1 - Fonction des pannes
1-1 Fonction de base
La fonction première des pannes de toiture est d'assurer le transfert des actions appliquées à la couverture d'un bâtiment, à sa structure principale. Les lisses jouent le même rôle en façades. Pannes et lisses sont des constituants importants de la structure secondaire du bâtiment.
Il convient de noter que, dans bon nombre de bâtiments à structure en acier, à simple rez-de-chaussée, le poids des pannes et lisses constitue un élément non négligeable du poids global de la structure (15 à 20%); s'abstenir de l'optimiser peut faire perdre un marché dans un contexte très concurrentiel.
La conception de l'empannage d'un bâtiment est réalisée en fonction du type de couverture portée. La nature de la couverture a notamment une incidence directe sur l'espacement des pannes ; elle détermine également sur quelle interaction panne-couverture on peut compter pour le dimensionnement des pannes (voir article 3 - même dossier).
Un empannage comprend non seulement les pannes elles-mêmes (voir les différents types à l'article 2 - même dossier), mais également les éventuelles éclisses qui réalisent la continuité des pannes (voir article 4 même dossier), les échantignoles qui assurent la liaison entre pannes et structure principale (voir article 5 - même dossier), les liernes et bretelles éventuelles qui sont chargées du maintien latéral des pannes (voir article 6 - même dossier).
Les charges à considérer (voir développement les concernant dans l'article 7 du même dossier) sont principalement :
- le poids propre de la couverture, des pannes et de leurs accessoires,
- le poids propre des éventuels équipements portés en toiture,
- les charges d'exploitation suspendues en intérieur (ex. : réseau sprinkler, éclairage.),
- la charge d'entretien en toiture,
- la neige,
- le vent.
Sous charges gravitaires ( poids propre, neige, entretien...), la panne est soumise à une flexion suivant la grande inertie de sa section, et à une flexion latérale de sa semelle supérieure (là où la charge est transmise) qui se développe ou non en fonction du rôle joué par la couverture.
Sous charges perpendiculaires au versant (vent, charges ascendantes ou descendantes), la panne est soumise à une fonction suivant la grande inertie de sa section.
fig 1. Chargement d'une panne
Nota : Sur la figure fig.1 ci-dessus, la panne est représentée avec l'âme perpendiculaire au versant, ce qui est presque toujours le cas. Il est très rare que les pannes soient mises en oeuvre avec leur âme verticale : cela conduirait à devoir poser la couverture sur cales biaises.
1-2 Pannes butons
En plus de la fonction principale décrite ci-dessus, on peut attribuer aux pannes la fonction de transmettre les actions de vent depuis la tête des potelets de pignon jusqu'à la poutre-au-vent de toiture (si cette poutre-au-vent n'est pas située dans la travée adjacente au pignon) : voir la figure 2.
En plus de la flexion résultant de leur fonction principale, les pannes sont alors soumises à un effort normal, soit de compression, soit de traction, éventuellement excentré.
fig 2. Toiture d'un bâtiment - vue en plan
Base rectangulaire, couverture à deux versants, points bas en files A et B (long pans) faîtage à mi distance de A et B
Sur la figure 2 ci-dessus, les forces représentées sont les actions exercées, sous l'effet du vent, par les potelets structurant le pignon de la file 1 et qui s'appuient en tête sur certaines pannes. Sous l'effet de ces forces, les pannes jouant le rôle de buton, qui sont dessinées en bleu et repérées B, sont comprimées. Les pannes qui jouent le rôle de montant de la poutre-au-vent de toiture sont dessinées en rouge et repérées M.
Il convient de noter que, sous l'effet du même vent (même direction et même sens), les potelets structurant le pignon file 8 (sous le vent) exercent des efforts de traction sur les pannes sur lesquelles ils s'appuient : cet effet n'est pas représenté sur la fig.2 mais il se cumule à l'effet représenté, notamment pour le calcul de la poutre-au-vent.
On note encore qu'au faîtage, à mi-distance entre les files A et B, la panne est doublée : une panne faîtière en haut de chaque versant constitue la disposition courante qui permet la meilleure pose possible de la couverture.
Si on veut éviter d'ajouter la fonction de buton à la fonction principale des pannes, on peut disposer entre les têtes de potelets de pignon et la poutre-au-vent, des butons indépendants (voir figure fig 3).
fig 3. Transmission avec ou sans panne - buton
1- 3 Pannes montants de poutres au vent
On peut également attribuer aux pannes la fonction de montant de la poutre-au-vent de toiture : voir sur la figure.2, les pannes montants de la poutre-au-vent de toiture repérées M et dessinées en rouge. Ces pannes peuvent alors être fortement comprimées dans le fonctionnement de la poutre-au-vent : les diagonales disposées en croix de Saint-André sont en général dimensionnées pour ne résister qu'à la traction et les montants sont, de ce fait, comprimés.
Comme pour la fonction « buton », si on veut éviter d'attribuer la fonction montant de poutre-au-vent aux pannes, on peut disposer des éléments indépendants (souvent des tubes) pour assurer cette fonction, notamment lorsque les efforts de compression dans les montants de poutre-au-vent deviennent importants (région à vent fort, poutre-au-vent de grande portée).
1 - 4 Stabilisation des éléments de la structure principale
On attribue aussi fréquemment aux pannes de toiture d'un bâtiment la fonction d'apporter une stabilité latérale aux éléments de la structure principale qui les reçoit (traverse de portique, par exemple).
Les pannes peuvent stabiliser la semelle de la traverse de portique (ou la membrure de la traverse-treillis) sur laquelle elles sont attachées (en général la semelle supérieure pour un portique intérieur au bâtiment). On peut considérer comme points de maintien toutes les pannes butées sur la poutre-au-vent de toiture ; pour considérer les autres pannes comme des points de maintien, il faut pouvoir considérer la couverture comme un diaphragme.
On peut aussi utiliser les pannes pour stabiliser la semelle opposée de la traverse de portique (ou la membrure opposée de la traverse-treillis) : on met alors en place des bracons comme montré sur la figure fig.4.
Bracon d'un seul côté : il ne crée pas un appui supplémentaire pour la panne; le schéma statique n'est pas modifié. La panne subit un effort de stabilisation de la semelle tenue.
Bracons de part et d'autres de la traverse maintenue latéralement : ils créent des appuis supplémentaires pour la panne. On parle de " pannes braconnées".
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