La charpente traditionnelle, âme des constructions françaises depuis des siècles, représente un art précis nécessitant une expertise particulière. Le métier de charpentier, l'un des plus anciens dans le domaine de la construction, implique la conception, la fabrication et la pose d'assemblages essentiels à la constitution de l'immeuble, principalement la charpente et l'ossature générale. Au Moyen Âge, particulièrement à partir du 12e siècle, le charpentier devient un professionnel aux compétences reconnues avec un savoir-faire technique très spécifique. L'apogée de l'art de la charpenterie se situe au XVe siècle, avec des assemblages simples mais bien proportionnés à la force des bois. Au fil des siècles, notamment pendant la Révolution industrielle au XIXe siècle, le métier a évolué avec l'introduction de nouveaux matériaux comme le fer et l'acier, donnant naissance aux "charpentiers en fer".
Comprendre les Éléments Structurels d'une Charpente
La charpente est un assemblage d’éléments structurels qui constituent le squelette d’une toiture. Il s’agit d’une ossature porteuse et de contreventement. Une bonne charpente garantit la stabilité et l’intégrité de la structure porteuse d’une toiture, pour de longues années. Les malfaçons ou non conformités techniques, mettant en péril la cohésion et la rigidité de la charpente, peuvent être fatales à un logement.
La Ferme : L'Élément Porteur Principal
La ferme est l'élément porteur principal d'une charpente traditionnelle. De forme triangulaire, elle supporte le poids de la couverture et le transmet aux murs porteurs. Les fermes d'une charpente se succèdent environ tous les 3 à 5 m, et supportent les pannes qui elles-mêmes soutiennent les chevrons, qui reçoivent à leur tour la couverture (tuiles ou ardoises entre autres). Les fermes sont reliées entre elles par des pièces appelées pannes, et sont placées de manière perpendiculaire aux murs gouttereaux.
La ferme est constituée 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 Composants Clés d'une Ferme
- Arbalétriers : L’arbalétrier fait partie des pièces composant la ferme d’une charpente. Deux arbalétriers forment, avec l’entrait, un triangle. L’arbalétrier est posé de manière oblique afin de supporter les pannes. L’arbalétrier est en compression.
- Entrait : L’entrait est l’élément horizontal de la ferme d’une charpente. Cette pièce, formant la base de la ferme, permet de réunir les arbalétriers, tout en empêchant leur écartement. Elle fonctionne donc en traction. Elle est posée aux extrémités, sur les murs gouttereaux.
- Poinçon : Le poinçon est l’élément vertical de la ferme d’une charpente. Cette pièce, verticale et centrale, relie les arbalétriers et l’entrait. Elle permet la suspension du centre de l’entrait, au niveau du faîtage. Son rôle est de contribuer à la rigidité de la ferme.
- Contrefiches : Les contrefiches font également partie des pièces qui composent la ferme d’une charpente. Ces pièces, obliques, relient les arbalétriers au poinçon.
Les Pannes : Relier les Fermes
La panne est un élément de la charpente placé horizontalement sur les fermes. Son rôle est de supporter les chevrons et le système de couverture. Elle permet également de relier les fermes et/ou les pignons. La panne est nommée différemment selon sa position dans la charpente :
- La panne faîtière, est placée tout en haut de la charpente, au faîtage du toit.
- La panne sablière, située en bas de la charpente, au dessus du mur gouttereau.
- Les pannes intermédiaires - ou courantes - prennent appui sur les arbalétriers et sur les murs pignons. Leur nombre varie selon le type de ferme et la taille du bâtiment.
Autres Éléments Structurels
- Chevrons : Le chevron est un élément en bois, qui repose sur les pannes. On le place selon le sens de la pente de la toiture. Son rôle est de supporter les voliges ou les liteaux.
- Liteaux : Les liteaux sont des pièces de bois rectangulaires (15-30 mm d'épaisseur, 30-40 mm de largeur) fixées perpendiculairement aux chevrons.
- Contreventements : Les contreventements sont l’ensemble des éléments reliant les fermettes les unes aux autres, pour les empêcher de basculer à cause du vent (notamment). Le contreventement longitudinal est assuré par des liens placés entre les fermes dans le plan des poinçons.
- Entretoises : Le rôle de l’entretoise est de maintenir l’angle de pose et de garder le même écartement entre deux éléments.
- Lien de faîtage : Un lien de faîtage est un élément de charpente reliant le faîtage (ligne haute horizontale qui recouvre la toiture) au poinçon. Il permet de limiter les déformations du faîtage. Il est également utile en tant que contreventement.
- Noues : La noue est un élément de charpente oblique, supportant l’intersection de deux versants formant un angle rentrant, et l’ouvrage de couverture assurant l’étanchéité de cette ligne.
- Croupes : La croupe est un versant du toit, qui a la forme d’un triangle. Il se situe entre deux arêtiers.
- Arêtiers : L’arêtier est un élément de charpente qui constitue l’arête de la croupe d’une toiture.
- Lucarne : Une lucarne est un élément de la charpente. C’est une surélévation locale de la toiture, qui permet de mettre en place une fenêtre.
Les Différents Types de Fermes
Il existe plusieurs types de fermes caractérisées par leur triangulation. Les critères intervenant dans le choix sont les suivants : aménagement des combles, portées de la charpente, débords de toiture, pentes de toit, poids de la couverture et poids des plafonds.
La Ferme Latine
Comme son nom l’indique, la ferme latine a été inventée par les Romains. Elle est formée de triangles qui ont pour but d’éviter les moments de flexion. Le système le plus simple est constitué d’arbalétriers et de contrefiches massives, d’un entrait pouvant être moulé et d’un poinçon souvent de section carrée pour recevoir les contre-fiches dans une direction et les liens de contreventement dans une direction perpendiculaire. La ferme constituée d’un poinçon avec contre-fiche ne permet guère de dépasser 8 m de portée. On peut augmenter la portée en renforçant le réseau secondaire par l’ajout de montants et de diagonales moussées qui soulagent l’entrait.
La Ferme à Entrait Retroussé
Ce type de ferme s’utilise pour les combles habitables. L’entrait est retroussé à la hauteur des volumes que l’on souhaite utiliser. Elle comporte des jambes de force destinées à soulager la partie inférieure des arbalétriers. Elle peut également comporter des liens en partie supérieure, situés au droit des pannes. La portée des fermes à entrait retroussé se situe entre 10 et 12 mètres. Attention : La réaction en pied de la jambe de force est variable selon l’inclinaison. Elle peut entraîner des poussées horizontales. Le maintien des pieds d’arbalétriers doit alors être assuré par un tirant en acier placé au niveau du plancher.
La Ferme sur Blochet
Les fermes sur blochet s’apparentent aux fermes à entrait retroussé, à la différence que le pied de l’arbalétrier ne transmet pas de poussée aux murs. Il s’agit d’une ferme à deux articulations qui fonctionne à la manière d’une ferme sur poteau, dont la flexion de l’arbalétrier est reprise par les blochets. La portée de ce type de ferme ne dépasse généralement pas 12 m. On notera que le pied de l’arbalétrier peut ne pas être en appui sur le mur.
La Ferme de la Palladio
L’appellation de cette ferme provient du nom de l’architecte italien Andrea di Pietro, dit Palladio (1508-1580). C’est une ferme qui ne prend pas appui sur un plancher et qui est utilisable pour un comble. L’entrait fait office d’élément porteur du plancher. Les suspentes latérales servent à soulager l’entrait afin qu’il ne se déforme pas sous son poids propre et à reprendre les contrefiches qui soulagent les arbalétriers. La portée peut atteindre entre 16 et 18 mètres.
La Ferme à la Mansart
C’est à François Mansart (1598-1666), architecte, que l’on a à tort attribué cette ferme. Elle a été utilisée par Pierre Lescot (1515-1575) au Louvre. Elle offre un maximum de volume pour la réalisation d’un comble habitable. Elle fonctionne à la manière d’un portique. La principale difficulté consiste à assurer la stabilité des fermes dans leurs plans sans réduire le dégagement intérieur. Une première solution consiste à utiliser des contre-fiches qui reçoivent en outre la réaction d’appui des arbalétriers. Cette solution nécessite de fortes sections et les différentes pièces sont placées dans un même plan. Les portées courantes ne dépassent pas 8 m. Une autre solution consiste à utiliser une ferme triangulée et des poteaux moisés. La stabilité est assurée dans le plan des entraits par un contreventement qui reporte les efforts au droit des pignons. La portée peut alors atteindre 12 m.
La charpente (introduction) - NLAB#26
La Fabrication et la Mise en Œuvre d'une Charpente Traditionnelle
La concrétisation d’une charpente traditionnelle passe par deux phases essentielles : sa fabrication minutieuse en atelier et son levage précis sur le chantier. Pour réaliser une charpente de qualité, l’outillage spécifique du charpentier est indispensable. Parmi les outils traditionnels, on trouve le cordeau à tracer, équipé d’un réservoir de poudre, qui permet d’imprimer des lignes droites précises sur de grandes pièces de bois. L’art du trait de charpente, développé depuis le XIIIe siècle, représente un savoir-faire unique permettant de maîtriser la conception tridimensionnelle d’un édifice complexe.
Préparation et Traçage
La préparation minutieuse constitue le fondement de toute charpente traditionnelle réussie. La conception d’un plan de charpente représente l’étape préliminaire indispensable à sa réalisation. Généralement, les plans de charpente sont réalisés à une échelle de 1/20, permettant ensuite de créer facilement l’épure (dessin à échelle réelle 1/1). Les marques d’épure ou de plan servent de langage technique entre concepteur et charpentier. Le piquage, opération délicate, consiste à déterminer par des piqûres l'emplacement des assemblages sur les faces des bois.
Assemblages et Fixations
L’assemblage des pièces de bois constitue l’essence même de l’art du charpentier. Le tenon-mortaise représente la technique d’assemblage fondamentale en charpenterie traditionnelle. Dans ce système, la partie mâle (tenon) s'insère dans la partie femelle (mortaise), créant ainsi une jonction extrêmement résistante. Pour une charpente, la largeur du tenon est généralement fixée à 2,8 cm pour une profondeur de mortaise de 7 cm. L’embrèvement est une technique proche du tenon-mortaise mais renforcée pour supporter de plus grandes sollicitations. Dans un embrèvement standard, la largeur de l'entaille représente environ un tiers de la largeur totale de la pièce. Les moises sont des pièces de bois jumelles qui enserrent d'autres éléments comme une mâchoire. Cette technique, appelée moisement, permet notamment de lier l'arbalétrier entre deux entraits. Les sabots, quant à eux, sont des éléments métalliques facilitant la fixation des solives, pannes et poutres. Les chevilles en bois d'acacia ou de chêne (diamètre 16-18 mm) s'insèrent dans des trous percés à la tarière. Les boulons (12,7 à 25,4 mm de diamètre) traversent entièrement les pièces à assembler. Ils sont fixés avec des écrous et des rondelles pour répartir la force de serrage.
Levage et Pose
Une équipe de levage comprend généralement 3 à 4 personnes : un chef d'équipe qui coordonne les opérations, des levageurs et parfois un grutier. Premièrement, vérifiez les supports de structure avant le levage. Ensuite, privilégiez le travail au sol pour limiter les interventions en hauteur. La fixation sur maçonnerie constitue un point critique pour la stabilité de l'ensemble. Sur un support plein (pierre ou béton), utilisez des goujons d'ancrage de 8 à 12 mm de diamètre. Lorsque la fixation s'effectue sur du bois, le clouage reste la solution la plus adaptée.
Choix des Matériaux et Durabilité
La charpente traditionnelle est constituée principalement d’éléments en bois massif et assemblée soit par profils complémentaires (embrèvements, tenons-mortaises, enfourchements…) soit par moisement et tiges métalliques (pointes, boulons) ou organes spéciaux (crampons, anneaux). Les essences de bois utilisées varient considérablement selon les régions et les époques. Pour les résineux, on trouve le sapin, l'épicéa, le mélèze, le pin et le Douglas; pour les feuillus caduques, le peuplier tremble, le châtaignier, l'orme et le chêne.
Essences de Bois Courantes
- Bois résineux : (épicéa, sapin, pin, douglas) sont économiques et idéaux pour réaliser des pièces de grande envergure grâce à leur fil long et droit.
- Bois feuillus : (chêne, châtaignier, hêtre) offrent une robustesse et une durabilité supérieures.
Les fermes et les pannes sont le plus souvent fabriquées à partir des résineux suivants : épicéa, sapin, douglas, pin maritime, pin sylvestre. Leur forte épaisseur n’oblige pas à utiliser des bois présentant de très grandes caractéristiques mécaniques sauf pour les très grandes portées.
Humidité et Risques Biologiques
Mis en œuvre dans une ambiance non chauffée, les bois doivent avoir un taux d’humidité voisin de 15% sans excéder 22%. Abritées et ventilées, les fermes ne présentent pas d’autres risques biologiques que ceux qui sont liés aux insectes. Les bois doivent présenter une durabilité naturelle ou conférée correspondant à la classe de risque 2. Par contre, les bois noyés en maçonnerie et destinés à recevoir les fixations de fermes sont beaucoup plus sujets à dégradation.
Les Charpentes Industrialisées (Fermettes)
La charpente d’une maison moderne est souvent composée d’éléments triangulés, que l’on appelle fermettes industrielles. Elles proviennent d’un procédé américain des années 50, qui permet de construire des charpentes peu onéreuses, avec des bois de faible section. Ces fermettes rendent l’ensemble du bâtiment très solide, car elles sont reliées entre elles par des contreventements, des barres anti-flambement et des entretoises. Les fermettes constituent des éléments de charpente légère et capable de franchir des portées jusqu’à 20 mètres. Grâce à ces qualités, elles permettent d’utiliser des parois intérieures non porteuses et offrent une grande flexibilité dans la conception des espaces intérieurs.
Caractéristiques des Fermettes
Les fermes industrialisées encore appelées fermettes sont constituées par des éléments triangulés en bois de faibles sections (épaisseurs minimum 36 mm jusqu’à 15 m et 46 mm au-delà). Les assemblages sont réalisés par des goussets en contre-plaqué (CTB.X) ou plus généralement par des connecteurs en acier galvanisé. Par leurs principes constructifs, elles s’inscrivent dans une logique de fabrication industrielle. Elles sont espacées généralement de 60 cm. L’écart peut être porté jusqu’à 1,20 m. Elles reçoivent directement le support de couverture ou la couverture économisant de ce fait les pannes et chevrons.
Prédimensionnement et Vérifications
En plus des charges propres de la toiture (éventuellement du plafond et du plancher des combles), des surcharges climatiques et des caractéristiques mécaniques des bois de construction utilisés, des vérifications sont nécessaires. Conformément à l'Eurocode 5, la vérification du dimensionnement doit satisfaire deux exigences principales : la sécurité structurale (États Limites Ultimes) et l'aptitude au service (États Limites de Service).