C’est dans la connexion que l’ingénierie du bois devient la plus exigeante. Alors que les éléments en bois peuvent franchir des distances impressionnantes avec une efficacité élégante, les joints entre ces éléments concentrent les forces dans de petites zones d'un matériau avec une capacité portante et de cisaillement limitée. Une conception réussie d'assemblages en bois nécessite de comprendre à la fois le comportement anisotrope du matériau et la mécanique du transfert de charge à travers les fixations.
Ce guide couvre la gamme complète des types d'assemblages bois de construction, des simples joints cloués aux systèmes sophistiqués de résistance aux moments, avec des conseils pratiques sur la sélection, la conception et la performance au feu.
Principes fondamentaux du comportement des assemblages en bois
Mécanismes de transfert de charge
Toutes les connexions en bois transfèrent la charge via un ou plusieurs de ces mécanismes :
- Appui — compression directe du bois contre le bois ou l'acier
- Incrustation — une attache enfoncée dans les fibres du bois
- Retrait — une attache tirée le long de son axe du bois
- Adhésion — liaison chimique entre le bois et l'adhésif/résine
Le modèle de rendement européen (EYM), codifié dans la norme EN 1995-1-1 (Eurocode 5), prédit la capacité de connexion en fonction de l'interaction entre la flexion des fixations et l'encastrement du bois. Le modèle identifie plusieurs modes de défaillance (de la cession des fixations au fendage du bois) et prend la capacité la plus faible comme valeur de conception.
Propriétés du bois affectant les connexions
| Propriété | Effet sur la conception des connexions |
|---|---|
| Densité (ρk) | Densité plus élevée = résistance d'encastrement plus élevée |
| Direction des grains | Capacité parallèle au grain 2–3× perpendiculaire |
| Teneur en humidité | Le bois humide a une résistance à l'encastrement inférieure |
| Groupe d'espèces | Détermine la densité caractéristique pour les calculs |
| Épaisseur de la barre | Régit le mode de défaillance dans EYM |
Pour le bois de construction structurel C24 avec une densité caractéristique ρk = 350 kg/m³, la résistance d'ancrage parallèle au fil est d'environ :
fh,0,k = 0,082 × (1 − 0,01d) × ρk
Où d est le diamètre de la fixation en mm. Pour une cheville de 12 mm en bois C24 : fh,0,k = 0,082 × (1 − 0,12) × 350 = 25,2 N/mm²
Connexions de fixation de type cheville
Clous
Les clous sont les fixations pour bois les plus simples et les plus courantes, utilisés principalement pour :
- Assemblages goujons-plaques dans les murs à ossature bois
- Supports de solives et sangles de retenue
- Fixation de gainage (OSB, contreplaqué)
- Liaisons structurelles secondaires
Capacité de conception (cisaillement simple, EN 1995-1-1) :
| Diamètre du clou | Longueur des ongles | Capacité caractéristique (C24) |
|---|---|---|
| 3,1 mm | 75 millimètres | 0,62 kN |
| 3,75 mm | 90 millimètres | 0,89 kN |
| 4,0 mm | 100 millimètres | 1,02 kN |
| 5,0 millimètres | 125 millimètres | 1,48 kN |
Règles clés de conception des ongles :
- Pénétration minimale dans l'élément récepteur : 8d (tige lisse) ou 6d (tige annulaire)
- Pré-perçage nécessaire pour une densité de bois >500 kg/m³
- Motif décalé pour éviter les fissures dans le sens du grain
- Aucune capacité portante en retrait pour les clous à tige lisse
Vis
Les vis autotaraudeuses modernes (STS) ont transformé la conception des assemblages en bois. Contrairement aux tire-fonds traditionnels, les STS présentent les caractéristiques suivantes :
- Filetage continu sur toute la longueur de la tige
- Pointe auto-perceuse éliminant le pré-perçage
- Grande capacité de retrait (chargement axial)
- Possibilité d'installation en angle (raccords à vis inclinés)
Capacités STS typiques (cisaille simple, bois C24) :
| Diamètre de vis | Longueur | Capacité de cisaillement | Capacité de retrait |
|---|---|---|---|
| 6 millimètres | 120 millimètres | 2,8 kN | 8,4 kN |
| 8 mm | 160 millimètres | 4,2 kN | 14,2 kN |
| 10 millimètres | 200 millimètres | 5,8 kN | 19,6 kN |
| 12 millimètres | 240 millimètres | 7,6 kN | 26,1 kN |
Les assemblages à vis inclinés exploitent la capacité de retrait élevée du STS en installant des vis à 30–45° par rapport au plan de cisaillement. Cela crée un chemin de charge combiné cisaillement-tension qui peut atteindre 2 à 3 fois la capacité des vis chargées uniquement en cisaillement.
Boulons
Les boulons restent la norme pour les assemblages en bois massif, en particulier lorsque :
- Une capacité élevée de fixation unique est requise
- Les connexions doivent être démontables
- Une inspection visuelle du serrage est nécessaire
- Des [poutres lamellées-collées BSH] de grande section (/products/bsh-glued-laminate-beams) sont en cours de connexion
Capacité des boulons (double cisaillement, acier-bois-acier, C24) :
| Diamètre du boulon | Épaisseur du bois 100 mm | Épaisseur du bois 160 mm | Épaisseur du bois 200 mm |
|---|---|---|---|
| M12 | 12,4 kN | 15,8 kN | 17,2 kN |
| M16 | 16,8 kN | 22,4 kN | 26,1 kN |
| M20 | 21,2 kN | 29,6 kN | 35,8 kN |
| M24 | 25,6 kN | 36,2 kN | 44,2 kN |
Considérations de conception pour les assemblages boulonnés :
- Trous percés de 1 mm surdimensionnés (diamètre du boulon + 1 mm)
- Rondelles obligatoires sous tête et écrou (diamètre 3d minimum, épaisseur 0,3d)
- Serrage bien serré (pas de couple de boulon à haute résistance)
- Vérifier les modes de défaillance en cisaillement de bloc et en cisaillement de rangée
- Distance minimale d'extrémité : 7d (extrémité chargée), 3d (extrémité déchargée)
Chevilles
Les chevilles en acier sont des broches cylindriques lisses enfoncées dans des trous pré-percés avec une tolérance zéro (diamètre du trou = diamètre de la cheville). Ils proposent :
- Capacité supérieure aux boulons de même diamètre (pas de trou surdimensionné)
- Esthétique plus propre (pas de têtes ni d'écrous saillants)
- Meilleure tenue au feu (pas d'acier exposé)
- Aptitude aux connexions cachées
Les chevilles sont la fixation préférée pour les structures en bois apparentes de haute qualité et sont standard dans les portiques en bois lamellé-collé et les bâtiments en bois à plusieurs étages.
Connexions de plaques d'acier
Plaques d'acier externes
Les plaques d'acier externes (exposées) sont boulonnées ou vissées sur les faces extérieures des éléments en bois. Ils sont:
- Simple à fabriquer et à installer
- Facile à inspecter
- Adapté aux connexions de chantier
- Visible (peut nécessiter un traitement architectural)
Configurations typiques :
- Plaque simple face (asymétrique — introduit l'excentricité)
- Plaques double face (symétriques — préférées pour les connexions primaires)
- Goussets aux nœuds de ferme
- Assemblages de supports pour les joints poutre-poteau
Plaques d'acier internes (fendues)
Les plaques internes sont dissimulées dans une fente découpée dans la pièce en bois. La fente est généralement découpée par un routeur CNC selon des tolérances serrées (épaisseur de la plaque + 1 mm). Les chevilles traversent simultanément le bois et la plaque.
Avantages des connexions à plaques fendues :
- Ferronnerie dissimulée - esthétique du bois épurée
- Protection incendie inhérente : le bois recouvre l'acier
- Chemin de charge symétrique — pas d'excentricité
- Haute capacité — chevilles multiples en double cisaillement
Paramètres de conception pour les connexions à plaques fendues :
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Épaisseur de la plaque | 8–20 mm (acier S355) |
| Largeur de fente | Épaisseur de la plaque + 1 mm |
| Diamètre de la cheville | 12-24 mm |
| Espacement des chevilles (parallèle) | 5j minimum |
| Espacement des chevilles (perpendiculaire) | 3d minimum |
| Distance finale | 7j minimum |
| Distance au bord | 3d minimum |
Plaques à couteaux
Les plaques à couteaux sont de fines plaques d'acier (généralement de 5 à 6 mm) insérées dans une scie découpée dans le bois. Ils sont utilisés pour :
- Connexions de fermes légères
- Connexions de renfort
- Attachements de membres secondaires
Le trait de scie est réalisé sur place ou en usine et la plaque est fixée de chaque côté avec des clous ou des boulons de petit diamètre.
Connexions instantanées
Les assemblages résistant aux moments dans le bois sont plus complexes que dans la construction en acier, car la résistance d'ancrage limitée du bois signifie qu'un grand nombre de fixations sont nécessaires pour développer une capacité de moment significative.
Connexions de moment du groupe de chevilles
Un motif circulaire ou rectangulaire de goujons à travers une plaque d'acier fendue peut résister au moment grâce au couple créé par les goujons en tension (retrait ou appui) et en compression (appui) :
Approche de conception :
- Calculer le moment demandé à la connexion
- Déterminez le bras de levier entre les groupes de chevilles de traction et de compression
- Calculez la force par cheville : F = M / (n × z) où n = nombre de chevilles dans un groupe, z = bras de levier
- Vérifiez que chaque cheville a une capacité suffisante pour la force combinée de cisaillement et axiale.
- Vérifiez le bois pour le cisaillement par blocs, le cisaillement des rangées et le fendage
Connexions de moment de tige collées
Les tiges collées constituent la méthode la plus efficace pour créer des assemblages de moments dans le bois. Un groupe de tiges filetées liées au grain d'extrémité d'une poutre peut développer des capacités de moment comparables à la résistance à la flexion de la poutre.
Paramètres de conception :
| Paramètre | Gamme typique |
|---|---|
| Diamètre de la tige | M12 – M24 |
| Qualité de tige | 8,8 ou 10,9 |
| Longueur d'encastrement | 10j – 20j |
| Type d'adhésif | Époxy structurel (2 composants) |
| Épaisseur de la ligne de liaison | 1 à 2 mm |
| Diamètre du trou | Diamètre de la tige + 2–4 mm |
| Espacement des tiges | ≥5j |
| Distance au bord | ≥2,5d |
Capacité des tiges collées (axiales, bois C24) :
| Tige | Intégration 10j | Intégration 15j | Intégration 20j |
|---|---|---|---|
| M12 | 28 kN | 42 kN | 56 kN |
| M16 | 48 kN | 72 kN | 96 kN |
| M20 | 72 kN | 108 kN | 144 kN |
| M24 | 100 kN | 150 kN | 200 kN |
Contrôle qualité des tiges collées :
- Trous percés par CNC pour assurer l'alignement et la profondeur
- Tiges dégraissées et nettoyées avant collage
- Adhésif injecté depuis le fond du trou pour éviter les poches d'air
- Temps de durcissement minimum 24 heures à 20°C avant chargement
- Tests d'extraction des échantillons de production (minimum 3 par lot)
Conception incendie des connexions
La faiblesse critique
Les connexions constituent souvent le point le plus faible d’une structure en bois en cas d’incendie. Alors que le bois se carbonise à une vitesse prévisible (0,65 mm/min pour le bois résineux), les composants en acier des assemblages perdent rapidement leur résistance :
- A 300°C : l'acier conserve ~100% de la résistance ambiante
- A 400°C : l'acier conserve ~90% de la résistance ambiante
- À 500°C : l'acier conserve ~78% de la résistance ambiante
- À 600°C : l'acier conserve ~47% de la résistance ambiante
- À 700°C : l'acier conserve ~23% de la résistance ambiante
Stratégies de protection
Stratégie 1 : Dissimulation (de préférence)
Encastrez tous les composants en acier sous la surface du bois et bouchez avec du bois :
- Couverture minimale en bois : taux de carbonisation × résistance au feu requise + 7 mm (couche de résistance nulle)
- Pour une résistance au feu de 60 minutes : 0,65 × 60 + 7 = couverture bois 46 mm
- Pendant 90 minutes : 0,65 × 90 + 7 = 65,5 mm → 66 mm de couverture en bois
Stratégie 2 : Surdimensionnement
Augmentez l'épaisseur de la plaque d'acier et le diamètre des fixations pour tenir compte de la perte de résistance à température élevée. Cette approche est moins élégante mais plus simple pour les connexions de sites.
Stratégie 3 : Protection intumescente
Appliquer un revêtement intumescent sur les plaques d'acier exposées. Le revêtement se dilate lorsqu'il est chauffé, formant une couche de charbon isolante. Nécessite :
- Épaisseur minimale du film sec (DFT) selon les données d'essai au feu du fabricant
- Inspection et entretien réguliers
- Ne convient pas aux endroits cachés
Stratégie 4 : Bardage en bois
Fixez les planches de bois sacrificielles sur les connexions en acier exposées. Le revêtement se carbonise lors d'un incendie, protégeant l'acier situé en dessous. Épaisseur minimale de revêtement calculée comme pour la stratégie 1.
Tableau de conception des incendies de connexion
| Type de connexion | 30 minutes | 60 minutes | 90 minutes |
|---|---|---|---|
| Cheville cachée (couvercle 46 mm) | ✓ | ✓ | — |
| Cheville cachée (couvercle 66 mm) | ✓ | ✓ | ✓ |
| Boulon exposé + intumescent | ✓ | ✓ | Vérifier |
| Boulon exposé (non protégé) | — | — | — |
| Tige collée (couvercle 46 mm) | ✓ | ✓ | — |
| Support de solive cloué (standard) | ✓ | — | — |
Systèmes de fixation modernes
Systèmes de connecteurs propriétaires
Plusieurs fabricants proposent des systèmes de connexion techniques qui simplifient la conception et l’installation :
Suspensions de poutre dissimulées : les poches acheminées CNC à l'extrémité de la poutre reçoivent un sabot en acier qui transfère la charge dans le roulement. Aucune ferronnerie visible. Capacité typique : 50-200 kN.
Plaques de connecteur Moment : plaques d'acier préfabriquées avec des modèles de goujons prédéterminés, fournies avec des tableaux de conception. Réduit le temps d’ingénierie pour les connexions standard.
Connecteurs de base de colonne : sabots en acier qui relient les colonnes en bois aux fondations en béton tout en maintenant une barrière contre l'humidité. Disponible pour les colonnes jusqu'à 500 × 500 mm.
Technologies de connexion innovantes
Chevilles lamellées croisées : Chevilles en bois dur insérées perpendiculairement au plan de cisaillement de la connexion, créant une connexion tout en bois sans acier. Utilisé dans des projets axés sur la durabilité.
Connexions basées sur la friction : les boulons de grand diamètre avec prétension contrôlée créent des connexions par friction qui résistent à la charge sans s'enfoncer. Inspiré de la pratique de la construction en acier.
Connexions en alliage à mémoire de forme (SMA) : technologie en phase de recherche utilisant des fixations en alliage nickel-titane qui peuvent s'auto-centrer après une charge sismique, ramenant la structure à sa géométrie d'origine.
Flux de travail de conception pratique
Étape 1 : Définir les forces de connexion
Extrayez les forces du modèle structurel :
- Force axiale (tension ou compression)
- Force de cisaillement (verticale et horizontale)
- Moment (le cas échéant)
- Classe de durée de charge (permanente, moyenne durée, courte durée, instantanée)
Étape 2 : Sélectionnez le type de connexion
| Type de force | Connexion recommandée |
|---|---|
| Cisaillement uniquement (léger) | Clous, vis, supports de solives |
| Cisaillement uniquement (lourd) | Boulons ou chevilles avec plaques d'acier |
| Tension axiale | Boulons avec plaques d'acier ou tiges collées |
| Compression axiale | Appui (contact direct) avec retenue latérale |
| Instant | Groupes de chevilles, groupes de tiges collées |
| Combiné | Chevilles avec plaques fendues (les plus polyvalentes) |
Étape 3 : Dimensionnement préliminaire
Utilisez les tableaux de capacité pour estimer le nombre et la taille des fixations requises. Autoriser :
- Facteur de durée de charge (kmod) : 0,6 (permanent) à 1,1 (instantané)
- Facteur partiel de sécurité (γM) : 1,3 pour les connexions
- Facteur de classe de service : Classe 1 (sec), Classe 2 (modéré), Classe 3 (humide)
Étape 4 : Vérifier la géométrie
Vérifiez que le modèle de fixation requis s'adapte à la section transversale du bois disponible :
- Distances finales et distances aux bords satisfaites
- Exigences d'espacement respectées
- Aucun conflit avec d'autres connexions ou services
- Suffisamment de bois restant après les fentes/trous pour l'adéquation structurelle
Étape 5 : Détails pour la fabrication
Produire des détails de connexion montrant :
- Toutes dimensions et tolérances
- Type, taille, qualité et quantité de fixations
- Dimensions, épaisseur, qualité et finition des tôles d'acier
- Dimensions des fentes (pour plaques cachées)
- Séquence d'assemblage
- Exigences en matière de protection contre l'incendie
Étape 6 : Spécifier le contrôle qualité
Définir les exigences d’inspection et de test :
- Valeurs de couple pour les boulons
- Exigences d'essai d'arrachement pour les tiges collées
- Critères d'inspection visuelle
- Exigences documentaires
Bonnes pratiques en matière de détails de connexion
Éviter le fractionnement
Le fendage du bois est le mode de défaillance de connexion le plus courant. Prévenez-le en :
- Maintien des distances minimales aux extrémités et aux bords
- Pré-perçages pour toutes les fixations dans les bois durs et résineux denses
- Fixations décalées pour éviter de charger la même ligne de grain
- Utilisation de vis autotaraudeuses comme renfort perpendiculaire au fil
- Spécification des vis de renfort au niveau des encoches et des trous
Autoriser le mouvement
Le bois rétrécit et gonfle avec les changements de teneur en humidité. Les connexions doivent prendre en charge ceci :
- Trous oblongs pour les boulons dans le sens perpendiculaire au grain
- Liaisons souples entre bois et matériaux rigides (acier, béton)
- Séparation entre le bois et les sources d'humidité (DPC aux pieds de colonnes)
- Tolérance pour 1 % de retrait dans le sens du fil pour le bois vert, 0,3 % pour le bois séché au four
Durabilité
Protéger les connexions de l'humidité et de la corrosion :
- Fixations en acier inoxydable pour classe d'utilisation 3 et supérieure
- Plaques d'acier galvanisées à chaud pour connexions extérieures (revêtement minimum 85 μm)
- Voies de drainage pour éviter l'accumulation d'eau aux points de raccordement
- DPM ou DPC entre bois et béton/maçonnerie
Ressources connexes
- Structural Timber Guide — référence complète pour la construction en bois
- Bois de construction structurel C24 — spécifications standard du bois de construction
- Poutres lamellées-collées BSH — bois d'ingénierie pour les assemblages à grande portée
- Résistance au feu du bois — principes de conception au feu pour les structures en bois