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Digeste de la construction au Canada, 1968-06
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Emploi du bois de construction
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 88F
Emploi du bois de construction
Publié à l'origine en juin 1968 H.B. Dickens
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Des Digestes précédents (CBD 85F, 86F) ont traité des relations entre les propriétés fondamentales du bois et son utilisation efficace comme matériau de construction. Les personnes qui ne sont pas des spécialistes des charpentes en bois, mais qui utilisent de temps en temps ce matériau pour des travaux de génie civil, tireront profit d'une plus grande familiarité avec les méthodes actuelles de calcul des charpentes et d'établissement des devis descriptifs. Ces méthodes, fondées sur les plus récents développements d'une technique du bois en continuelle évolution, se retrouvent dans les divers codes de la construction, normes et manuels de calcul des charpentes dont les titres sont donnés à la fin du présent Digeste.
L'un des plus importants textes de référence est celui de l'Association canadienne de normalisation: CSA 086 "Code of recommended practice for engineering design in timber"1 sur
lequel se base la section des bois de construction2 du Code national du bâtiment du Canada.
Ces publications ainsi que les ouvrages de référence publiés par les laboratoires des produits forestiers du ministère des Forêts et de l'Aménagement rural3 et par des organismes tels que
l'Institut canadien du bois d'oeuvre, le Conseil canadien du bois et la Plywood Manufacturers Association de Colombie-Britannique, fournissent les éléments complets du calcul des charpentes. Le présent Digeste a pour but d'étudier l'utilisation de ces éléments pour obtenir un excellent rendement du bois en construction.
Classification des sciages
L'établissement correct d'un devis descriptif nécessite l'emploi d'un vocabulaire normalisé. La norme CSA 0141, "Softwood Lumber"5 comble une lacune du vocabulaire anglais à ce sujet.
Cette publication traite des principales dimensions de sciages et de la classification des catégories marchandes de sciages de bois résineux utilisés dans la cour à bois, en charpente et dans le commerce, et donne les bases terminologiques d'un vocabulaire précis. La publication de cette norme a beaucoup fait pour encourager et promouvoir l'adoption de méthodes uniformes de classement, de mesurage et de description des sciages de bois résineaux (softwood) au Canada.
La norme CSA 0141 qualifie les bois de dénominations dépendant des diverses utilisations finales et aussi de la taille des différents sciages. Le maître d'oeuvre utilise principalement deux catégories différentes de bois, soit le bois de chantier (yard lumber) d'emploi général en construction, et le bois de charpente (structural lumber) utilisé là où les contraintes se produisent. Les sciages sont classés par dimensions en planches (boards; épaisseur inférieure à deux pouces; largeur 2 po. ou plus); bois avivés (dimension lumber; de 2 à 5 po. d'épaisseur; largeur 2 po. ou plus); et bois de charpente (timber; au moins 5 po. d'épaisseur). Le bois d'oeuvre utilisé pour la charpente peut être désigné selon ses diverses utilisations finales: bastings (joists) et madriers (planks); poutres (beams) et longrines (stringers), et poteaux (post) et bois de charpente (timber).
On établit habituellement un devis descriptif en désignant les bois de sciage par leur dimension coutumière, bien que les dimensions réelles du bois corroyé (dressed) peuvent avoir jusqu'à 0.5 po. de moins tant en largeur qu'en épaisseur. Les dimensions minimales des sciages corroyés correspondant aux sciages de dimensions coutumières ont été établies par la norme CSA 0141; ce sont celles qu'on doit utiliser pour tous les calculs d'architecture. La norme ci-dessus ne mentionne toutefois pas la teneur en humidité du bois au moment du corroyage. Cette lacune sera comblée si les révisions à l'étude tant au Canada qu'aux Etats-Unis sont menées à bien. Ces normes révisées établiront de nouvelles dimensions normalisées à une teneur en humidité de 19 pour cent lors du corroyage et mentionneront des tolérances de retrait pour le bois corroyé à d'autres teneurs en humidité.
Le classement du bois est difficile et complexe, mais il est indispensable pour qu'on puisse utiliser ce matériau avec sécurité et économie dans la construction. Les pièces de bois, telles quelles sortent individuellement du banc de sciage, se rangent dans un large éventail de qualités et d'aspects, basé sur la présence de noeuds, la pente du fil (slope of grain), les gerçures (shakes) et autres traits caractéristiques et par conséquent subissent de fortes variations de résistance, de possibilité d'utilisation et de valeur. L'existence d'une classification sert à définir les différents niveaux de qualités des bois et constitue le préliminaire indispensable à l'usage intelligent du matériau.
Les facteurs qui influent sur l'aspect du bois et sur sa résistance ainsi que ceux qui déterminent sa valeur pour un emploi précis contribuent au classement. Les normes fixent le minimum de qualité des sciages de chaque classe. La classification souffre de quelque variabilité, car elle est fondée sur une évaluation visuelle et l'opinion qui en découle. Les normes sont cependant établies pour que leur précision ne permette pas plus de 5 pour cent de variation dans le classement.
Estampillage des sciages (Grade marking)
Un événement important pour la classification des bois d'oeuvre au Canada6 est l'obligation du
estampillage du bois d'oeuvre utilisé pour les constructions visées par la Loi nationale de l'habitation. Cette obligation est en vigueur depuis 1962, à la suite de l'insertion dans le supplément no 5 du Code national du bâtiment (normes domiciliaires) d'un règlement exigeant
l'emploi de sciages estampillés selon leur catégorie. Actuellement, les principaux fabricants de sciages estampillent tout leurs bois avivés.
La classification est menée à bien par les organismes habilités, en conformité avec les règles de classement instituées par les grandes associations de l'industrie canadienne. La griffe (Grade mark) identifie l'espèce et la classe du bois, ainsi que le règlement de classement. La méthode d'estampillage est réglementée par la Commission de mise en application des normes canadiennes du bois d'oeuvre, qui est une division de l'Association canadienne de normalisation, chargée de maintenir des normes satisfaisantes d'estampillage du bois d'oeuvre au Canada. Cette commission surveille les organismes chargés d'effectuer le classement, endosse les règles de classement et accorde des permis d'agent classeur. La commission a également institué un service de vérification du classement des bois pour s'assurer de l'efficacité des agents classeurs et du maintien des normes par les organismes classeurs.
Le bois d'oeuvre répondant aux exigences de la norme CSA 0141 et classé selon les règles par les organismes mandatés par la Commission est désigné par les initiales CLS (Canadian Lumber Standards: Normes canadiennes du bois d'oeuvre). Ceci donne les bases nécessaires au choix du bois; l'utilisation conjointe du tableau des classes minimales de bois d'oeuvre destiné à des utilisations précises, qui est inclus dans les Normes domiciliaires 1965, aidera à l'utilisation sûre et économique du bois en construction.
Catégories de résistance mécanique
En vue de simplifier les méthodes de conception et pour faciliter ainsi l'utilisation du bois pour les charpentes, les espèces de bois indigènes au Canada ont été réparties en quatre catégories de résistance mécanique, de telle façon que les espèces possédant des résistances et des rigidités semblables sont rangés dans la même catégorie (voyez le tableau no 1). La première
catégorie, qui renferme les espèces les plus résistantes utilisées en génie civil, a été subdivisée pour permettre une plus grande précision dans l'utilisation de ces bois.
Tableau no 1. Catégories de résistance Mécanique Catégorie Espèces
I (a) Sapin de Douglas (dense)
(b) Sapin de Douglas, Mélèze occidental (c) Pruche de l'Ouest
II Cyprès jaune (Yellow Cedar)
Mélèze laricin (Tamarack) Pin gris
III Sapin gracieux et sapin grandissime Sapin baumier
Pruche de l'Est
Pin de Murray (Lodgepole P.) Pin à bois lourd (Ponderosa P.)
Epinettes (toutes espèces) IV Thuya géant (Western Red Cedar)
Pin rouge
Pin argenté et pin blanc Peuplier faux-tremble, peuplier à grandes dents, et peuplier baumier
Bois d'oeuvre classé pour la charpente
Il est important, lorsque l'on prévoit l'utilisation des sciages, de bien connaître la différence entre sciages classés pour la charpente et les autres. Les premiers sont destinés aux usages de génie civil, et en conséquence leur classification est plus rigoureuse que celle des autres bois de construction, car elle dépend de la présence de noeuds, de gerces, de fentes traversantes, de la pente du fil et d'autres défauts réduisant la résistance de la pièce. Les normes décrivant
cette classification sont données par la publication CSA 043 "Specifications for structural timber".7
Les facteurs qui affectent la résistance du bois d'oeuvre diffèrent selon le genre de contrainte considéré. Il est par conséquent important de préciser l'utilisation du bois de charpente aussi bien que son espèce et sa qualité. Toutes les pièces à section rectangulaire, telles que les bastings, madriers, solives et longrines, sont classées sur la base de leur résistance à la flexion. Les poteaux et les poutres, qui sont de section carrée ou presque, et qu'on utilise généralement comme piliers, sont classés suivant leur résistance à la compression. Si l'on utilise une pièce de bois d'oeuvre rectangulaire comme pilier, il est important de la classer selon les règles du classement des poteaux et poutres, en tenant compte de sa résistance à la compression plutôt que de sa résistance à la flexion.
Les contraintes unitaires admissibles
Les contraintes unitaires admissibles du bois de charpente sont déterminées par des essais multiples de petites éprouvettes sans défaut, en tenant compte des caractéristiques de variabilité des bois, selon leur espèce d'imposition de la charge, et de l'effet de facteurs tels que les noeuds et autres débuts diminuant la résistance de la pièce. Les principes fondamentaux du classement des bois de charpente ont été établis de telle façon qu'ils permettent l'évaluation de toute pièce de charpente en fonction de leur indice de résistance (strength ratio)8, qui est le rapport de la résistance d'une pièce de charpente donnée à celle de
la pièce de charpente témoin de la même espèce, dépourvue de défauts diminuant sa résistance. Par exemple, une pièce possédant un indice de résistance de 75 pour cent aurait 75 pour cent de la résistance de base de la pièce-témoin sans défaut. C'est sur cette base que l'on établit les contraintes admissibles des pièces de sciages pour charpentes.
Ces contraintes sont précisées pour les conditions habituelles d'emploi c'est-à-dire pour une durée normale d'application de la charge maximale calculée, dans une atmosphère relativement sèche. La plupart des codes exigent l'ajustement de ces contraintes pour tenir compte des différentes durées d'imposition de la charge et des différents taux d'humidité du bois. L'application d'une charge normale à la charpente ne lui fait supporter la charge maximale calculée que pendant de courtes périodes, comme il arrive généralement dans les immeubles pour rassemblements, les immeubles domiciliaires, les immeubles pour collectivités publiques, et les immeubles commerciaux. Quand la charge est d'application plus durable, comme dans le cas des entrepôts, les contraintes admissibles sont réduites de 10 pour cent; pour les surcharges de courte durée, telles que celles qui sont dues au vent, on accorde un accroissement de 33 pour cent des contraintes admissibles. On peut également augmenter les contraintes admissibles de 10 pour cent pour le calcul des ensembles à répartition des charges sur trois pièces parallèles (ou plus) séparées par moins de 24 pouces de centre à centre, et réunies de telle façon qu'elles supportent mutuellement la charge. Quand la teneur moyenne annuelle du bois en humidité ne dépasse pas 15 pour cent, comme c'est le cas dans la plupart des endroits abrités, on considère que le bois est à l'état sec. S'il ne se trouve pas dans cet état, on doit réduire en conséquence les contraintes admissibles.
Comme il n'est pas toujours possible de se procurer facilement du bois classé comme bois de charpente, le Code national du bâtiment et la norme CSA 086 comprennent des prescriptions permettant l'attribution d'un indice de contraintes admissibles à certaines catégories de bois d'oeuvre non classé comme bois de charpente. L'examen des défauts réduisant la résistance, tels que noeuds et pente du fil, est moins sévère pour les bois d'oeuvre non classés comme bois de charpente que pour ces derniers, et les contraintes admissibles sont réduites en conséquence. En outre, on peut n'attribuer d'indice de contraintes admissibles qu'à certaines classes de bois d'oeuvre, et on peut limiter l'utilisation de ces pièces de bois à des ensembles à répartition des charges. En ce qui concerne le bois d'oeuvre utilisé comme pilier, comme solive ou comme membrure travaillant en tension, on peut n'attribuer des indices de contraintes admissibles à du bois non classé comme bois de charpente qu'après avoir reclassé ces sciages, en tenant compte des limitations apportées par la pente de leur fil.
L'attribution d'indices de contraintes admissibles aux catégories de bois non destinées à la charpente est d'un intérêt particulier dans le domaine de la construction domiciliaire. Les diverses catégories de bois de charpente sont plutôt destinées aux bâtiments fortement chargés sur de grandes portées et il est rarement économique de les employer comme membrures dans les maisons d'habitation. En conséquence, le Laboratoire des produits forestiers, à Ottawa, a préparé une série de tableaux indiquant le rapport entre taille et portée de la pièce pour un large éventail de bois de chantier avivés destinés à l'emploi comme bastings et chevrons en construction9. Ces tableaux indiquent comme portée maximale la plus
petite des portées permises par les contraintes ou les flèches admissibles. Dans les classes inférieures, les portées sont généralement déterminées par les contraintes de flexion. Dans les classes supérieures, à partir d'un niveau différent selon les espèces, c'est l'importance du fléchissement qui détermine la longueur de la portée, et l'amélioration de la qualité n'autorise guère de plus fortes longueurs. Bien que l'apparence des bois de ces classes soit meilleure que celle des autres classes, ce sont des facteurs sans relation avec elle qui détermine la longueur maximale admissible de la portée. Les tableaux facilitent l'observance des normes domiciliaires et aident le maître d'oeuvre à choisir la qualité la plus économique pour une destination donnée.
Le maître d'oeuvre s'appuie aussi sur les normes pour l'emploi de fermes de toiture en construction domiciliaire. A la suite de l'achèvement d'un programme détaillé de recherches sur la résistance des toitures, mené conjointement par la DRB du CNRC et le Laboratoire des produits forestiers à Ottawa, les normes domiciliaires furent complétées par une série de critères de comportement des fermes de toiture, mis au point à la suite de ces travaux et acceptés par la Société centrale d'hypothèques et de logement. Les critères exigent que "les fermes en bois des toitures doivent être capables de supporter pendant 24 heures une charge égale au poids du plafond supérieur, plus les 8/3 de la charge prévue d'enneigement du toit. La charge totale ne doit toutefois pas être inférieure à 60 liv./pi.². Ces fermes ne doivent pas fléchir de plus de 1/360e de la longueur de la portée après une heure d'application du poids du
plafond, plus 4/3 de la charge d'enneigement prévue, la charge totale ne devant pas être inférieure à 30 liv./pi.²."
Ces critères permettent de déterminer, grâce à des essais, l'aptitude des fermes en bois à remplir leur office, et fournissent la base d'appréciation de la plupart des fermes en bois utilisées actuellement pour la construction domiciliaire au Canada. Ces fermes englobent les types fondés sur l'emploi de goussets d'assemblage formés de plaques de contreplaqué clouées pour une large gamme de pentes, de portées et de charges, tels qu'ils ont été mis au point conjointement par les Laboratoires des produits forestiers à Ottawa et la Division des recherches en bâtiment, et rendus accessibles par la série des Bulletins au constructeur (Builders' Bulletin) de la Société centrale d'hypothèques et de logement"10.
Le bois lamellé et collé
Les progrès concernant l'emploi du bois lamellé et collé en construction méritent une mention spéciale. Le maître d'oeuvre utilisant ces bois reconstitués dispose d'une norme complète sous la forme du CSA 0122 "Specifications for Glue Laminated Softwood Structural Timber"11
(Normes des bois de charpente résineux lamellés et collés). Cette norme énonce les exigences détaillées auxquelles doivent répondre les produits adhésifs, les divers types de lamellages et les autres caractéristiques permettant l'obtention d'un bon produit lors de sa fabrication. En outre, l'Association canadienne de normalisation (CSA) a institué une commission de mise en application semblable à celle qui s'occupe de la classification du bois d'oeuvre, pour donner suite à sa norme CSA 0177, "Qualification Code for Manufacturers of Structural Glue-Laminated Timber" (Normes minimales d'agrément des usines de bois de charpente lamellé et collé)12.
Cette norme a été élaborée tout d'abord par l'Institut Canadien de la construction en bois, et avait été appliquée comme norme par consentement mutuel des membres de cette association jusqu'à son adoption par l'Association canadienne de normalisation en 1965.
Cette norme d'agrément oblige les usines de lamellage à posséder un outillage et un personnel minimaux, et à employer des méthodes de contrôle de la fabrication et du produit fini. Un
vérificateur indépendant procède à une inspection initiale puis à d'autres inspections à des intervalles déterminés. Sous condition que le fabricant continue à répondre à la norme d'agrément, il pourra accorder une désignation convenable au produit final et délivrer un certificat attestant que ce produit est fabriqué en conformité avec les normes de matériau CSA 0122 et les normes de qualité CSA 0177. Le Code national du bâtiment exige maintenant que tous les fabricants de bois lamellé et collé soient agréés conformément à cette dernière norme.
Conclusion
Il est évident, d'après l'étude ci-dessus, que les progrès en technologie du bois ont largement facilité l'emploi de ce matériau en génie civil, en dépit de sa variabilité sous sa forme naturelle. Le classement actuel et les méthodes de classification permettent de préciser les propriétés du bois d'oeuvre dans certaines limites préétablies et donnent au maître d'oeuvre l'assurance qu'il obtiendra un matériau acceptable.
Cette large récapitulation de la normalisation des types et des méthodes de classification ne fait qu'entamer le sujet. Le lecteur qui désire de plus amples renseignements est prié de se reporter à la littérature technique mentionnée à la fin du présent Digeste. Outre les ouvrages indiqués, de nombreuses autres publications donnent dés renseignements, et sont réalisées par des organismes tels que le Conseil canadien du bois, l'Institut canadien de la construction en bois, et la Plywood Manufacturers Association de Colombie-Britannique.
La Division des recherches en bâtiment a également préparé plusieurs exposés traitant de l'utilisation du bois dans les divers types de constructions. Cet éventail de publications va des Bulletins du logement (Housing notes) traitant des méthodes ordinaires de charpente des murs, planchers et toitures, jusqu'à des études plus spécialisées sur les fermes, les éléments préfabriqués, les méthodes de fabrication en atelier et les panneaux à faces contraintes. Une liste de ces publications est envoyée sur demande. Au cours de toutes ses recherches concernant le bois, la Division maintient une liaison étroite avec le Laboratoire des produits forestiers du Ministère et de l'Aménagement rural, qui est l'organisme responsable pour l'accumulation des données sur les propriétés des bois canadiens, et pour l'adaptation de nombreux renseignements utilisés pour l'établissement des critères d'emploi du bois de construction.
Littérature technique
1. Code of Recommended Practice for Engineering Design in Timber. Association canadienne de normalisation, CSA 086, 1959. Ottawa, août 1959.
2. Le bois, section 4.3, chapitre 4. Conception. Code national du bâtiment au Canada 1965. (NRC 8305 C)
3. Canadian Woods; Their Properties and Uses. Canada, Laboratoires des produits forestiers, Ottawa, 1951.
4. Timber Construction; A Manual for Architects and Engineers. Institut canadien de la construction en bois, Ottawa, 1963.
5. Softwood Lumber. Association canadienne de normalisation CSA 0141. 1965. Ottawa, juillet 1965. 6. The Development of the Grade Marking of Lumber in Canada. Canada, Ministère des Forêts,
Publication no1134, Ottawa, septembre 1965.
7. Specification for Structural Timber. Association canadienne de normalisation, CSA 043 - 1953. Ottawa, mars 1953.
8. Methods for Establishing Structural Grades of Lumber (Tentative). American Society for Testing and Materials, ASTM D245-57T.
9. Span Tables for Wood Joist for Rafters for Housing. Canada, Ministère des Forêts, Publication no
1110, Ottawa, 1965.
10. Standard Nailed "W" Truss Designs with Plywood Gussets. Société centrale d'hypothèques et de logement, Bulletin au constructeur no177, 1ermars 1966.
11. Specification for Glued-Laminated Softwood Structural Timber. Association canadienne de normalisation, CSA 0122 - 1959, Ottawa, décembre 1959.
12. Qualification Code for Manufacturers of Structural Glued-Laminated Timber. Association canadienne de normalisation, CSA 0177 - 1965, Ottawa, janvier 1965.
