Charpenterie

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

Une charpente est un assemblage de pièces de bois et/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), les charges d'exploitation…

C'est le charpentier qui est chargé de la mise en place d'une charpente.

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

Dessin d'une ferme de charpente traditionnelle

Détail d'une ferme de charpente traditionnelle

Association du bois et du métal forgé

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, elle celle qui suit reste donc ouverte. Ainsi, les essences de bois principalement utilisées en charpenterie sont le chêne, le châtaignier, l'épicéa, le pin, le peuplier tremble, le mélèze et l'orme.

- 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

- Châtaigner : comparable en beaucoup de points au chêne, il est caractérisé par l’absence 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 - 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 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 et à peine plus foncée que le bois normal

- 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.

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 d'une charpente

Vocabulaire de la charpente

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. Entraxe : 2 à 3 m, section de 6,3 × 17,5 à 10 × 25 cm.

• 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 x 8 cm, 9 x 6 cm et 5 x 4,5 cm (hauteur x 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 accrochée 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 compliquée par pièces appelées dans les charpentes en bois des « aiguilles » (par exemple des « poinçons »), « contrefiches », « jambes de forces », « 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, les pratiques traditionnelles exigeantes sont aujourd'hui remplacées par différentes techniques.

Charpente complexe d'une halle aux grains (Aire-sur-Adour, France)

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 XXe 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 sur CAO et quelques fois sur papier. 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 des pièces à réaliser.

Autres types de charpente

Pilier de temple, province de Sagami, Japon

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, lesquels 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 vingtième siècle et aujourd'hui réédité, donne aussi des indications précieuses sur les méthodes traditionnelles et fournit un point de vue sur la terminologie.

Chapelle du château de Lunéville

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, et bien que cela corresponde à la définition d'une charpente, il est plus usuel de parler d'une « ossature en béton armé ».

La charpente métallique concurrence la charpente en bois dans presque tous les domaines. Les différences de comportement entre les deux matériaux décident en général du choix, ainsi que les prix.

Charpente industrielle

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 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 lamelle 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…),
• 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

Croix de Saint-André du Moulin des Jésuites à Québec évitant les déformations de la 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 dû à un moment dont la direction est confondue avec l'axe de la pièce

Il faut surtout noter dans la conception d'une charpente et notamment d'une ferme que le poinçon ne doit supporter aucun effort.

Bibliographie

Charpente du château de Noville-les-Bois

• Eugène Viollet-le-Duc, Dictionnaire raisonné de l'architecture française du XIe au XVIe siècle - Tome 3, Charpente
• Jean Bernard, Encyclopédie des métiers : la charpente, Librairie du compagnonnage, 1980 
• Jean Denfer, Architecture et constructions civiles - Charpentes en bois et menuiserie 
• Frédéric Épaud, De la charpente romane à la charpente gothique en Normandie, CRAHM, 2007 (ISBN 978-2-902685-39-4)
• « Bois et charpente en bois – Le matériau et son utilisation » F.X BROCHARD – Collection de l’Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics – Editions Eyrolles Paris - 1960

Voir aussi

Termes utilisés en charpente