Charpente

Une charpente est un assemblage de pièces de bois ou de métal, servant à soutenir ou couvrir des constructions et faisant partie de la toiture.

On désigne souvent par charpente l'ossature de poteaux et poutres qui reprend le poids de la couverture ainsi que les charges verticales (c’est-à-dire les forces verticales s'exerçant sur la charpente) telles que les surcharges climatiques (neige). C'est le charpentier qui est chargé de la mise en place d'une charpente.

Principe : la charpente dite traditionnelle est constituée de fermes, de pannes et de chevrons. Une ferme est composée par l'assemblage de plusieurs pièces de bois massif. Les arbalétriers, l’entrait et le poinçon forment le réseau principal tandis que les contrefiches, les jambes de force, les diagonales et les potelets forment le réseau secondaire d'une ferme. Les assemblages des parties constitutives de la ferme se font par embrèvement, boulonnage ou clouage.

La charpenterie désigne l'art du charpentier et le chantier de charpente.

La dendrochronologie est la science permettant de dater le bois des charpentes.

Dessin d'une ferme
de charpente traditionnelle

Détail d'une ferme
de charpente traditionnelle

Les bois de charpente

Les essences de bois utilisées pour la fabrication des charpentes traditionnelles sont nombreuses, de plus elles varient considérablement d’une région à une autre et même d’une époque à l’autre : elles dépendent en partie des possibilités momentanées d’exploitation et d’approvisionnement. Dans ces conditions, il est difficile de donner une liste exhaustive des essences de bois utilisés, celle qui suit reste donc ouverte. Ainsi, les essences de bois principalement utilisées en charpenterie sont, pour des essences résineuses : le sapin, l'épicéa, le mélèze, le pin, le Douglas; pour des essences feuillues caduques : le peuplier tremble, le châtaignier, l'orme,le chêne.

Avec une proposition de classification suivante : les résineux et les caducs, avec une progression dans les densités pour chaque catégorie :

-résineux :

Sapin blanc du Nord : résineux dont le bois de cœur et l’aubier ne sont pas distincts ; bois blanc mat se colorant très légèrement en rougeâtre vers le cœur ; aucun canal résinifère n’est visible sur une coupe transversale ; bois généralement tendre et relativement homogène;
Pin maritime : bois de cœur et d’aubier très distincts ; bois de cœur de couleur plus foncée et plus brune que celle du pin sylvestre ; bois d’espèce plus grasse ; aux odeurs plus prononcées et aux canaux résinifères très nombreux et visibles à l’œil nu (situés principalement en bordure du bois de printemps) ; les nœuds sont en général moyens ou assez gros et nettement plus foncés que le bois normal ; le bois d’été est délimité d’une manière franche par rapport au bois de printemps;
Pin sylvestre : bois de cœur et d’aubier très distincts ; bois de cœur d’une couleur rougeâtre marquée ; odeur prononcée de résine ; nombreux canaux résinifères ; ses nœuds sont en général assez petits et leur couleur est à peine plus foncée que le bois normal
Douglas : essence résineuse résistante aux insectes et aux champignons, même en milieu agressif (montagne, bord de mer…). L'aubier et le bois parfait sont bien distincts, l'aubier clair n'a pas les qualités de durabilité du duramen. La coloration allant de rosâtre à brun en fait un bois facile à reconnaître. Il est plus dur et plus dense que les autres essences de résineux. Les principales régions de production sont le Massif Central, les Alpes et le Jura. Sur pied, il est reconnaissable à ses aiguilles bleutées et aux poches de résines apparentes au niveau de l'écorce.

-caducs :

Chêne : bois de cœur et aubier distincts ; bois de cœur lourds, de couleur brun jaunâtre avec une odeur caractéristique de tanin ; aubier plus clair, peu résistant aux attaques des insectes et champignons ; rayons médullaires très marqués et très visibles sur les coupes en bout où ils se distinguent souvent mieux que les accroissements
Châtaignier : comparable en beaucoup de points au chêne, il est caractérisé par l’absence d'aubier, de rayons médullaires et de maillures visibles ; analogue au chêne au point de vue mécanique et d’excellente conservation ; coloration plus rouge que celle du chêne

Les arbres au feuillage caduc doivent être abattus en hiver pour être hors-sève. Les résineux peuvent être coupés toute l'année. Lorsque les branches de l'arbre sont coupées, on obtient une grume nette, de la taille de l'arbre. Cette opération s'appelle le façonnage. La grume est ensuite coupée dans sa longueur en différentes parties appelées billes.

Les billes sont ensuite débitées dans une scierie. En fonction du diamètre de la bille et de la qualité de son bois, le bois sera utilisé soit pour la charpenterie, soit pour la menuiserie, soit pour l'ébénisterie. La bille de pied est la partie de la grume allant du pied de l'arbre jusqu'aux premières branches.

Constitution

Charpente de toiture

La charpente de toiture est constituée de différentes pièces en bois ou en acier :

la ferme constitue l'élément essentiel d'un comble d'une toiture. C'est elle qui transmet le poids général de la couverture aux porteurs verticaux (murs, poteaux…). Elle peut reposer sur des poteaux, sur les murs porteurs, parfois sur la panne sablière ;

les pannes sont les éléments de liaison entre les fermes. Il existe 3 types de pannes : la sablière, posée sur les murs ; les pannes ventrières positionnées en milieu de pan de toit et la panne faîtière, en haut de toit appelé le faîtage. C'est par elles que transitent les charges des chevrons vers les fermes. L'entraxe de panne dépend du type de conception de l'ouvrage, des charges de toiture et de la section de bois (ainsi que l'essence de celui-ci) ;

un chevron répartit le poids de la toiture sur les pannes. Il est disposé dans le sens de la pente avec un entraxe (distance d'axe en axe) de 50 à 60 cm maximum, suivant le type de couverture. Les sections classiques sont de 11 × 8 cm, 7, × 6,3 cm et 5 × 4,5 cm (hauteur × largeur) ;

les liteaux sont posés sur les chevrons pour recevoir le ou les matériaux de couverture (Exemple: couverture en ardoises non clouées sur volige, mais retenues par des crochets métalliques ou tuiles).

Les combles sont protégés des déformations dues à diverses contraintes, permanentes ou occasionnelles, par diverses pièces de «contreventement». Ainsi, la ferme peut être plus ou moins rigidifiée par diverses pièces de triangulation appelées en termes de charpentes de bois des « aiguilles » : par exemple des « poinçons », « contrefiches », « jambes de force », « blochets », etc. Dans le sens longitudinal, les fermes sont contreventées par diverses pièces qui les relient entre elles obliquement ou qui les relient aux pannes, ou relient encore les pannes entre elles. La précision des assemblages joue un rôle déterminant dans la charpente.

Ceci est le cas en France de la charpente en bois contemporaine à tendance traditionnelle. Historiquement, les charpentes de bois étaient constituées dans certaines régions de « chevrons formant ferme », autrement dit de petites fermes constituées à chaque paire de chevrons, ne demandant pas des pièces de section trop importante. Dans ce cas, les paires de ces « chevrons-arbalétriers » peuvent être plus espacées. Cette disposition, qui a pratiquement cessé en France à la fin du Moyen Âge, a perduré jusqu'au XX^e siècle en Europe Centrale, et aboutit à la charpente contemporaine de « fermettes », constituée sur le même principe, mais avec des pièces de plus faible épaisseur et des assemblages industriels.

Une charpente est, la plupart du temps, conçue suivant les méthodes de l'entreprise, soit par méthode traditionnelle (épure), soit par CAO. Le dessin de la charpente généralement réalisé au ¹⁄₁₀^e, ou en taille réelle, est appelé épure. Il permet de retrouver les assemblages nécessaires ainsi que les cotes et les angles des pièces à réaliser.

Autres types de charpente

Charpente médiévale d'une maison du XIV^e siècle qui faisait autrefois face au flanc sud du chœur de la cathédrale de Chartres, dessinée par Viollet-le-Duc

Il faut citer la charpente à pans de bois qui est une structure ponctuelle verticale, la charpente des planchers, ainsi que les murs massifs constitués soit de pièces d'empilage, soit (dans quelques pays nordiques) de pièces verticales juxtaposées. En Europe centrale, il existe des planchers massifs de bois, faits de pièces horizontales juxtaposées.

Les manières de construire diffèrent souvent d'un pays à l'autre, parfois d'une région à l'autre. De nombreuses cultures ont joué des formes et des couleurs permises par l'agencement des bois de charpente, murs et planchers.

En France, la terminologie peut différer d'une région à l'autre, ce qui compromet la validité de certaines entrées de dictionnaire, lesquelles gardent toujours une valeur de référence.

Les Compagnons du Tour de France ont consacré plusieurs volumes de leur Encyclopédie des Métiers à la charpenterie, ce qui constitue une source exceptionnelle, mais elle témoigne de la difficulté de désigner un terme « français » de charpente, lorsqu'il en existe tant (comparer le vocabulaire et les articles de cet ouvrage). Plus ancien, le Dictionnaire pratique de menuiserie, ébénisterie, charpente de J. Justin Storck, édité par feuillets jusqu'au début du XX^e siècle et aujourd'hui réédité, donne aussi des indications précieuses sur les méthodes traditionnelles et fournit un point de vue sur la terminologie.

Hors des ouvrages du bâtiment conçus pour être les plus durables, il faut citer ceux qui interviennent de manière provisoire, même s'ils persistent. La charpente de chantier comprend les cintres et coffrages, étaiements et échafaudages.

Pour sortir complètement du bâtiment, des ponts, barrages et autres ouvrages d'art peuvent être construits en bois. La charpenterie de marine, enfin, constitue une discipline distincte.

La charpente est, par définition, une ossature porteuse ponctuelle, par opposition à la structure linéaire que constitue un mur continu. Elle peut être en bois ou métallique, mais aussi en béton armé. Dans ce dernier cas, cela ne correspond pas à la définition d'une charpente, il est plus usuel de parler d'une chape (chapeau) en béton armé ».

Charpente métallique

La charpente métallique concurrence la charpente en bois dans presque tous les domaines. La construction d'ouvrages de grande portée est simple. La grande majorité des bâtiments industriels est réalisée avec des charpentes métalliques, notamment pour des questions de coût. Les charpentes métalliques résistent au feu moins longtemps que celles en bois car les caractéristiques mécaniques chutent brutalement en cas d'élévation de température alors que le bois inflammable et combustible perd sa solidité plus graduellement par perte d'épaisseur. Ceci peut imposer une protection au feu spécifique des charpentes métalliques suivant les usages, par un doublage incombustible (isolants, plaques de plâtre) ou par un revêtement intumescent.

Charpente à fermettes industrielles

Les fermettes peuvent être considérées comme des chevrons renforcés par triangulation. Elles sont fabriquées généralement avec des pièces de bois en 36 mm d'épaisseur (1'1/2) et assemblées à l'aide de connecteurs métalliques. Ce type de charpente consiste à transmettre les charges de toiture aux murs porteurs par l'intermédiaire de fermes disposées tous les 60 ou 90 cm environ. L'élancement: rapport entre la hauteur et l'épaisseur de la ferme étant très grand, cela impose de stabiliser les fermes par un sous-système de barres perpendiculaire appelé contreventement et anti-flambage.

La pose d'une charpente industrialisée requiert très peu de temps. Les avantages de ce type de charpente sont le faible coût et un très bon rapport résistance/légèreté. Ces structures sont également utilisées en dehors de la toiture pour, par exemple les coffrages de béton, les échafaudages ainsi que des ouvrages provisoires de support de projets industriels. Les profils et formes sont presque infinis, ce qui permet d'obtenir des toits très variés.

Pour la construction d'habitation, les portées sont comprises entre 8 et 15 m. Des portées de 25 m peuvent être atteintes pour les bâtiments agricoles ou industriels en utilisant des sections de bois plus importantes, cela implique des techniques d’assemblage spécifiques.

Charpentes en lamellé-collé

Cette technique consiste à reconstituer des équarrissages à partir de lamelles de bois de faible section, collées entre elles.

Le domaine d'application comprend les :

bâtiments à usage public ;
bâtiments de grande portée ;
milieux agressifs (chimique, teinturier, stockage céréalier, piscines, etc.) ;
ponts.

Du fait d'une vitesse de combustion assez lente et constante (~2 cm/½h), les structures en bois lamellé-collé ont une grande résistance au feu. Enfin, il est à savoir que les arcs de ces charpentes sont élaborés par collage à contrefil et contre-cœur de pièces de bois, de façon à répartir le travail du lamellé-collé sur toute la pièce.

L'étude des forces sur une charpente

On peut définir plusieurs déformations pouvant apparaître sur une pièce d'une charpente: l'allongement/raccourcissement, le flambage, la flexion.

L'allongement/raccourcissement est dû au travail de la pièce en traction/compression. C'est-à-dire lorsque l'effort s'exerce dans l'axe de la pièce.

Lors de la compression d'une pièce longue (exemple: poteau, arbalétrier), la pièce peut fléchir. Apparaissent alors des efforts perpendiculaires à l'axe de la pièce qui amplifient le phénomène: c'est le flambage ou flambement.

La flexion est l'apparition d'une courbure (flèche) sur une pièce, due à un effort perpendiculaire à l'axe de la pièce. Exemple: le poids de la pièce sur des éléments horizontaux tels un solivage, une panne ou un chevron.

La torsion est la déformation d'une poutre due à un moment dont la direction est confondue avec l'axe de la pièce.

Formes d'assemblage de charpente

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Assemblages traditionnels

L'embrèvement

Le trait de Jupiter

Article détaillé : Assemblage à trait de Jupiter.

Queue d'aronde

Article détaillé : Queue d'aronde.

La queue d'aronde est ce que l'on appelle une clé en charpente. Quand une poutre prend appui sur une autre sur le même plan et la rencontre perpendiculairement, plutôt qu'utiliser une coupe « a mi-bois » (peu esthétique) on coupe l'extrémité de la poutre en y laissant un U légèrement évasé et sur la poutre porteuse (receveuse de la première), l'égal opposé. De cette façon il suffit d'emboiter la poutre par le dessus et aucune découpe n'est apparente.

Tenons-Mortaises

Entures

Mi-bois

Assemblages modernes

Connecteurs en plaques

Connecteurs type tiges

Boulons

Tirefonds

Pointes

Voir aussi

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Termes utilisés en charpente

Bibliographie

Eugène Viollet-le-Duc, Dictionnaire raisonné de l'architecture française du XI^e au XVI^e siècle - Tome 3, Charpente sur Wikisource
J. Justin Storck, Dictionnaire pratique de menuiserie, ébénisterie, charpente, 1900 Lire en ligne
Jean Bernard, Encyclopédie des métiers : la charpente, Librairie du compagnonnage, 1980
Jean Denfer, Architecture et constructions civiles - Charpentes en bois et menuiserie (lire en ligne)
Frédéric Épaud, De la charpente romane à la charpente gothique en Normandie, CRAHM, 2007 (ISBN 978-2-902685-39-4)
Frédéric Epaud et Vincent Bernard, « L’évolution des charpentes d’églises du Val d’Oise, du XI^e au XX^e siècle », Revue archéologique du Centre de la France [En ligne], Tome 47, 2008, mis en ligne le 18 mai 2009, consulté le 18 mai 2013. Lire en ligne
F.X. Brochard, Bois et charpente en bois – Le matériau et son utilisation, Collection de l’Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics, Éditions Eyrolles Paris, 1960
René Demotz, Charpentier d'aujourd'hui - Éditions H. Vial - 1969/2001