C. Hazard

Selon eURoCoDe 5

pour les techniciens des métiers du bois

Forestiers, menuisiers, charpentiers, agenceurs,opérateurs productique bois

Formulaire pratique

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6 Sommaire

SOMMAIRE

Avant propos. ........................................................................................................... 3Remerciements et adresses utiles ........................................................................... 4Forêt/bois et transformations. .................................................................................. 9Le bois partout : un enjeu pour la France. ............................................................. 10Le bois matériau renouvelable fédérateur d’un impact environnemental. ............. 11

1/. La forêt française. ........................................................................................... 12Reconnaissance des principales essences ............................................. 13L’arbre ..................................................................................................... 17La morphologie des arbres ...................................................................... 19Le cubage des bois .................................................................................. 20Mesure de la hauteur d’un arbre sur pied ................................................ 21Anatomie du bois ..................................................................................... 22Anatomie macroscopique du bois ........................................................... 23Étude microscopique du bois .................................................................. 25Facteurs influant sur l’utilisation des bois ................................................ 28Qualification des bois............................................................................... 30Mesure du taux d’humidité dans le bois .................................................. 31Courbe d’équilibre hygroscopique ........................................................... 34Variations dimensionnelles du bois .......................................................... 36Anomalies et altérations des bois ............................................................ 40Traitement et préservation des bois ......................................................... 45Classes de service des bois .................................................................... 46Désignation des essences de bois et leurs utilisations ........................... 47Fiche caractéristique rédigée des bois (exemple).................................... 61Cycle de transformation du bois .............................................................. 62Débit des bois .......................................................................................... 63Séchage des bois .................................................................................... 66Critères adoptés pour le classement des bois ........................................ 70Différentes sollicitations en fonction de la direction des fibres ................ 71Propriétés mécaniques des bois.............................................................. 72Essais de dureté sur le bois ..................................................................... 80

2/. Études mécaniques ........................................................................................ 83Cisaillement pur ....................................................................................... 83Flexion simple .......................................................................................... 85Essai de flexion statique .......................................................................... 87Essai de flexion dynamique ..................................................................... 88Flambage des poutres droites ................................................................. 89Moment statique – Centre de gravité....................................................... 91Centre de gravité...................................................................................... 97Moment quadratique................................................................................ 99Statique du solide .................................................................................. 101Principe fondamental de la statique (PFS) ............................................. 104Calcul des actions aux appuis des poutres (applications) ..................... 108Formules générales des poutres isostatiques et hyperstatiques. ......... 111Étude d’une poutre en lamellé-collé ...................................................... 115Formules pour le calcul des rotations des poutres ................................ 126

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7Sommaire

3/. Eurocode 5 – Calcul des structures ............................................................ 127Lecture de la norme ............................................................................... 127Actions appliquées aux structures bois (tableau 1) ............................... 128Conditions de vérifi cation de l’État Limite Ultime (ELU) ........................ 129Annotations utilisées avec les Eurocodes 5........................................... 130Charges d’exploitation Q (tableau N°2) ................................................. 131Poids surfaciques G (pour toitures) ....................................................... 132Actions de la neige sur une structure .................................................... 133Infl uence du vent sur les bâtiments ....................................................... 136Conditions de vérifi cation de l’État limite de Service (ELS) ................... 139Valeurs limites des fl èches verticale et horizontale ................................ 140Vérifi cation des déformations aux États limites de Service (ELS) et ELU ... 141Valeur de kdef (fl uage) en fonction de l’humidité .................................... 143Sections commerciales des bois et calculs ........................................... 144Composantes des combinaisons d’actions ........................................... 147Coeffi cients partiels et facteurs pour le calcul des ELU et ELS ............. 148Combinaisons d’actions (Résistance des types d’ouvrage, stabilité..) . 150Classes de résistance des bois (EN 518 – NF B 52001) ........................ 151Symboles adoptés pour le calcul des résistances des bois .................. 152Facteurs modifi catifs kmod et γM ............................................................. 157Réactions des appuis sur une poutre (défi nition, application industrielle) ... 161Étude des assemblages et liaisons en bois (application tenon et mortaise)............................................................... 166Poutres entaillées – coeffi cients et abaques kv ..................................... 171Coeffi cients d’instabilité kcrit (calculs et abaques) ................................. 173

4/. Démarche adoptée pour le calcul et la vérifi cation des structures en bois ................................................................................................................. 176

Résumé des formules utilisées aux ELU et ELS .................................... 180Résistance au feu des constructions en bois ........................................ 184Planchers en bois (solivage, défi nition, calculs avec Eurocode 5) ........ 189Charpentes traditionnelles, industrielles et en lamellé-collé .................. 195Types et calculs de fermes (systèmes triangulés, nœuds, barres…) ..... 197Calcul des efforts normaux dans les barres d’une fermette .................. 205Déplacement d’un système à treillis ...................................................... 206Charpentes en bois lamellé collé ........................................................... 208Calcul d’une poutre faîtière .................................................................... 209Choix et vérifi cation d’un chevron arbalétrier immobilisé de 2 façons .. 212Étude du fl ambage d’un poteau en bois ................................................ 221Étude de la fl exion déviée (calcul d’une poutre faîtière NAIL-WEB) ...... 224Escaliers (défi nitions, calculs, tracé) ...................................................... 228

5/. Conception de la maison à ossature bois .................................................. 241Différentes techniques de construction ................................................. 241Mode constructif d’une ossature bois ................................................... 243Fixation des structures en bois sur dalle en béton ................................ 244Isolation thermique et acoustique (choix des composants) .................. 246Étanchéité à l’air et renouvellement de l’air ........................................... 251

6/. Conception et vérifi cation des assemblages ............................................. 252Conception des assemblages par tiges aux ELU (déroulement des calculs) 252

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8 Sommaire

Glissement d’un assemblage aux ELS (coefficient kser et abaque) ........ 253Vérification des assemblages aux ELU (Calcul de Rk, mini) ..................... 255Modes de rupture bois-bois et bois-métal en portance locale .............. 256• Assemblages par pointes (prédimensionnement, abaque) ................ 259• Assemblages par boulons et par broches (prédimensionnement,

abaque) .............................................................................................. 271• Assemblages par tire-fonds et par vis (nombre efficace de boulons,

abaques) .................................................................................................... 289• Assemblages par anneaux et par crampons ...................................... 291• Assemblages par connecteurs (applications et calculs Simpson

Strong tie) ........................................................................................... 298• Assemblages par collage (contrôle) ................................................... 302

7/. Réglementation européenne et règles concernant le bois ....................... 304• Fixation des tructures ......................................................................... 304• Règles bois feu 88 .............................................................................. 304

8/. L’usinage du bois .......................................................................................... 305• Conditions de coupe et géométrie des outils de coupe .................... 305• Lois d’usinage (formules générales) ................................................... 308- abaques des vitesses d’amenage (SCHLESINGER) ........................... 313- facteurs influant sur la coupe du bois (direction de coupe,

épaisseur du copeau, coefficients liés à la nature du bois) ................ 315- calcul de l’effort de coupe Fcet de la puissance Pm ............................ 317- caractéristiques et géométrie des outils.............................................. 319• Usinage du bois avec la commande numérique ................................ 329- mise en position et maintien en position d’une pièce en bois ............ 330- trajectoires ........................................................................................... 333- modes de programmation - repères des origines machines et pièces .. 334• Les machines électroportatives.......................................................... 346- sciage – défonçage – rainurage – profilage ......................................... 346- types et dimensions des fraises pour outils portatifs .......................... 355

9/. Type de ferrage .............................................................................................. 362

10/. Éléments de mathématiques utilisés par les professionnels ................. 365- équations, formules et tracés .............................................................. 365- Unités légales ...................................................................................... 411

11/. Prévention des Risques Professionnels pour la forêt/bois ..................... 412- travail en sécurité, directives européennes ......................................... 412- règles de sécurité pour les travaux en forêt et du bois ....................... 414- comportement au travail – conseils pour éviter un accident ............... 415- protection collective en atelier et sur chantier ..................................... 416

12/. Différents systèmes d’aspiration et de filtration des poussières de bois ................................................................................................................. 416

- critères de choix d’un aspirateur industriel autonome ........................ 417

13/. Termes utilisés dans les métiers du bois. ................................................ 418

14/. Métiers et formations forêt-bois ............................................................... 427

Index .................................................................................................................... 430

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9 Introduction

Le bois est un matériau noble produit par la forêt, laquelle est aussi capable d’absorber chaque année 12 % du CO2 émis. De plus, le bois matière première, connaît en France et plus généralement en Europe, une augmentation de son utilisation en tant que matériau de base pour la construction, l’agencement de bâtiments et pour les bois dérivés. En raison de ses propriétés et ses qualités, le bois est proche de la nature, renouvelable, énergétique et économique ; il entre bien dans la voie du développement durable et écologique.

En raison de ses caractéristiques physiques, chimiques, mécaniques et de la diversité des essences, le bois est une matière incontournable et importante pour les besoins de la société de demain. Matière vivante, pleine de chaleur, elle apporte également à l’industrie française et en particulier à la filière Forêt-Bois des atouts dans la construction de structures, comparables à celles proposées en acier ou en béton.

De tout temps, le bois a connu un développement constant qui s’accentue forte-ment dans la société actuelle. Son utilisation doit être mesurée et fonctionnelle. Il constitue une ressource indispensable pour l’avenir, il est facteur d’économie d’énergie par son pouvoir isolant d’où la construction et l’aménagement de mai-sons à ossature bois.

L’homme doit être largement informé sur le matériau bois, sur ses propriétés, les moyens de sa transformation économique, rationnelle et de sa préservation. Il doit aussi participer à la dynamisation de la forêt sans oublier l’environnement et l’économie du pays. Il doit être un ardent défenseur de la filière Forêt-Bois qui joue un rôle fondamental dans l’évolution de notre société.

Les diverses essences de bois apportent aux architectes, aux maîtres d’œuvre et techniciens une réponse aux exigences techniques et artistiques, définies par les besoins en construction de bâtiment ou en réalisation d’ameublement.

La filière Forêt-Bois offre une grande variété de métiers qui s’organisent autour des première et seconde transformations puis des secteurs d’activité du bâti-ment, de l’ameublement, de l’emballage, de la production de matériaux dérivés du bois ou associés ainsi que des réalisations très diverses.

FORÊT-BOIS ET TRANSFORMATIONSGÉNÉRALITÉS

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34 Courbe d’équilibre hygroscopique

Le bois est un matériau hygroscopique. Le pourcentage d’humidité (H%) est variable mais finit par se stabiliser en degré hygrométrique au même taux que celui du lieu dans lequel il se trouve.

Le taux d’humidité du bois devra correspondre au taux d’humidité moyen de la réalisation. Les courbes d’équilibre hygroscopique permettent de connaître le taux d’humidité Ces courbes ne sont utilisables que pour les bois ne contenant que de l’eau et de la matière ligneuse.

Exemple : Déterminer le pourcentage d’humidité du bois placé dans un envi-ronnement ayant une humidité relative de l’air de 68,8% et une température ambiante de 30°. Rep : H% = 12% (norme internationale).

COURBES D’ÉQUILIBRE HYGROSCOPIQUE

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511. La forêt française

1DÉSIGNATION DES ESSENCES DE BOIS

ET LEURS UTILISATIONS

ÉBÈNEOrigine : Europe Asie, AfriqueCouleur : BlanchâtreDensité : 0,60 à 0,70Dureté : Mi-dur

Stabilité : Moy. stableUsinage : FacileCollage : FacileGrain : Fin

Rétractabilité : MoyenneDurabilité : MauvaiseSéchage : RapideFil : Souvent contrefilé

utILISAtIoNSLutherie, sculptures, tabletterie, articles de bureau, petits meubles avec filets de marqueterie, brosserie de luxe, panneaux décoratifs pour agencement, travaux hydrauliques.Nota : On trouve l’ébène de Macassar, l’ébène du Gabon, l’ébène vert ou ipe.

ÉpICÉAOrigine : MéditerranéeCouleur : Rose à rougeDensité : 0,40 à 0,56Dureté : Tendre

Stabilité : Très stableUsinage : FacileCollage : BonGrain :

Rétractabilité : MoyenneDurabilité : MoyenneSéchage : RapideFil : Droit

utILISAtIoNSConstruction de bâtiments, bois lamellé-collé, charpentes, boiseries, meubles, pla-fonds, instruments, poteaux, perches, contreplaqué…Nota : L’épicéa demande à être protégé des intempéries.

ÉRABLEOrigine : Europe tempéréeCouleur : Blanc grisâtreDensité : 0,75 à 0,85Dureté : Dur

Stabilité : Peu stableUsinage : DifficileCollage : BonGrain : Fin

Rétractabilité : ÉlevéeDurabilité : MauvaiseSéchage : DélicatFil : Souvent contrefilé

utILISAtIoNSUtilisé dans les constructions intérieures : meubles (pour les parties internes claires), tables et ustensiles de cuisine, panneaux de particules, instruments divers.

FRAmIRÉCouleur : Jaune foncéDensité : 0,55 à 0,75Dureté : Mi-dur

Stabilité : StableUsinage : FacileCollage : FacileGrain : Grossier

Rétractabilité : FaibleDurabilité : BonneSéchage : DifficileFil : Droit

utILISAtIoNSUtilisé en carrosserie, menuiserie, moulures, parquets, contreplaqués.ex

trait

126 Calcul des rotations des poutres isostatiques

RELATIONS POUR LE CALCUL DES ROTATIONS DES POUTRES ISOSTATIQUES COURANTES

Poutres sur deux appuis simples et poutres encastrées (EIGz = Cte)

SCHÉMA DE CHARGE SUR LA POUTRE ROTATION AUX APPUIS (EN RADIAN)

CHARGE CENTRÉE

2 2BA

θAi-1 θAi xy

�

�

�

F θ

θ

Ai 1

Ai

- = −

=

FEI

FEI

Gz

Gz

3

3

16

16

CHARGE LOCALISÉE

BAa b

θAi-1 θAi xy

�

F→

θ

θ

Ai 1

Ai

- = −+( )

= −+( )

F a b b

EI

F a b a

EI

Gz

Gz

. . .

.

. . .

.

6

6

CHARGE UNIFORMÉMENT RÉPARTIE

BA

θAi-1 θAi

xqy

θ

θ

Ai 1

Ai

- = −

=

qEI

FEI

Gz

Gz

3

3

24

24

POUTRE ENCASTRÉE À UNE EXTRÉMITÉ AVEC CHARGE UNIFORMÉMENT RÉPARTIE

BA

θAi-1

xqy

�

θAi 1- = − q

EIGz

3

6

POUTRE ENCASTRÉE À UNE EXTRÉMITÉ AVEC CHARGE UNIFORMÉMENT RÉPARTIE

BAθAi-1

x

y

�

F→

θAi 1- = − FEIGz

2

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1273. Eurocode 5 - Calcul des structures

3

EUROCODE 5

CALCUL DES STRUCTURES EN BOIS - EN 1995-1-1-2005L’application de l’Eurocode 5 est destinée à faciliter la communication tech-nique, à harmoniser les méthodes de calcul des structures en bois dans l’en-semble de la communauté européenne. À partir de 2010, l’Eurocode 5 doit se substituer aux règles CB 71 jusqu’alors utilisées.

Il intervient dès la conception pour le calcul des bâtiments et des ouvrages de Génie Civil en bois (bois massif, bois Lamellé-Collé, bois rabotés, bois assem-blés par des organes d’assemblage ou par des adhésifs).

Principes utilisés par les règles CB 71 et Eurocode 5 - Comparaison -

Pour le CB 71, on utilise un coefficient de sécurité KS (par convention égal à 2,75) et on vérifie la relation :

σ (Contrainte admissible) ≤ σ (contrainte rupture) / Ks (Coefficient de sécurité)

Pour l’Eurocode 5, on prend en compte la dispersion des matériaux avec les valeurs caractéristiques. On applique des coefficients partiels que l’on applique aux matériaux et aux actions sur les structures.

LECTURE DE LA NORME :

EN 1995 = Eurocode 5 – Conception et calcul des structures en bois.

Partie 1 : Généralités.

Section 1 : Règles communes et règles pour les bâtiments.

EN 1995 – 1-1

EN 1995 = Eurocode 5 – Conception et calcul des structures en bois.

Partie 1 : Généralités.

Section 2 : Calcul des structures au feu.

EN 1995 – 1-2

ACTIONS APPLIQUÉES AUX STRUCTURES BOIS :Les différents types d’actions résultent de l’ensemble des forces appliquées sur la structure en bois. Des textes, normes AFNOR et règlements apportent et précisent les conditions de vérification, d’utilisation conforme au cahier des charges et de sécurité des personnes et des biens durant toute la durée d’exploi-tation de la structure.

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174 Déversement : coefficient kcrit

DÉVERSEMENT : COEFFICIENT Kcrit

Application 1 : BOIS MASSIF: C18

fm,k = 18 MPa, E0,05 = 6000 MPa, h = 200 mm,

b = 50 mm, L = 4 600 mm

Lef = L + 2 . h = 4 600 + 2 . 200 = 5 000 mm

h0,5

b = 2000,5

50 = 0,2 828

Sur l’abaque on trouve Kcrit = 0,63.

Détermination par calcul :

σm,crit = 0,78 . E0,05 . b

2

h . Lef

= 0,78 . 6 000 . 502

200 . 5 000 = 11,7 MPa

λrel.m = λσ

�,

,rel.m,

m,crit

m kf= = =18

1171 24

comme 0,75 < λrel.m ≤ 1,4

alors Kcrit = 1,56 – (0,75 λrel.m)

= 1,56 – 0,75 × 1,24 = 0,63

σm,crit extra

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260 Modes d’assemblages par pointes

MODES D’ASSEMBLAgES PAR POINTES

Modes d’implantation et de travail des tiges :

Simple cisaillement (fig. 1) Double cisaillement (fig. 2) Pointes à recouvrement (fig. 3)

t1

t

> 4d

t2

t2t2

t1

t 1 =

épai

sseu

r de

la p

ièce

sou

sla

tête

t 2 = p

énét

ratio

n cô

té p

oint

e.

Fig 1  Fig 2  Fig 3

1. Simple cisaillement (fig. 1)t1 = Épaisseur de l’élément bois sous la tête.

t2 = Pénétration côté pointe.

2. Double cisaillement (fig. 2)t1 = Pénétration côté pointe en double cisaillement.

t2 = Épaisseur de l’élément bois central en double cisaillement.

3. Pointes à recouvrement (fig. 3)On  trouve  son  application dans  les  assemblages moisés. Ce  type d’assem-blage est réalisé sans pré-perçage. La distance entre l’extrémité de la pointe et la face de l’élément central doit être supérieure à quatre fois le diamètre de la pointe t-t2 > 4 d

Différents matériaux soumis aux actions :Suivant les travaux à réaliser on trouvera des assemblages en :

- Bois - bois

- Bois - métal

- Bois - panneau

Espacements ou conditions de pince :L’entraxe entre les tiges est parallèle et perpendiculaire au fil du bois. Les dis-tances entre les bords et les extrémités de la pièce peuvent être chargées ou non chargées.

Ces assemblages tiennent compte de l’orientation de la tige par rapport au fil du bois, du type de chargement, du diamètre, de la longueur et de l’implantation.extra

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354 Le défonçage avec outils électroportatifs

LE DÉFONÇAGE AVEC OUTILS ÉLECTROPORTATIFS

Doc. FESTOOL

LA DÉFONCEUSE

Elle permet avec différents accessoires d’obtenir un système flexible aux appli-cations multiples.

Opérations d’usinages (exemples)- Fraisage de grandes découpes

(cercles, courbes particulières, cercles et arcs…).

- Profilage, rainurage et feuillurage.- Affleurage, réalisation de découpe,

rainurage, profilage de matériaux minéraux.

- Fabrication d’éléments d’assem-blage d’angle de plans de travail avec des accessoires.

Caractéristiques techniques (exemple)

Puissances absorbées 2 200 W

Course de fraisage 80 mm

Vitesse de rotation à vide 10 000-20 000 tr/min

Diamètre de fraise maxi 89 mm

Réglage fin 1/10 mm

Raccord d’aspiration des poussières Ø 36 mm (27 mm)

Poids 7,8 kg

Avantages de la défonceuse

La plupart des défonceuses possèdent les accessoires nécessaires à l’exécution d’opérations les plus diverses dans le bois, les matières plastiques et l’aluminium.

Le changement des fraises, de la semelle et de la bague de copiage se fait rapi-dement et généralement sans outils spéciaux.

La défonceuse peut être installée sur une table spéciale pour en faire une machine stationnaire capable d’usiner des profilés de grande taille. Un simple réglage de la fraise à la hauteur appropriée par le haut, à l’aide d’une manivelle est suffisant. Notons que la table peut servir pour d’autres unités de sciage ou de ponçage.

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3558. L’usinage du bois

8

PROFILS RÉALISÉS PAR FRAISAGE DU bOIS ET DES mATIÈRES mINÉRALES (Exemples)

Une gamme de fraises profilées soit en HS ( acier rapide haute performance) ou en HW ( carbure de tungstène) permet de réaliser de nombreux profils en atelier ou sur chantier. Pour la sécurité des biens et des personnes, ces fraises doivent répondre aux directives européennes pour les machines à bois. (Festool)

TYPES ET DImENSIONS DES FRAISES

longueur hors-tout GL Diamètre de queue S

Longueur utile NL Rayon R

Diamètre de la fraise D Angle de fraisage Fα

Matière de I’outil: HW Diamètre de la queue S : 8

FRAISE POUR FERRURE ØD NL GL R Fα

15 54,5

18 54,5

20 54,5

22 54,5

25 54,5

26 54,5

FRAISE à GORGE CREUSE ØD NL GL R Fα

8 8 38 4

12,7 10 40 6,35

16 11 41 8

19,4 11 41 9,7

25,4 14 44 12,7

FRAISE à PROFILER LES RAYONS ØD NL GL R Fα

42 14 54 6extra

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CyCle de transformation du bois

ISBN 978-2-7135-3179-8

Utilisation finale

Forêt régionale

Transport des grumes

Stockage des grumes

Débit

Séchage du bois

Stockage des billes

www.casteilla.fr