Ossature : définition et usages

Ce qu'est une ossature, et la frontière avec le reste du bâtiment

L'ossature désigne l'ensemble des éléments porteurs d'une construction, ceux qui reprennent les charges et les acheminent jusqu'au sol. Elle joue pour un bâtiment le rôle que le squelette tient pour un corps, et la comparaison est exacte sur un point décisif. Retirer un os interdit de tenir debout, retirer une cloison ne fait que modifier la distribution des pièces.

Cette frontière commande toute la conception. Un poteau, une poutre, un mur porteur, un plancher et un contreventement font partie de la structure. Une cloison de distribution, un bardage, une menuiserie et un doublage relèvent de l'enveloppe ou du second œuvre. La conséquence est immédiate en réhabilitation, où l'abattage d'un mur exige de savoir dans quelle catégorie il se range, et où une erreur de lecture se paie par un affaissement.

Les efforts que l'ensemble doit encaisser ne se ressemblent pas. Les charges permanentes, qui rassemblent le poids propre de la structure et des matériaux rapportés. Les charges d'exploitation, liées à l'usage, avec des valeurs réglementaires allant de 150 kilogrammes par mètre carré en logement à 500 et au-delà en local industriel. Les actions climatiques et accidentelles enfin, neige, vent et séisme, qui sollicitent le bâtiment horizontalement et non plus seulement vers le bas. Le vent est celui que l'on sous-estime le plus, une façade de 300 mètres carrés pouvant recevoir plusieurs dizaines de tonnes d'effort horizontal lors d'une tempête. En zone très exposée, la pression de calcul est près de 3 fois supérieure à celle retenue à l'intérieur des terres.

Les grandes familles d'ossature, avantages et coûts comparés

Le choix du système porteur engage les coûts, le délai, la portée atteignable et le comportement thermique de l'ouvrage. Il pèse pour 20 à 30 % du montant des travaux. Quatre familles se partagent la construction courante, et chacune permet une gamme de portées différente. Le tableau des points forts se lit surtout à l'usage, selon qu'il faut construire vite, franchir loin ou porter lourd.

• L'ossature en béton armé, poteaux et poutres coulés en place ou préfabriqués. Elle offre une grande liberté de forme, une bonne inertie thermique et une résistance au feu intrinsèque, au prix d'un poids élevé et de délais de séchage. Les règles de dimensionnement historiques sont exposées dans béton armé, règles BAEL, ossatures et éléments courants.
• L'ossature métallique, profilés en acier assemblés par boulonnage ou soudage. Elle atteint les grandes portées avec des sections faibles, se monte vite et à sec, mais exige une protection contre le feu et contre la corrosion. Sa vérification sous efforts est traitée dans sécurité sous les efforts appliqués aux ossatures en acier.
• L'ossature en bois, montants verticaux et lisses horizontales entre lesquels se loge l'isolation. C'est le système le plus léger, près de 5 fois moins lourd qu'une maçonnerie à performance égale, et le plus favorable au bilan carbone, avec un chantier sec dont le gros œuvre est raccourci d'environ 30 %, décrit de bout en bout dans maison à ossature bois, présentation.
• La construction mixte acier-béton, qui fait travailler ensemble un profilé métallique et une dalle de béton connectés mécaniquement. Le calcul de ces ossatures figure dans construction mixte acier-béton, calcul des ossatures mixtes.

La maçonnerie porteuse traditionnelle, où les murs assurent eux-mêmes la reprise des charges sans poteaux, reste le procédé le plus utilisé en maison individuelle, la construction bois représentant environ 10 % du neuf en France. Elle limite les ouvertures et les portées, puisque chaque percement affaiblit un élément structurel, et supporte mal les efforts horizontaux d'un séisme.

L'ossature bois, principes de mise en œuvre

Le système repose sur des montants verticaux espacés de 40 à 60 centimètres, généralement de section 45 par 145 millimètres, fixés entre une lisse basse et une lisse haute. L'ensemble forme un cadre que l'on rigidifie par un panneau de contreventement cloué sur une face, contreplaqué ou panneau de particules orienté. Sans ce voile, le cadre se déforme en parallélogramme sous l'effet du vent.

L'intérêt du procédé tient à un point que la maçonnerie ne peut pas offrir. L'isolation se loge dans l'épaisseur même de la structure, entre les montants, au lieu de s'ajouter par-dessus. À performance thermique égale, la paroi est plus mince de 10 à 15 centimètres, soit près de 5 % de surface habitable gagnée sur une même emprise pour une maison de 100 mètres carrés. C'est l'un des avantages que la maçonnerie ne peut pas rattraper. Le pont thermique subsistant au droit des montants se traite par une isolation complémentaire continue côté extérieur. Le procédé se prête aussi bien à la surélévation qu'à l'extension d'un bâti existant, par exemple pour ajouter un niveau sans reprendre les fondations, la charge apportée restant faible.

La mise en œuvre est détaillée par étapes dans la base documentaire, de la structure à la charpente, des panneaux structurels aux matériaux pour la construction en bois et jusqu'au second œuvre et à la peau extérieure. La peau rapportée sur une structure porteuse maçonnée obéit à d'autres règles, exposées dans bardages rapportés sur structures porteuses.

Contreventement et tenue au séisme, le volet horizontal

Une ossature dimensionnée pour les seules charges verticales s'effondre latéralement. Le contreventement rassemble les dispositions qui l'en empêchent.

• Les palées triangulées, diagonales métalliques ou croix de Saint-André, qui transforment un cadre déformable en triangles indéformables.
• Les voiles, murs pleins en béton ou panneaux bois cloués, qui travaillent en cisaillement dans leur plan.
• Les portiques à nœuds rigides, où l'encastrement des poutres sur les poteaux reprend le moment de flexion sans nécessiter de diagonale. C'est la solution retenue quand les produits de remplissage doivent laisser la façade entièrement vitrée.

Le séisme change la nature du problème, puisqu'il n'applique pas une force mais impose un déplacement au pied du bâtiment. Le dimensionnement ne vise plus la rigidité maximale mais la ductilité, la capacité à se déformer beaucoup en dissipant de l'énergie sans rompre. Une structure trop raide attire les efforts et casse net, une structure ductile plie et tient. L'Eurocode 8 fixe ce cadre, décliné pour l'acier dans constructions parasismiques en acier et pour le mixte dans constructions parasismiques mixtes acier-béton. Le bois y tire un avantage naturel de sa légèreté, les forces d'inertie étant proportionnelles à la masse mise en mouvement.