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
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
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.
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
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’œuvre 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.
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