Agrégateur de contenus - Articles TFP Agrégateur de contenus - Articles TFP

Return to Full Page

Automatisation de la fabrication des fermes de toit

Michel Bouchard, ing. - CRIQ
Écrire à l'auteur

 

Définitions

La ferme de toit peut être définie comme un assemblage triangulaire qui est composé d'éléments en bois ou métalliques et qui sert à supporter les versants d'une toiture, c'est-à-dire les plans inclinés d'un toit. Chaque ferme est constituée d'un ensemble de pièces de bois assemblées par des connecteurs métalliques à dents. La charpente comporte plusieurs fermes, ce qui permet de répartir le poids du toit tout en lui assurant la rigidité nécessaire pour résister aux pressions extérieures (vent, neige, etc.).

Figure 1 : Exemple d'une ferme de toit typique

Image montrant un exemple d'une ferme de toit typique. Ferme à deux pentes.

Source :  Canadian Wood Truss Association

Matières premières

Comme mentionnées en introduction, les deux matières premières d'une ferme de toit sont le bois et les plaques métalliques.

La plupart des fermes sont fabriquées à partir de bois classé visuellement et mécaniquement. La qualité du bois utilisé dans les membrures extérieures (chevrons et entraits) est du Select Structural, du N 1 et du N 2, alors que pour les membrures d'âme, on peut utiliser du N 2 et même la qualité poteau (Stud). Lorsque les contraintes prévues et les configurations des membrures exigent de plus grandes résistances, on a recours au bois classé mécaniquement (MSR) « Machine Stress Rated », ayant des résistances mécaniques prédéterminées. Les fermes sont fabriquées à partir de bois allant de 38x64 mm jusqu'à 38x286 mm en fonction des charges et de l'espacement de celles-ci. Toutes les fermes utilisées au Canada doivent être fabriquées en utilisant du bois classé par la NLGA (Commission nationale de classification des sciages) auquel on a accordé des propriétés structurales consignées à la norme CSA O86-01 -Règles de calcul aux états limites des charpentes en bois. On trouve cette norme à la fin du « Manuel de calcul des charpentes en bois » publié par le Conseil canadien du bois (C.C.B.).

Aujourd'hui, presque toutes les fermes sont assemblées à l'aide de plaques d'acier galvanisé généralement appelées connecteurs métalliques. Celles-ci sont fabriquées au moyen de poinçonneuses qui enfoncent leurs dents et qui les coupent aux dimensions voulues. Les plaques métalliques transmettent les charges entre les pièces de bois adjacentes grâce à leurs dents. La résistance du connecteur dépend de celle à l'arrachement des dents et de la capacité en tension de l'acier. Le connecteur ne doit pas être déformé pendant son installation et la pénétration minimum des dents dans le bois doit être contrôlée par le personnel responsable du contrôle de la qualité du fabricant. Chaque connecteur doit être enfoncé dans le bois au moyen d'une presse hydraulique ou à rouleaux spéciale, de façon à ce que les différentes forces transmises dans la plaque respectent celles publiées dans les rapports du CCMC (Centre canadien de matériaux de construction).  

Au Canada, les connecteurs métalliques sont généralement fabriqués à partir de tôles en acier de calibre 16, 18 ou 20 (calibre É.-U.) de la qualité minimale prescrite dans l'édition 2001 de la norme CSA O86-01 - Règles de calcul aux états limites des charpentes en bois. Afin d'obtenir l'approbation d'utiliser les plaques de connexion, ces dernières doivent être éprouvées conformément aux exigences de la norme CSA S347-M1980 Method of Test for Evaluation of Truss Plates Used in Lumber Joints. La largeur des plaques peut varier entre 25 mm (1 po) et 300 mm (12 po) et la longueur peut atteindre 600 mm (2 pi) ou plus. Le poinçonnage produit des dents dont la longueur fluctue entre 6 mm (1/4 po) et 25 mm (1 po). On fournit, à l'occasion, des plaques à clous afin de permettre au constructeur de réaliser certains assemblages sur le chantier. Ainsi, on utilise de telles plaques pour réunir différents ensembles d'une ferme qui ont été préfabriqués partiellement en usine.

Photo 1 :  Exemples de plaques métalliques de connexion

 

image 1  montrant un exemples de plaques métalliques de connexion.

image 2 montrant un exemples de plaques métalliques de connexion.

Source : L'Association canadienne des fabricants de fermes de bois

Le calcul d'une ferme pour une portée donnée dépend des charges, de sa forme, de son espacement, de sa hauteur (profondeur), de l'essence de bois et de sa résistance mécanique, de même que des connecteurs métalliques utilisés. Les fermes de toit peuvent atteindre 20 m et jusqu'à 26 m dans les régions ayant une faible charge de neige. La portée d'une ferme dépend du type de bâtiment, de la charge, de l'espacement et de la configuration. Des normes existent et elles sont appuyées par des logiciels très souvent fournis par le fabricant de plaques métalliques. Les profils des fermes sont presque illimités, ce qui permet d'obtenir des toits distinctifs. 

Étapes de fabrication

Le logiciel de calcul des fermes de toit fournit des directives de fabrication qui indiquent le choix et les dimensions exactes de toutes les membrures utilisées, ainsi que la nature, les dimensions et l'emplacement des plaques de connexion. On monte un gabarit pour chacune des configurations afin de s'assurer que toutes les fermes d'une même série ont des dimensions identiques. Les différentes membrures sciées aux bonnes dimensions · (voir figure page suivante) sont alors placées dans le gabarit ¸ qui est installé soit sur le plancher ou sur une table de montage. Le schéma de la liste de sciage montre le profil de la ferme et donne les renseignements suivants :

  • les dimensions générales de la ferme;

  • l'emplacement de tous les appuis;

  • les dimensions et qualités des membrures d'âme et principales;

  •  la nature et les dimensions des plaques ainsi que l'emplacement de chacun des joints.

Les membrures sont assemblées ¹ au moyen des connecteurs ou plaques de métal qui transmettent les contraintes de cisaillement, de compression et de tension. Des plaques identiques sont placées directement à l'opposé l'une de l'autre, puis enfoncées dans les membrures de bois à l'aide de presses hydrauliques ou à rouleaux º ou encore d'un outil manuel. 

La figure ci-dessous illustre les principales étapes de fabrication des fermes de toit.

figure qui illustre les principales étapes de fabrication des fermes de toit. Source Canadian Wood Truss association.

Lorsque les membrures et connecteurs sont passés entre les mâchoires des presses », on vérifie les dimensions de la ferme, les espaces entre les joints, l'essence et la dimension des membrures, la grosseur des plaques, ainsi que l'enfoncement des dents, puis on les entrepose ¼. Lorsque la fabrication est terminée, ces dernières sont attachées ensemble puis entreposées dans l'attente de leur expédition.

 

Équipements

 

Les équipements retrouvés dans une usine très automatisée, qui soit dit en passant est sans papier (paperless), sont tout d'abord des scies complètement informatisées et automatisées, y compris leur alimentation en bois. La mesure, le marquage et la coupe sont effectués à l'aide de ces scies. Puis, on retrouve des tables de montage ou d'assemblage automatisées, c'est-à-dire que les butées ou rondelles (pucks) se déplacent automatiquement aux bons endroits, en fonction de la forme, des composants et des dimensions de la ferme de toit à fabriquer. Évidemment, on peut compter sur un logiciel de conception, sur un système de projection au laser, etc. Tous les autres équipements, incluant les presses, sont plus automatisés. Il n'y a qu'un seul fabricant québécois d'équipements automatisés pour la fabrication des fermes de toit. Il s'agit de Soudure Gi-Mar inc., de Sainte-Marie en Beauce.

Par ailleurs, une entreprise américaine 1 , de Sorrento en Floride, a annoncé récemment (en août 2007) qu'elle avait conclu une entente avec Pro-Build Holdings Inc., de Denver au Colorado, pour la construction de la toute première usine complètement robotisée de fabrication de fermes de toit. Toutes les étapes seront entièrement automatiques, qu'il s'agisse de la coupe des composants, de la manutention des matériaux, de la fabrication comme telle ou encore de l'empilage. Cette usine devait être implantée dans le sud-est des États-Unis et opérationnelle au cours du deuxième trimestre de 2008. La figure suivante illustre le fonctionnement et l'organisation spatiale des équipements de ce type d'usine.

 

Usine robotisée

 

Image représentant le plan d'une usine robotisée.

Dans le cas de cette usine robotisée, on parle d'un investissement en équipements de 3 500 000 $. Avec une production d'environ 22 000 pmp par quart de travail (10 à 12 millions de pmp par année) c'est suffisant pour récupérer cet investissement en un peu plus de 2 ans (2 ¼ ans). Cette usine complètement robotisée peut fonctionner avec cinq employés uniquement. C'est pourquoi on parle d'une économie en salaires d'environ 1,5 million de dollars par année (sur la base de deux quarts de travail de 8 heures par jour, à un salaire horaire de 18,60 $).

Évidemment, pour une usine de cette nature, les pertes de matière (essentiellement le bois) sont réduites au maximum, la qualité est de très haut niveau et surtout elle est constante d'une ferme de toit à une autre et la précision des assemblages est incomparable. Il n'y a pratiquement plus de blessures et d'accidents de travail, ce qui peut avoir une influence certaine sur les coûts d'assurances. Finalement, il n'y a presque plus de pertes de temps et donc les livraisons aux clients peuvent se faire sans délai ou dépassement d'échéancier et de coûts. De plus, les temps d'ajustement (set-up) sont réduits au maximum et l'usine très automatisée peut fabriquer n'importe quelle ferme de toit, y compris celles qui sont très complexes, avec une facilité déconcertante.

 

Conclusion

 

De nouveaux équipements, de plus en plus sophistiqués et automatisés, ont fait leur apparition sur le marché. La tendance va vers la robotisation de plusieurs étapes de fabrication, si ce n'est de l'ensemble du processus.

Dans un avenir plus ou moins rapproché, les entreprises n'auront d'autre choix que de s'automatiser davantage. Les raisons qui militent en faveur de l'automatisation accrue sont nombreuses. Il y a le manque de main-d'¿uvre qui est de plus en plus chronique, le besoin d'une plus grande précision et celui de fabriquer des fermes de dimensions et de formes ou profils de plus en plus variés et complexes (plus de sur mesure également).

1 TCT Manufacturing, Inc.