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Digeste de la construction au Canada, 1963-04
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Résistance des petites toitures
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 18F
Résistance des petites toitures
Publié à l'origine en avril 1963 W. R. Schriever et H. J. Thorburn
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.
Les toits doivent répondre à un grand nombre de fonctions différentes comme l'écoulement des précipitations atmosphériques, la limitation du passage de la chaleur et de la vapeur et la résistance aux charges. Les principales charges auxquelles ils doivent résister sont la neige, le vent et les charges permanentes. Il faut parfois tenir compte également des charges de pluie et de tremblements de terre et des charges fortuites telles que celles qui sont provoquées par des ouvriers ou par du matériel de construction. En général les codes du bâtiment et autres normes spécifient les valeurs de calcul que l'architecte est obligé d'employer pour tenir compte de ces charges. Cependant il est important de comprendre quelques-uns des principes de base auxquels on a recours pour fixer les charges de calcul employées dans les codes du bâtiment de façon à mieux comprendre le problème de la résistance des toits.
Charges de neige
Comme pour la plupart des toits au Canada la charge de neige est la charge la plus lourde à soutenir, les valeurs de calcul employées sont très importantes en ce qui concerne la solidité et l'économie. Les différences climatologiques qu'on trouve dans les diverses régions du Canada se retrouvent dans les valeurs employées pour calculer les charges de neige, telles que celles indiquées dans le Code National du Bâtiment du Canada, lesquelles varient de 30 à 60 livres par pied carré dans les régions très peuplées. Des valeurs de charges encore plus élevées sont nécessaires dans certaines régions. Par exemple, des charges de neige dans le Nord du Québec atteignent 90 livres par pied carré et des charges allant jusqu'à 100 et 200 livres par pied carré sont prises en considération dans les régions montagneuses de la Colombie-Britannique.
Autrefois les charges de neige calculées étaient généralement fondées sur les épaisseurs de neige au sol mesurées dans les stations météorologiques et on les appliquait aux toits comme des charges uniformément réparties. Les épaisseurs de la neige sur les toitures, cependant, diffèrent fréquemment de celles que l'on trouve sur le sol par suite du vent, de la perte de chaleur par la toiture et de la radiation solaire. Généralement, ces facteurs provoquent une réduction de la charge moyenne. Certaines toitures cependant, comme les toitures des porches et les auvents, reçoivent parfois des charges plus élevées que les charges moyennes.
Pour mieux savoir ce qu'il en est une enquête nationale concernant les charges de neige sur les toitures est actuellement effectuée par la Division des Recherches en Construction. Cette enquête permettra de faire des comparaisons entre les charges moyennes au sol et les charges enregistrées sur différents types de toitures allant des toits résidentiels ordinaires aux larges toits plats ou bombés des bâtiments industriels. Sur la base des résultats préliminaires tirés des observations déjà faites, des améliorations ont été apportées à l'édition 1960 du Code National du Bâtiment du Canada. Une petite réduction de la valeur de la charge au sol a été considérée comme justifiée pour les toitures. Par contre, une clause prévoit une augmentation de 50% pour les parties des toitures où la neige risque de s'amonceler. On a également pris en considération la possibilité que la neige glisse d'un toit à un autre et que des charges non symétriques s'établissent sur des toits bombés ou pointus.
Charges de vent
Le vent peut exercer de grandes forces sur les toitures. Les plus grandes forces sont dues à des aspirations plutôt qu'à des pressions. Sur les pentes raides placées face au vent il se forme des pressions mais sur la plupart des pentes placées autrement, comme les pentes parallèles au vent, les pentes sous le vent et les toitures plates ou légèrement inclinées, ce sont des aspirations qui ont lieu. Les maximums d'aspiration ont lieu là où la turbulence est la plus forte comme aux bordures supérieures des toits et près des coins où les couvertures des toits peuvent être arrachées si elles sont mal fixées. Cependant les forces de vent moyennes sur les petites toitures ne sont généralement pas critiques de telle sorte que dans de nombreux cas on les néglige dans les calculs.
Résistance des charpentes
Le calcul des charpentes est essentiellement un problème statistique. Ni la résistance d'une charpente ni la charge maximum à laquelle elle sera assujétie ne peuvent être prévues avec certitude. Une petite probabilité de cassure existe dans toutes les charpentes et c'est pourquoi il n'est pas possible d'obtenir une sûreté absolue. Tout ce que les codes peuvent faire est de fixer la valeur des résistances et des charges de calcul de telle façon que la probabilité des cassures sera réduite à un minimum acceptable. Il est évident que l'importance de la charge calculée a une très grande influence sur la réserve de résistance prévue dans les charpentes. La deuxième "variable" statistique est la résistance calculée, c'est-à-dire la capacité qu'auront les charpentes de soutenir des charges; cette question est envisagée ci-dessous pour les petits toits.
Résistance des toits
Quoiqu'il soit possible, en théorie, de concevoir des toits qui puissent se "débarrasser" des charges, cela n'est pratiquement pas réalisable et les toit, doivent, par conséquent, être construits de façon à pouvoir résister aux charges. Cette résistance peut être le résultat de plusieurs actions différentes. Dans certains cas un toit construit avec des éléments divers peut se comporter comme une unité complète et solide capable de contribuer de façon importante à la résistance. Dans la plupart des cas, cependant, particulièrement celui des petits toits de bois, la plus grande partie de la résistance est fournie par des éléments qui agissent indépendamment.
Considérons tout d'abord ce qui se passe quand le toit forme un tout solide ce qui dépend surtout de sa forme et dans une certaine mesure de ses dimensions. Par exemple un toit à quatre pans est susceptible d'être plus solide qu'un toit plat ou incliné. La solidité d'un toit qui forme un tout dépend beaucoup des détails de la construction. Si les éléments qui constituent la charpente sont assemblés de façon lâche, il est possible que les avantages de la construction en "carcasse" n'apparaissent que lorsque des éléments commencent à céder. En d'autres termes, il faut que tous les éléments soient bien assemblés pour que le toit forme un tout solide. Les toits de bois cloués ne constituent pas un tout très solide. La plus grande partie de la résistance aux charges de ces toits provient par conséquent de l'action individuelle de chacun des éléments.
Les éléments les plus importants d'une toiture sont les charpentes dont il existe aujourd'hui quatre types: les charpentes classiques faîtes de chevrons et de solives, les fermes de bois légères, l'étayement du faite et les solives des toits plats. Pour les toits inclinés le système classique des chevrons et des solives consistant en un simple triangle (Figure 1) est le système le plus utilisé. Les variantes de ce type de toiture comprennent la charpente simple munie d'une poutre transversale d'entretoises en diagonale ou de petits murs. Lorsque les portées sont grandes, ce type de charpente est soutenu en trois points, le troisième étant le raccord de solive. Ces charpentes sont soumises à une action de ferme qui est très apparente dans la charpente simple, Cette action implique une poussée produite aux talons par les chevrons chargés qui doit être retenue par les solives de plafonds. Les joints les plus importants sont par conséquent les joints de talons et les raccords des solives de plafonds. La résistance des chevrons à la flexion constitue également une partie importante de la résistance de la charpente. Les membrures secondaires (des variantes de la charpente simple) sont employées comme supports intermédiaires pour réduire les portées qui déterminent les dimensions voulues des chevrons. Elles ont également un effet variable mais important sur la poussée exercée. Les dimensions des éléments de ces charpentes sont généralement fondées sur la charge calculée, sur la portée des chevrons, sur l'espacement des cadres et sur le type et la qualité du bois utilisé. Dans de nombreux codes du bâtiment ces facteurs sont inclus dans un tableau qui permet de déterminer rapidement les dimensions que doivent avoir les éléments.
Figure 1. Charpentes courantes pour lès toits
S'il est possible de rationaliser de la sorte la détermination des dimensions des éléments, il n'en va pas de même pour le cloutage des éléments entre eux. Généralement le cloutage est effectué selon la pratique habituelle du menuisier quoique certains modes de cloutage spécifient pour chaque type de joint la dimension et le nombre des clous à employer. A l'heure actuelle aucune de ces méthodes n'est entièrement rationnelle. Par exemple un menuisier peut, selon sa coutume ou selon un mode de cloutage, utiliser trois clous (enfoncés perpendiculairement et traversant le chevron et la solive au lieu d'être enfoncés obliquement) au joint du talon quels que soient la charge calculée, la portée et la pente du cadre, l'espacement des cadres et l'espèce du bois. Quand on procède ainsi on ne tient pas compte du fait évident qu'il y a une augmentation de poussée lorsqu'il y a une augmentation de la charge calculée, de la portée et de l'espacement accompagnée d'une diminution de la pente (Figure 2). Le cloutage aux joints doit, par conséquent, varier selon ces facteurs. Quelques codes du bâtiment tiennent compte de ce fait: les modes de cloutage qu'on y recommande sont adaptés à ces variables.
Figure 2. Variation de la poussée horizontale pour une charpente simple ayant diverses portées soumises à une charge de 50 livres par pied carré
Plusieurs autres points méritent d'être considérés. Dans les variantes de la charpente simple le cloutage des membrures secondaires devrait suffire à empêcher les glissements aux joints. Un autre point à considérer est que les poutres transversales et les entretoises en diagonale ont tendance, sous de lourdes charges, à être faussées parce qu'elles sont en compression et qu'elles ne sont pas soutenues dans leur direction la plus faible. On peut empêcher cela, soit en fournissant un support latéral à la membrure, soit en employant une membrure d'une dimension telle que la charge critique ne sera pas dépassée.
Fermes
Un autre type de charpente de toit qui s'est développé considérablement au cours des récentes années est la ferme de bois de poids léger. Les fermes du type W ou du type "poinçon" ont trois avantages particuliers: elles donnent une liberté complète quant à l'emplacement des parois; elles permettent au constructeur de fermer l'ouvrage plus rapidement; elles se prêtent à la préfabrication.
La conception des fermes a évolué sur une base beaucoup plus rationnelle que celle des charpentes classiques de toiture. Dans certains cas les forces sont calculées par des méthodes d'engineering normales tandis que les membrures et les joints sont déterminés compte tenu des efforts et des charges acceptables. Dans d'autres cas on a recours à une mise à l'épreuve: la ferme est conçue en partie sur la base de calcul et elle est ensuite astreinte à des charges d'essais qui permettent de déterminer si son comportement est acceptable. Il existe de nombreux plans standards concernant un grand nombre de combinaisons de portées et de pentes*. Les constructeurs emploient fréquemment ces plans plutôt que de concevoir des plans
à eux. Les méthodes employées pour construire les fermes sont assez variées et elles dépendent dans une large mesure de la quantité voulue. Pour en construire un petit nombre il suffit d'un simple gabarit déposé sur une surface appropriée tandis que pour les grands nombres on a recours à un découpage et un assemblage en série. L'assemblage est effectué au moyen de joints à goussets ou de raccords mécaniques tels que bagues fendues et dispositifs dentelés. Lorsque les fermes ont commencé à être très employées les goussets d'assemblage étaient en contreplaqué, soit cloué, soit cloué et collé aux membrures. Actuellement on a
tendance à employer des goussets métalliques, particulièrement lorsque les fermes sont fabriquées en série.
Charpentes sans poussée
Aussi bien les charpentes de toit classiques que les fermes de bois ont des limitations qui justifient en partie l'emploi de la troisième méthode courante de charpentes de toiture, à savoir le système de support du faîtage. Lorsque des pentes de toits sont inférieures à 4 pour 12 la poussée produite par les chevrons des charpentes classiques devient si grande qu'il n'est pas commode de placer le nombre de clous nécessaires pour lui résister. Même s'il y avait assez de clous les flexions pourraient être exagérées. De même pour les fermes à faibles pentes la résistance et la solidité exigées aux raccords est difficile à obtenir économiquement. Les goussets de contreplaqué cloués et collés sont une solution pour ce problème mais la nécessité d'un collage parfait et les difficultés d'inspection limitent leur application. C'est donc ici que le support du faîtage a sa raison d'être.
Le principe de base de ce type de charpente est l'élimination de la poussée au moyen d'un système de support le long du faîtage. Les chevrons du toit s'appuient à une extrémité sur le support et à l'autre ils s'appuient sur le mur extérieur, les surfaces d'appui étant horizontales. Ainsi les chevrons résistent à la charge par une simple action de poutre et aucune poussée n'est produite au talon. Le support du faîtage est généralement une poutre qui peut couvrir n'importe quelle distance et peut aller jusqu'à la longueur complète du toit selon les emplacements disponibles pour le support de la poutre. Une autre méthode consiste à prolonger un mur de soutien central jusqu'à la hauteur où les chevrons du toit peuvent s'appliquer directement sur la sablière de ce mur. Les dimensions des éléments nécessaires à la construction d'un support de faîtage peuvent être déterminées à partir des mêmes considérations que celles qui s'appliquent aux charpentes classiques. Comme il n'y a pas de poussée dans le système de support du faîtage le cloutage requis aux joints est plus léger. Il faut cependant bien arrimer le toit pour que le vent rie le soulève pas.
Le système des longerons des toitures plates peut être considéré comme une variante du système de support du faîtage et il est généralement conçu de la même façon.
Il y a d'autres méthodes moins fréquemment utilisées pour charpenter les petits toits, l'une d'elle étant la méthode du poteau et de la poutre. Comme cette expression le laisse entendre cette méthode consiste à placer des poteaux qui supportent des poutres qui à leur tour supportent les matériaux de la couverture. La différence essentielle de cette méthode par rapport aux autres systèmes de charpente de bois est que la dimension des membrures et par conséquent leur espacement et leur portée sont considérablement plus grandes. A rencontre des constructions précédemment décrites les systèmes de poteaux et de poutres sont basés dans une large mesure sur un calcul d'engineering plutôt que de relever des traditions.
Pour résumer on peut dire que la solidité exigée des petits toits dépend des charges auxquelles ils doivent résister et du degré de sûreté qu'on désire. L'obtention de la solidité ainsi définie dépend en grande partie de l'efficacité des éléments employés. Cette efficacité dépend elle-même non seulement de la résistance des membrures mais aussi de la résistance des raccords. Les toits des maisons font l'objet d'une enquête très active à la Division des Recherches en Construction. Cette enquête est effectuée en coopération avec la Division des Recherches sur les Produits Forestiers du Ministère des Forêts.
* Voir Par exemple le Bulletin des Constructeurs No 109 de janvier 1960 publié par la Société Centrale d'Hypothèques et de Logement.
