Charpentes en lamellé-collé : calcul et mise en œuvre

Les charpentes en lamellé-collé représentent une solution constructive de plus en plus prisée dans le domaine de la construction bois. Elles offrent une combinaison unique de résistance, de légèreté et de flexibilité architecturale, permettant de réaliser des ouvrages d'art audacieux et performants.

Que vous soyez architecte, ingénieur, charpentier ou simple particulier intéressé par la construction bois, ce guide vous fournira une information complète et accessible pour comprendre et maîtriser les charpentes en lamellé-collé.

Introduction au lamellé-collé

Le lamellé-collé (LC) est un matériau composite constitué de lamelles de bois assemblées par collage structural. Cette technique permet de créer des éléments de grande taille et de formes variées, tout en optimisant les propriétés mécaniques du bois. Découvrons l'histoire, le processus de fabrication et les différents types de lamellé-collé.

Qu'est-ce que le lamellé-collé (LC) ? définition et historique

L'histoire du lamellé-collé remonte au début du 20ème siècle, lorsque des ingénieurs ont cherché à développer des techniques permettant d'utiliser des petites pièces de bois pour créer des éléments de structure plus importants. L'évolution des colles et des techniques de fabrication a permis d'améliorer considérablement la résistance et la durabilité du matériau. Aujourd'hui, le LC est utilisé dans une grande variété de constructions, allant des bâtiments industriels aux ouvrages d'art. Le procédé de fabrication implique le sciage de lamelles de bois, leur séchage, leur rabotage, l'application de colle et l'assemblage sous pression. Cette méthode permet de contrôler précisément la qualité du matériau et d'adapter ses propriétés aux exigences spécifiques du projet.

Il existe différents types de LC, tels que le LC droit, le LC courbe et le LC à géométrie variable. On distingue également le LC de résineux, fabriqué à partir d'essences comme l'épicéa ou le pin, et le LC de feuillus, fabriqué à partir d'essences comme le chêne ou le hêtre. Enfin, le LC peut être apparent, c'est-à-dire laissé visible dans la construction, ou non apparent, lorsqu'il est recouvert d'un revêtement.

Avantages et inconvénients des charpentes en LC

Le choix du lamellé-collé pour une charpente présente de nombreux avantages, mais il convient également de prendre en compte ses inconvénients potentiels par rapport à d'autres matériaux. Examinons les aspects positifs et négatifs de ce matériau de construction bois LC .

• Résistance mécanique élevée : Le LC offre une résistance mécanique supérieure à celle du bois massif, tout en étant plus léger que l'acier ou le béton.
• Grandes portées : Le LC permet de réaliser des structures de grande portée sans points d'appuis intermédiaires, offrant ainsi une grande liberté architecturale.
• Flexibilité architecturale : Le LC peut être fabriqué dans des formes complexes, permettant de créer des designs originaux et esthétiques.
• Esthétique : Le bois apporte une touche chaleureuse et naturelle à la construction.
• Durabilité : Correctement traité, le LC peut avoir une durée de vie très longue.
• Performance environnementale : Le bois est un matériau renouvelable, et le bilan carbone du LC est généralement favorable par rapport à d'autres matériaux de construction.

Cependant, le LC présente également quelques inconvénients :

• Coût : Le coût initial du LC peut être plus élevé que celui du bois massif, de l'acier ou du béton, bien que cela soit souvent compensé par la réduction des coûts de fondation et de main-d'œuvre grâce à des portées plus importantes.
• Sensibilité à l'humidité : Le LC est sensible à l'humidité, et il est essentiel de le protéger adéquatement pour éviter la pourriture.
• Expertise : Le calcul et la mise en œuvre du LC nécessitent une expertise spécifique.

Applications typiques des charpentes en LC

Grâce à ses propriétés exceptionnelles, le lamellé-collé trouve des applications dans une grande variété de constructions. Découvrez quelques exemples concrets d'utilisation du lamellé-collé dans divers types de bâtiments.

• Bâtiments industriels et commerciaux (entrepôts, gymnases, centres commerciaux).
• Bâtiments publics (écoles, bibliothèques, centres culturels).
• Logements collectifs et individuels.
• Ponts et passerelles.
• Structures agricoles.

Calcul des charpentes en Lamellé-Collé

Le calcul des charpentes en lamellé-collé est une étape cruciale pour garantir la sécurité et la durabilité de la structure. Il est essentiel de respecter les normes et réglementations en vigueur, de prendre en compte les propriétés mécaniques du matériau et de modéliser avec précision les charges et les assemblages. Voyons les différents aspects du calcul des charpentes en LC .

Normes et réglementations applicables

Le calcul des structures en bois, y compris les charpentes en lamellé-collé , est régi par un ensemble de normes et réglementations. Les principales normes à considérer sont :

• Eurocode 5 (EN 1995-1-1) : C'est la norme européenne de référence pour le calcul des structures en bois.
• Normes spécifiques au LC (EN 14080, etc.) : Ces normes définissent les exigences de performance et les méthodes d'essai pour le lamellé-collé. La norme EN 14080 spécifie les exigences pour la fabrication et la classification des éléments en lamellé-collé.
• Règles de calcul nationales : Certains pays peuvent avoir des règles de calcul nationales complémentaires. Il est impératif de se renseigner sur les réglementations en vigueur dans votre zone géographique.

Propriétés mécaniques du Lamellé-Collé

Les propriétés mécaniques du lamellé-collé sont essentielles pour le dimensionnement des structures. Elles comprennent notamment la résistance à la traction, à la compression, au cisaillement et à la flexion, ainsi que le module d'élasticité. Comprendre ces propriétés est indispensable pour garantir la sécurité de la structure.

Ces propriétés sont influencées par plusieurs facteurs, tels que l'essence de bois utilisée, la qualité du collage, le taux d'humidité et la température. Les classes de résistance du LC, telles que GL24h, GL30h ou GL32c, indiquent les valeurs caractéristiques de ces propriétés. Par exemple, le GL30h a une résistance caractéristique en flexion de 30 MPa.

Voici un tableau représentant les propriétés mécaniques typiques du lamellé collé en fonction de sa classe:

Classe de résistance	Résistance à la flexion (MPa)	Module d'élasticité (MPa)
GL24h	24	11600
GL30h	30	13000
GL32c	32	12500

Charges à considérer pour le calcul

Le calcul d'une charpente en lamellé-collé doit prendre en compte toutes les charges susceptibles d'agir sur la structure. Il faut prendre en compte les charges permanentes, les charges d'exploitation et, le cas échéant, les charges sismiques.

Les charges permanentes incluent le poids propre de la structure et des revêtements, tandis que les charges d'exploitation englobent le poids des personnes, du mobilier, de la neige et du vent. Les charges sismiques doivent être prises en compte dans les zones à risque sismique. Il est essentiel de combiner ces charges de manière appropriée pour déterminer les sollicitations maximales sur la structure. Par exemple, dans une région avec une charge de neige importante, la combinaison de charge inclura une partie significative de la charge de neige en plus des charges permanentes.

Méthodes de calcul et modélisation

Il existe différentes méthodes de calcul pour les charpentes en lamellé-collé , allant du calcul manuel simplifié à l'utilisation de logiciels de calcul de structure. Le choix de la méthode dépend de la complexité de la structure et de la précision requise.

Pour les structures simples, un calcul manuel simplifié peut suffire. Pour les structures plus complexes, il est nécessaire d'utiliser des logiciels de calcul de structure basés sur la méthode des éléments finis. Ces logiciels permettent de modéliser la structure en 2D ou en 3D et d'analyser son comportement sous différentes charges. Les analyses statiques linéaires et non linéaires permettent de vérifier les contraintes et les déformations de la structure.

Conception des assemblages

La conception des assemblages est un élément essentiel du calcul des charpentes en lamellé-collé . Les assemblages doivent être conçus pour transmettre les efforts de manière efficace et garantir la stabilité de la structure. Un assemblage mal conçu peut compromettre la sécurité de l'ensemble de la construction. La norme EN 1995-1-1 donne des indications sur le calcul des assemblages.

Il existe différents types d'assemblages, tels que les assemblages boulonnés, vissés, collés et mixtes. Le dimensionnement des connecteurs (boulons, vis, etc.) doit être effectué en tenant compte des efforts à transmettre et des caractéristiques des matériaux. Il est également important de protéger les éléments métalliques contre la corrosion en utilisant par exemple des traitements de surface ou des matériaux inoxydables.

Le calcul des assemblages inclut les points suivants :

• Détermination des efforts de cisaillement et de traction.
• Choix du type d'assemblage (boulonné, vissé, etc.).
• Calcul du nombre et de la disposition des connecteurs.
• Vérification de la résistance des connecteurs et des éléments en bois.
• Prise en compte des espacements minimaux et des distances aux bords.

Exemple concret de calcul

Prenons l'exemple du calcul d'une poutre simple en lamellé-collé GL24h supportant une charge uniformément répartie. La portée de la poutre est de 6 mètres et la charge totale (permanente et d'exploitation) est de 5 kN/m. Nous allons simplifier au maximum pour l'illustration, et ne pas inclure tous les coefficients de sécurité.

Premièrement, il faut calculer le moment maximal :

M = (q * L^2) / 8 = (5 kN/m * (6 m)^2) / 8 = 22.5 kNm

Ensuite, il faut déterminer la section requise. On peut utiliser une approximation pour la hauteur h:

h ≈ √(M / (0.15 * f_mk * b))

où f_mk est la résistance caractéristique en flexion (24 MPa pour GL24h) et b est la largeur de la poutre (par exemple, 0.15 m). Cela donne environ une hauteur de 0.45m.

Il est crucial de vérifier les contraintes et la déformation sous la charge. Un logiciel de calcul de structure peut faciliter cette analyse en permettant de visualiser la distribution des contraintes et des déformations. Il existe des options open source comme FreeCAD ou des logiciels commerciaux comme Autodesk Robot Structural Analysis.

Ce calcul simplifié illustre le processus de dimensionnement. Dans la pratique, il est essentiel de prendre en compte tous les facteurs de sécurité et de se conformer aux normes en vigueur.

Élément	Description	Valeur
Matériau	Lamellé-collé	GL24h
Portée (L)	Longueur de la poutre	6 mètres
Charge (q)	Charge répartie	5 kN/m
Résistance	Résistance à la flexion	24 MPa

Mise en œuvre des charpentes en Lamellé-Collé

La mise en œuvre des charpentes en lamellé-collé nécessite une expertise spécifique et le respect de certaines règles de l'art. De la fabrication en atelier au montage sur chantier, chaque étape doit être réalisée avec soin pour garantir la qualité et la durabilité de la structure. Découvrons les étapes clés de la mise en œuvre .

Fabrication en atelier : contrôle qualité et précision

La fabrication en atelier est une étape cruciale pour la qualité des charpentes en lamellé-collé . Elle comprend la sélection des lamelles, la préparation des surfaces, l'application de la colle, le pressage, l'usinage et le contrôle qualité. Un contrôle rigoureux à chaque étape est indispensable.

La sélection des lamelles doit être effectuée avec soin pour garantir la qualité du bois, son taux d'humidité et l'absence de défauts. Les surfaces doivent être préparées par rabotage et ponçage pour assurer une bonne adhérence de la colle. L'application de la colle doit être réalisée dans des conditions environnementales contrôlées, en respectant le type de colle, le dosage et les recommandations du fabricant. Le pressage doit être effectué avec une méthode appropriée, en appliquant la pression recommandée pendant la durée nécessaire. L'usinage, qui comprend la découpe, le perçage et le rainurage, est souvent réalisé à l'aide de machines CNC pour garantir la précision des dimensions. Enfin, le contrôle qualité permet de vérifier les dimensions, les angles, la planéité et la résistance du collage. Un traitement de protection (fongicide, insecticide, hydrofuge) est souvent appliqué pour assurer la durabilité du matériau.

Transport et manutention

Le transport et la manutention des éléments en lamellé-collé doivent être réalisés avec précaution pour éviter tout dommage. Il est important de protéger les éléments contre les intempéries et de choisir le mode de transport approprié.

L'emballage doit assurer une protection efficace contre la pluie, la neige et le soleil. Le choix du mode de transport (camion, train, bateau) dépend de la distance et des contraintes logistiques. La manutention doit être réalisée à l'aide d'engins adaptés (grue, chariot élévateur) et en respectant les consignes de sécurité. Le levage et la mise en place des éléments doivent être effectués avec soin pour éviter tout choc ou déformation.

Montage sur chantier : technique et précision

Le montage sur chantier est une étape délicate qui nécessite une grande précision et une coordination étroite entre les différents corps de métier. La préparation du chantier, l'assemblage des éléments, le contrôle de l'aplomb et de l'alignement sont autant d'éléments à maîtriser.

La préparation du chantier comprend l'implantation, le nivellement des fondations et la mise en place des supports. L'assemblage des éléments est réalisé par boulonnage, vissage ou calage. Le contrôle de l'aplomb, de l'alignement et des niveaux est essentiel pour garantir la stabilité de la structure. Le serrage des connecteurs doit être effectué en respectant les couples de serrage. Il est important de protéger les assemblages contre l'humidité et d'assurer une collaboration étroite entre les charpentiers, les maçons et les couvreurs.

Protection et entretien

Pour assurer la pérennité de la structure, il est essentiel de mettre en place des mesures de protection et d'entretien régulières. Cela comprend le traitement préventif contre les attaques biologiques, la protection contre l'humidité et les UV, ainsi que l'inspection régulière de la structure.

Un traitement préventif contre les attaques biologiques (insectes, champignons) doit être appliqué pour protéger le bois contre la pourriture et les infestations. Une protection contre l'humidité (hydrofuge, pare-vapeur) est essentielle pour éviter la dégradation du matériau. Une protection contre les UV (lasures, peintures) permet de préserver l'aspect esthétique du bois. Une inspection régulière de la structure permet de détecter les fissures, les déformations et les signes d'humidité. La maintenance comprend le resserrage des connecteurs et le renouvellement des traitements de protection.

Guide de bonnes pratiques

Voici quelques conseils essentiels pour une mise en œuvre réussie des charpentes en lamellé-collé :

• Vérifier la qualité du bois et des colles avant la fabrication.
• Respecter les conditions environnementales recommandées par le fabricant de la colle.
• Assurer un contrôle qualité rigoureux à chaque étape de la fabrication.
• Protéger les éléments contre les intempéries pendant le transport et le stockage.
• Utiliser des engins de levage adaptés et respecter les consignes de sécurité.
• Contrôler l'aplomb, l'alignement et les niveaux pendant le montage.
• Protéger les assemblages contre l'humidité.
• Mettre en place un programme d'entretien régulier.

Focus sur les points critiques et les innovations

Les charpentes en lamellé-collé , bien que durables, peuvent être sujettes à certaines pathologies. De plus, des innovations constantes permettent d'améliorer les performances et les applications de ce matériau. Explorons ces aspects pour mieux comprendre les défis et les opportunités du LC.

Pathologies courantes des charpentes en LC et solutions de réparation

Les pathologies les plus courantes des charpentes en lamellé-collé sont la dégradation due à l'humidité, l'attaque par les insectes xylophages et la déformation due au fluage. Un diagnostic précoce et des interventions appropriées permettent de préserver la structure.

La dégradation due à l'humidité se manifeste par la pourriture et les moisissures. L'attaque par les insectes xylophages (capricorne, termites) peut affaiblir la structure. La déformation due au fluage est une déformation lente et progressive qui peut affecter la géométrie de la structure. La dégradation des assemblages peut être due à la corrosion des éléments métalliques ou à la rupture des connecteurs. Les techniques de réparation comprennent l'injection de résine, le remplacement des éléments endommagés et le renforcement des assemblages.

Pathologie	Cause	Solution
Pourriture	Humidité excessive	Traitement fongicide, remplacement du bois endommagé
Attaque d'insectes	Présence d'insectes xylophages	Traitement insecticide, remplacement du bois endommagé
Déformation	Fluage sous charge	Renforcement structurel, décharge partielle

Pour limiter ces risques, il est important de :

• Utiliser du bois traité en autoclave (classe 3 ou 4 selon la norme EN 335).
• Assurer une ventilation adéquate de la structure.
• Protéger la structure contre les intempéries (avant-toits, revêtements).
• Mettre en place un programme d'inspection régulier.

Les dernières innovations dans le domaine du lamellé-collé

Le domaine du lamellé-collé est en constante évolution, avec le développement de colles plus performantes et écologiques, l'utilisation de nouvelles essences de bois, des techniques de fabrication plus précises et automatisées, l'intégration de fonctions (isolation thermique, acoustique) et de nouvelles formes et applications architecturales. Ces innovations ouvrent de nouvelles perspectives pour la construction bois .

Les colles à base de ressources renouvelables gagnent en popularité. L'utilisation d'essences de bois locales et durables permet de réduire l'impact environnemental. Les machines CNC permettent de réaliser des formes complexes avec une grande précision. L'intégration de matériaux isolants dans le LC permet d'améliorer les performances thermiques et acoustiques des bâtiments. Les structures complexes et les façades en LC offrent une grande liberté architecturale.

• Colles biosourcées à base de lignine ou de tanin.
• LC à base de bois locaux (peuplier, hêtre).
• Procédés de fabrication automatisés (robotisation).
• Intégration de systèmes photovoltaïques en façade.

Le lamellé-collé et le développement durable

Le lamellé-collé est un matériau de construction bois durable, à condition que la gestion des forêts soit durable, que l'analyse du cycle de vie soit favorable et que le rôle du LC dans la réduction de l'empreinte carbone des bâtiments soit pris en compte. Les certifications environnementales (PEFC, FSC) garantissent la traçabilité du bois et la gestion responsable des forêts. L'analyse du cycle de vie permet de comparer l'impact environnemental du LC avec celui d'autres matériaux de construction. Le LC contribue à la réduction de l'empreinte carbone des bâtiments en stockant le carbone absorbé par les arbres pendant leur croissance.

L'ACV du LC prend en compte :

• L'extraction des matières premières (bois, colles).
• La fabrication du LC (consommation d'énergie, émissions).
• Le transport du LC.
• La mise en œuvre du LC.
• La fin de vie du LC (recyclage, valorisation énergétique).

Pour minimiser l'impact environnemental du lamellé-collé , il est important de :

• Privilégier les bois certifiés PEFC ou FSC.
• Utiliser des colles à faible teneur en COV (composés organiques volatils).
• Optimiser la conception de la structure pour réduire la quantité de matériaux utilisés.
• Mettre en place un système de tri et de recyclage des déchets de chantier.

L'avenir des charpentes en lamellé-collé

Les charpentes en lamellé-collé représentent une solution constructive performante, esthétique et respectueuse de l'environnement. Un calcul soigné, une mise en œuvre experte sont essentiels pour garantir leur sécurité et leur durabilité. Le lamellé-collé a un rôle important à jouer dans la construction bois de demain.

En conclusion, les charpentes en lamellé-collé offrent une alternative durable et esthétique aux constructions traditionnelles. L'innovation continue dans ce domaine promet un avenir où le bois, grâce à ses qualités intrinsèques et aux techniques modernes de transformation, jouera un rôle de premier plan dans le paysage architectural mondial. Son bilan carbone positif et sa capacité à créer des espaces chaleureux en font un choix judicieux pour les projets de construction bois qui visent l'excellence environnementale et le bien-être des occupants.

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