à la manière d’une poutre. Les appuis de cette poutre seront les palées de stabilité. De la même manière qu’une poutre “classique” est stabilisée par le blocage de 3 degrés de liberté (1 encastrement OU 1 articulation + 1 appui glissant OU 3 appuis glissants), il faut bloquer au minimum 3 degrés de liberté du diaphragme rigide pour assurer sa stabilité. La répartition des efforts entre les éléments verticaux dépend directement de la nature du plancher. On peut définir deux types de planchers correspondant à deux comportements vis-à-vis des efforts horizontaux : les planchers souples et les planchers rigides.
Le choix du type de plancher dépend d’un grand nombre de facteurs : structurel, esthétique, acoustique, feu, thermique, etc. Ainsi, on distingue dans les constructions en bois principalement trois grands types de plancher : le plancher traditionnel composé de solives et de panneaux rigides, le plancher en bois massif contrecollé, et enfin le plancher mixte bois béton. Pour chaque type de plancher sont présentés la composition générale, les dispositions constructives et enfin les points importants pour le contreventement. Composition :
Liaison avec les éléments verticaux : Pour une structure entièrement en bois, la liaison se fait par l’intermédiaire d’assemblages assez divers parmi lesquels on retrouve les sabots, la pose d’une murallière, ou encore la mise en place de ferrure en âme fixée dans la ceinture du mur.
Intérêt pour le contreventement : Ce type de plancher fonctionne très bien dans le cas de structure entièrement en bois dans la mesure où il est bien contreventé (panneaux bois ou poutre au vent). Il permet de jouer le rôle de diaphragme et de répartir les efforts horizontaux entre les éléments. Le plancher en bois massif contrecollé Composition : Les planchers de bois massif contrecollé sont réalisés de la même manière que les murs en bois massif contrecollé. Ces panneaux sont structurels et ne nécessitent pas de solivage. Comme pour les murs, ils sont au maximum préfabriqués en usine (ouvertures comprises). Liaison avec les éléments verticaux :
La liaison avec les murs peut se faire directement par des pointes en positionnant le plancher sur le mur. Sur des éléments d’ossature bois, le plancher peut être fixé soit par des cornières, soit par l’intermédiaire d’une muraillère. La fixation aux éléments en béton ou en maçonnerie est réalisée soit par une cornière fixée au béton, soit en positionnant le plancher sur l’élément en maçonnerie. Pour équilibrer une force agissant dans n’importe quelle direction du plan, il faut disposer d’au moins trois lignes de forces : - les lignes d’actions des forces ne doivent pas être concourantes - les lignes d’action des forces ne doivent pas être toutes parallèles entre elles Le contreventement d’un bâtiment suit en grande partie les règles d’isostatisme. Pour pouvoir stabiliser un bâtiment il est nécessaire de supprimer les six degrés de liberté possibles, à savoir les trois translations suivant (O, x, y, z) et les trois rotations autour des axes (O, x, y, z). Supposons un bâtiment placé dans un repère (O, x, y, z) la cote suit la hauteur du bâtiment. Si ce bâtiment possède un diaphragme rigide, il reprendra les efforts suivant trois degrés de liberté (Rx, Ry, Tz) puisqu’il s’agit d’un plan. Les murs qui soutiennent ce diaphragme rigide devront eux reprendre les efforts suivants Tx, Ty et Rz. Le contreventement consiste à assurer la stabilité longitudinale d’un ouvrage à partir de « barres » formant une triangulation entre les éléments de structure (portiques ou arcs, pannes, lisses, poteaux…) représentant des « cadres » déformables initialement. Ces barres peuvent être en bois reprenant des efforts de traction ou de compression, mais aussi en métal reprenant uniquement des efforts de traction ; ce deuxième cas nécessite alors une disposition systématique en croix de Saint André. En toiture, l’ensemble formé par les portiques (ou arcs), les pannes et les « barres » est appelé : poutre « au vent » ; les schémas ci-dessous présentent les principaux dispositifs :
Pour des pressions de vent conséquentes et (ou) sur des grands ouvrages, les barres de contreventement sont disposées entre d’autres travées afin de répartir de manière uniforme les efforts ; ce dispositif forme un ensemble appelé : poutre d’égale résistance :
D’une manière générale, le contreventement de toiture forme une ceinture au niveau des rives ; le schéma ci-dessus sans les dispositifs en est l’illustration. Pour dimensionner le dispositif de contreventement en toiture, la modélisation s’effectue sur un demi-pan. On dissocie les ouvrages d’une longueur inférieure ou supérieure à 60 mètres.
pent. : pression linéique d’entraînement (daN/m)
ppig. :
pression linéique sur pignon (daN/m), avec
p’pig. :
pression linéique sur pignon (daN/m), avec
Aux points T sont transmis les efforts induits par les poutres « au vent » aux palées de stabilité ; la position de ces points est fonction de la position d’accrochage supérieure des barres de contreventement dans les palées de stabilité. En paroi verticale, l’ensemble formé par les portiques (ou arcs), les pannes sablières (ou lisses) et les « barres » est appelé : palée de stabilité ; les schémas ci-dessous présentent les principaux dispositifs avec le vent venant de la gauche :
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