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Développement des structures composites bois-béton avec emphase sur le comportement de la connexion

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

Développement des structures composites bois-béton

avec emphase sur le comportement de la connexion

Mémoire

Nicolas Naud

Maîtrise en génie civil

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

(2)

Développement des structures composites bois-béton

avec emphase sur le comportement de la connexion

Mémoire

Nicolas Naud

Sous la direction de :

Luca Sorelli, directeur de recherche

(3)

iii

Résumé

Les charpentes de bois sont une alternative très intéressante pour la construction de bâtiments multi-étages. Grâce à sa faible empreinte écologique, ses excellentes propriétés mécaniques et l’esthétisme de son produit fini, le bois est un matériau incontournable. En y ajoutant une mince dalle de béton collaborant, on permet de réduire considérablement l’épaisseur et le poids des planchers tout en respectant les critères de conception. Pour ce faire, le transfert des charges de la dalle de béton à la poutre de bois doit passer par les connecteurs. Différents types de connecteurs permettent ce transfert. Néanmoins, il est difficile de garantir un comportement rigide en service et une rupture ductile de la poutre. La ductilité du connecteur est un indicatif de l’aptitude de la structure à dissiper de l’énergie. Dans ce mémoire, le comportement d’un nouveau connecteur composite coulé en place sera décortiqué. Ce connecteur en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) et contenant un cœur en acier permet de garantir la rigidité et la ductilité. L’objectif de cette recherche est de vérifier et de valider le comportement du connecteur composite en variant les différents paramètres géométriques, soit le diamètre et la longueur. De plus, afin de confirmer la performance du nouveau connecteur, un essai de flexion sera réalisé sur des poutres de plancher type en comparaison avec un autre type de connecteur. Ces essais en laboratoire seront également validés à l’aide de méthode de calcul simple et plus complexe permettant de vérifier le comportement structural en service et à l’ultime. Finalement, ce mémoire explore le comportement d’une mince dalle de BFUP connectée à une poutre de bois lamellé-collé (BLC) d’une portée de 9 m. Les poutres composites bois-béton ont été conçues avec une approche multicritère simplifiée. Les résultats confirment le potentiel prometteur, en termes de poids et d’épaisseur globale, de l’utilisation du BFUP dans les futurs projets de bâtiment multi-étages.

(4)

iv

Abstract

Timber framing is a very attractive alternative for the construction of multistory buildings. Thanks to its low ecological footprint, its excellent mechanical properties and the aesthetics of finished product. By adding a thin concerted concrete slab, the thickness and weight of the floors can be considerably reduced while respecting the design criteria. In order to succeed, the load must be transferred from the concrete slab to the timber beam by the shear connectors. Different types of connectors allow this transfer. Nevertheless, it is difficult to guarantee good stiffness in serviceability and ductile behaviour before the collapse of the structure. Ductility is an indicator of the ability of the structure to dissipate energy. In this master thesis, the behaviour of a new cast-in-place composite connector will be discussed. This ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) with a steel core ensures stiffness and ductility. The aim of this research is to verify and validate the behaviour of the composite connector by varying the different geometric parameters, namely the diameter and the length. Furthermore, in order to confirm the performance of the new connector, a bending test will be carried out on typical floor beams in comparison with another shear connector. These laboratory tests will also be validated using a simple and complex calculation method to verify the structural behaviour in both Serviceability Limit States (SLS) and Ultimate Limit States (ULS). Finally, this thesis explores the behaviour of a thin slab of UHPFRC connected to a glued laminated timber (GLT) with a long span of 9 m. The TCC beams were designed with a simplified multi-criteria approach. The results confirm the promising potentials, in terms of weight and overall thickness, of using UHPFRC thin slab for future TCC multistory buildings.

(5)

v

Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... iv

Table des matières ... v

Liste des tableaux... viii

Liste des figures ... ix

Remerciements ... xiv

Avant-propos ... xv

Chapitre 1 ... 1

Introduction ... 1

1.1 Contexte et problématique industrielle ... 1

1.2 Objectif du mémoire ... 3 1.3 Organisation du mémoire ... 4

Chapitre 2 ... 5

Synthèse bibliographique ... 5

2.1 Historique ... 5 2.2 Action Composite ... 8 2.3 Systèmes de connexion ... 9 2.3.1 Connecteurs ponctuels ... 11 2.3.2 Connecteurs continus ... 17 2.3.3 Entailles ... 18 2.3.4 Colles ... 20 2.3.5 Autres ... 21

2.4 Propriétés des matériaux ... 22

2.4.1 Béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) ... 22

2.4.2 Bois lamellé-collé (BLC) ... 27

(6)

vi

2.5.1 La méthode Gamma (γ) de l’Eurocode 5. ... 32

2.5.2 Le modèle « Frozen Shear Force » ... 34

2.5.3 Le modèle « Elasto-Plastic » ... 36

2.6 Conclusion ... 39

Chapitre 3 ... 40

Characterization and design of a new connector for timber-concrete composite structures .. 40

Résumé ... 40

Abstract ... 41

3.1 Introduction ... 42

3.2 Materials and Methods ... 44

3.2.1 Materials ... 44

3.2.2 Sample preparations ... 45

3.2.3 Test set-up ... 45

3.2.4 Background on the Winkler’s model of the shear behaviour of a stud connection ... 46

3.2.5 Embedment tests to characterize the wood foundation ... 48

3.3 Test results ... 48

3.4 Modeling and discussion ... 49

3.4.1 Adapted Winkler’s model for the shear behaviour of the composite connection ... 49

3.4.2 Analysis of experimental and predicted results ... 52

3.5 Discussion and proposition of a simplified formula ... 55

3.5.1 Effect of the composite connector diameters on the connection stiffness and strength ... 56

3.5.2 Simplified formula for connection stiffness and strength ... 57

3.6 Conclusion ... 59

Acknowledgements ... 60

Chapitre 4 ... 61

New UHPC-timber composite floor systems for multistory buildings ... 61

Résumé ... 61

Abstract ... 62

4.1 Introduction ... 63

4.2 Materials and Methods ... 64

4.2.1 Background on existing methods for analyzing the structural behaviour of a TCC structure. ... 64

4.2.2 Multi-criteria design approach ... 68

(7)

vii

4.2.4 Test set-up ... 73

4.3 Results and Discussions ... 76

4.3.1 Connector shear behaviour ... 76

4.3.2 Multi-criteria design of TCC beams ... 77

4.3.3 TCC beam results ... 78 4.4 Concluding remarks ... 84 Acknowledgements ... 85

Chapitre 5 ... 86

Conclusions et perspectives ... 86

5.1 Conclusions générales ... 86 5.2 Perspectives de recherche ... 87

Bibliographie ... 88

(8)

viii

Liste des tableaux

Tableau 2.1 : Composition typique du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [36] ... 23 Tableau 2.2 : Propriétés typiques du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [36] ... 24 Tableau 2.3 : Ratio résistance mécanique / masse volumique des matériaux de construction [49] ... 30 Tableau 2.4 : Classes de contrainte du bois lamellé-collé [50] ... 30 Tableau 2.5 : Résistances prévues et autres propriétés [51] ... 31 Table 3.1: Average mechanical properties of the materials used for the shear test. (The units are in MPa) ... 45 Table 3.2: Shear test results: mean values and CoV (in parentheses) ... 49 Table 3.3: Experimental results and predictions with Gelfi’s method and Winkler’s model ... 55 Table 4.1: Average mechanical properties of the materials used for the bending test. (Values are in MPa) ... 72 Table 4.2: Average results of the hammer impact test. (Predicted results in parentheses) ... 79

(9)

ix

Liste des figures

Figure 1.1 : Représentation du comportement ductile d’un système ... 3

Figure 2.1 : Pont Vihantasalmi, Finlande [7] ... 6

Figure 2.2 : Pont à Lohmar Schiffarth, Allemagne [8] ... 7

Figure 2.3: Earth Sciences Building, Canada [9] ... 7

Figure 2.4 : Degrés d’action composite ... 9

Figure 2.5 : Effort de cisaillement selon le glissement (V-s) pour différents types de connexion [11]. 10 Figure 2.6 : Différents types de vis et clous testés par Ahmadi and Saka [17] ... 11

Figure 2.7 : Comportement charge-glissement des vis testés par Symons, et al. [18] ... 12

Figure 2.8 : Comparaison des résultats expérimentaux et théoriques [23] ... 13

Figure 2.9 : Tecnaria et relation charge-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [24] ... 14

Figure 2.10 : Différents types de connecteur ‘’Hilti’’ [25] ... 15

Figure 2.11 : Relation charge-glissement des différents connecteurs ‘’Hilti’’ [25] ... 15

Figure 2.12 : Brevet d’invention de Welch [26]... 16

Figure 2.13 : Croquis d’une poutre avec plaques cloutées et relation force-glissement de différents connecteurs [28] ... 16

Figure 2.14 : Connecteur HBV et relation force-glissement, V-s, de la connexion [29] ... 17

Figure 2.15 : Relation force-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [30] ... 18

Figure 2.16 : Quelques exemples d’entailles pour les structures bois-béton composite ... 19

Figure 2.17 : Entaille et relation force-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [31] ... 19

Figure 2.18 : Schéma des poutres testés [31]... 20

Figure 2.19 : Relation force-glissement des résultats expérimentaux [31] ... 20

(10)

x

Figure 2.21 : Quelques exemples de connexions pour les structures bois-béton composite ... 21

Figure 2.22 : Quelques réalisations structuraux en BFUP [37-40] ... 24

Figure 2.23 : Résistance en compression d’un BSI® et loi de Popovics pour un BFUP [41, 42] ... 26

Figure 2.24 : Comportement en traction des BRF, adaptée de [43] ... 27

Figure 2.25 : Structure de l’arbre ... 28

Figure 2.26 : Quelques réalisations en bois lamellé-collé [45-48] ... 29

Figure 2.27 : Répartition des contraintes dans une poutre partiellement composite en bois-béton ... 34

Figure 2.28 : Modèle « Frozen Shear Force » [28, 55] ... 35

Figure 2.29 : Diagramme des contraintes d’une poutre composite bois-béton adaptée de [22] ... 37

Figure 3.1: Load vs. Slip curves of various connections after [72] ... 43

Figure 3.2: Geometry of the composite connector ... 44

Figure 3.3: Shear test set-up ... 46

Figure 3.4: Timber-concrete stud connection model (after [23]) based on the Winkler’s foundation model ... 47

Figure 3.5: Embedment test set-up ... 48

Figure 3.6: Material laws of UHPFRC ... 50

Figure 3.7: Bending test on UHPFRC beams ... 51

Figure 3.8: Steel threaded bar material law after [73] ... 51

Figure 3.9: Experimental load-slip curves of the wood embedment tests ... 53

Figure 3.10: Experimental and simulated results of shear tests for dc = 25 mm and ds = 4 mm ... 53

Figure 3.11: Experimental and simulated results of shear tests for dc = 38 mm and dc = 50 mm ... 54

Figure 3.12: Average experimental results of all tested connectors ... 55

Figure 3.13: Vmax vs. ds curves with the same dc ... 56

(11)

xi

Figure 3.15: Experimental results and predictions of the slip modulus, ks... 59

Figure 4.1: Qualitative representation of the (a) shear law in terms of shear load vs. slip, V-s and (b) the structural response in terms of the load-deflection assumed by the considered methods. ... 68

Figure 4.2: TCC beams with (a) UL connectors and (b) HBV connectors with indication of the position and geometrical configuration ... 73

Figure 4.3: Tested TCC beams prior, after the concrete pouring and during testing: (a) wood molds; (b) TCC beam after UHPFRC pouring; (c) flexural test. ... 73

Figure 4.4: Shear test set-up: (a) photo of the shear test; (b) Top and lateral views of the shear test set-up (units are in mm) ... 74

Figure 4.5: Bending test set-up with 4 loading points ... 75

Figure 4.6: Bending test procedure and loading time history ... 75

Figure 4.7: Comparison between the experimental results of shear tests (V-s) for both (a) UL and (b) HBV shear connector ... 77

Figure 4.8: Optimization results ... 78

Figure 4.9: (a) Comparison of load-deflection (Q-∆) curves with degree of composite action; (b) photo of the deflection of the UL TCC beam. ... 80

Figure 4.10: Comparison of simulated and experimental load-deflection (Q-∆) curves for both series of tested beams; (a) discrete UL dowel connectors; (b) continuous HBV shear connectors. ... 81

Figure 4.11: Load-slip curves for both UL connector beams ... 82

Figure 4.12: Load-slip curves for both HBV shear connector beams ... 82

Figure 4.13: Failure sequence of the TCC beam (after [82]) ... 83

Figure 4.14: Comparison of different models with the experimental tests of (a) UL discrete dowel connectors and (b) HBV shear continuous connectors. ... 84

(12)

xii À mes parents : Luc et Janic,

ma conjointe : Andréanne et ma fille : Émilie

(13)

xiii La connaissance s’acquiert par l’expérience, tout le reste n’est que de l’information

(14)

xiv

Remerciements

Une maîtrise est un long processus dans lequel l’élaboration du projet de recherche est primordiale à l’atteinte des objectifs du programme, à l’intérieur d’un échéancier réaliste. La réalisation de ce travail n’aurait pas été possible sans la précieuse collaboration de plusieurs personnes. Tout d’abord, mon directeur de programme, Luca Sorelli m’a permis, par sa grande disponibilité, son intérêt pour mes résultats et son support pour la réalisation de mes articles, d’atteindre les objectifs qui m’étaient fixés en début de parcours. J’aimerais également remercier mon codirecteur, Alexander Salenikovich qui a toujours été disponible pour répondre à mes nombreuses questions. Son soutien et ses conseils m’ont été d’une aide formidable tout au long de mon cheminement. J’aurais eu beaucoup plus de difficulté à effectuer cette maîtrise sans l’aide de mon ami et ancien collègue, Samuel Cuerrier Auclair qui m’a fourni son aide et ses compétences théoriques sur le sujet. Samuel a passé beaucoup de temps à m’expliquer les concepts importants et a toujours été disponible, même lorsque je devais l’appeler plusieurs fois par semaine, pour compléter l’écriture de mes articles.

Une grande partie de mon projet de maîtrise s’est effectué en laboratoire. Pour cette raison, je tiens à remercier le spécialiste responsable des laboratoires du centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR), Benoît St-Pierre qui m’a beaucoup aidé à coordonner les divers projets. J’aimerais également remercier les nombreux techniciens du CRMR, Jean Ouellet, Daniel Bourgault, Félix Pedneault et Luc Germain qui grâce à leurs connaissances techniques m’ont beaucoup aidé à confectionner mes échantillons et effectuer mes essais.

Ce projet de recherche n’aurait pas eu lieu sans le soutien financier de la chaire de recherche sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB). Mes remerciements vont également au titulaire de la chaire, Pierre Blanchet et au coordonnateur de la chaire, Pierre Gagné pour toutes les opportunités qu’ils ont su créer pour leurs étudiants.

Finalement, je tiens à remercier ma famille et ma conjointe qui ont su me supporter pendant ce long processus. Merci pour votre patience et pour tous les sacrifices que vous avez fait pour moi. Merci d’avoir toujours été là pour moi, dans les bons moments comme dans les pires. Merci beaucoup.

(15)

xv

Avant-propos

Ce projet de maîtrise fait partie du programme de la chaire de recherche sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB) qui est une plateforme académique multidisciplinaire et intégrée, jumelée à un consortium industriel œuvrant dans le secteur de la construction. Le but de la chaire est de développer des solutions écoresponsables utilisant comme principales ressources le bois pour réduire l’empreinte écologique des bâtiments. La recherche du CIRCERB est concentrée sous trois axes : (i) concevoir, (ii) construire et (iii) opérer. Le présent travail fait partie de l’axe construire sous le thème des systèmes constructifs. Ce projet de maîtrise a été effectué sous la supervision de Luca Sorelli, professeur au département de génie civil et des eaux, et sous la codirection d’Alexander Salenikovich, professeur au département des sciences du bois et de la forêt.

Ce document est présenté sous la forme d’un mémoire par article. On y retrouve dans cet ouvrage deux articles écrits en anglais présentés dans les chapitres 3 et 4, respectivement :

● Article Ι

Nicolas Naud, Luca Sorelli, Alexander Salenikovich et Samuel Cuerrier Auclair (2018).

Characterization and design of a new connector for timber-concrete composite structures, en révision pour publication à la revue Composite Structures.

● Article ΙΙ

Nicolas Naud, Luca Sorelli, Alexander Salenikovich et Samuel Cuerrier Auclair (2018). New

UHPC-timber composite floor systems for multistory building, en révision pour publication à la revue Engineering Structures.

Le premier article traite d’un nouveau connecteur ponctuel coulée-en-place pour les structures composites bois-béton développé par l’Université Laval. Ce connecteur en béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) et contenant un cœur en acier permet de garantir la rigidité et la ductilité. L’objectif de cette recherche est de vérifier et de valider le comportement du connecteur composite en variant les différents paramètres géométriques, soit le diamètre et la longueur. Le deuxième article traite de la conception d’un plancher composite pour les structures composites bois-béton. Le plancher est composé du nouveau connecteur ponctuel coulé en place et est comparé à un autre type de connecteur commercialisé. L’objectif est de valider la conception à l’aide de méthode de calcul simple et complexe permettant de vérifier le comportement structural en service et à l’ultime.

(16)

1

Chapitre 1

Introduction

1.1 Contexte et problématique industrielle

Le secteur de la construction apporte une contribution majeure au niveau des émissions annuelles mondiales de gaz à effet de serre [1]. L’utilisation du bois est une solution qui permettrait de réduire considérablement la production de ces gaz, car le bois est un matériau de construction qui a une empreinte écologique faible tout au long de son cycle de vie et qui peut être utilisé dans pratiquement tous les bâtiments pour stocker du carbone. C’est dans cette optique que la Chaire Industrielle de Recherche en Construction Écoresponsable en Bois (CIRCERB) a vu le jour. Le but de cette plateforme académique est de développer des solutions écoresponsables, qui utilisent le bois pour réduire l’empreinte écologique des bâtiments. Les projets de recherche se concentrent sur trois axes : concevoir, construire et opérer. Plus précisément, le projet de maîtrise suivant se situe dans le thème des systèmes constructifs. L’objectif est de développer et d’établir des techniques efficaces de construction favorisant une faible empreinte environnementale des ouvrages.

Les charpentes de bois sont une alternative très intéressante pour la construction de bâtiments multiétages. Grâce à sa faible empreinte écologique, ses excellentes propriétés mécaniques et l’esthétisme de son produit fini, le bois est un matériau incontournable. En y ajoutant une mince dalle de béton collaborant, on permet de réduire considérablement l’épaisseur et le poids des planchers tout en respectant les critères de conception. Pour ce faire, le transfert des charges de la dalle de béton à la poutre de bois doit passer par les connecteurs. Différents types de connecteurs permettent ce transfert. Néanmoins, il est difficile de garantir un comportement rigide en service et une rupture ductile de la poutre. Le présent projet de maîtrise a été proposé afin de poursuivre le développement de structures composites bois-béton et de mieux comprendre le comportement de la connexion dans ce type de système.

Le comportement de la connexion est un concept important à maîtriser dans les structures composites bois-béton, car la connexion entre la dalle de béton et la poutre de bois contribue fortement à la rigidité flexionnelle, la capacité de charge et la capacité de déformation du système composite. En fait, il y a

(17)

2 trois paramètres clés déterminants à considérer dans le comportement de la connexion : la rigidité, la résistance maximale et la ductilité.

La rigidité : Le degré d’action composite varie proportionnellement avec la rigidité de la connexion.

Lorsque le système n’est pas connecté, l’action composite est nulle. Les deux matériaux travaillent indépendamment l’un de l’autre et les efforts de cisaillement à l’interface ne sont pas transférés. À l’extrême, lorsqu’il y a une infinité de connecteurs rigides qui sont liés aux deux matériaux, l’action composite est parfaite. On observe ce type d’action composite dans les constructions en acier-béton. Les systèmes composites bois-béton se situent entre ces deux limites, car les types de connexions utilisés sont généralement déformables et admettent un glissement d’interface. La différence de rigidité flexionnelle entre les connexions rigides et souples peut être considérable. Ainsi, pour le concepteur, la rigidité de la connexion est un paramètre essentiel déterminant lors de l’évaluation des états limites de service.

La résistance maximale : La résistance maximale de la connexion influence directement la capacité

de charge maximale du système composite. Les connecteurs plus faibles peuvent entraîner une rupture prématurée en service en réduisant considérablement l’action composite et par le fait même la capacité de charge maximale du système. D’autre part, les connecteurs plus robustes permettent de maintenir la connexion dans le domaine élastique en service et améliorent la capacité de charge du système aux états limites ultimes.

La ductilité : Les connecteurs soumis à un effort de cisaillement élevé peuvent atteindre leur

résistance maximale et rompre avant la capacité de charge maximale du système. La ductilité mesure la capacité du connecteur à subir de grande déformation tout en maintenant le niveau de charge avant rupture. Cette propriété est importante, car elle permet de garantir la sécurité des structures aux états limites ultimes. Le bois et le béton sont des matériaux ayant un comportement à la rupture généralement fragile en traction et en flexion. Toutefois, si la connexion peut fournir une ductilité significative, il est possible de concevoir un système qui aura un comportement global ductile avant rupture (Figure 1.1a). La ductilité, Ds,peut se résumer au ratio du glissement à l’état limite ultime sur le glissement à la limite élastique tel qu’illustré à la Figure 1.1b. Selon Racher [2], les joints ayant une ductilité Ds < 3 sont considérés fragiles, ceux avec 3 < Ds < 6 sont considérés semi-ductiles et ceux avec une ductilité Ds > 6 sont considérés ductiles.

(18)

3 Figure 1.1 : Représentation du comportement ductile d’un système

1.2 Objectif du mémoire

L’objectif principal de ce mémoire est de poursuivre le développement des structures composites bois-béton pour la construction de bâtiments multi-étages. Pour y arriver, une attention particulière au comportement de la connexion sera apportée, afin d’assurer une rupture ductile du système composite. Le prototype d’un nouveau connecteur composite cylindrique préfabriqué en béton avec une tige d’acier au centre a été récemment proposé par Auclair [3]. Ce nouveau connecteur ponctuel développé par l’Université Laval à un avenir prometteur, car les résultats préliminaires démontrent une bonne ductilité du connecteur avant rupture. Afin d’approfondir les connaissances sur le comportement de ce nouveau connecteur, l’objectif principal est divisé en six sous catégories :

1. Effectuer une analyse paramétrique expérimentale complète afin d’étudier le comportement du nouveau connecteur en variant les différents paramètres géométriques, soit le diamètre et la longueur.

2. Modéliser le comportement de la connexion avec les différents modèles disponibles dans la littérature.

3. Proposer une équation simple pour prédire la rigidité de la connexion et comparer avec les différents codes et normes existantes.

4. Effectuer une conception multicritère complète sur un plancher résidentiel composite bois-béton typique ayant une portée nette de 9 m.

5. Modéliser le comportement structural global du plancher composite avec les différents modèles disponibles dans la littérature.

(19)

4 6. Comparer le comportement du nouveau connecteur ponctuel avec un connecteur continu

commercialisé, soit le connecteur HBV.

Contrairement au nouveau connecteur composite préfabriqué développé récemment, ce travail étudiera le comportement d’un connecteur coulé en place afin de proposer une méthode de construction rapide et efficace pour la réalisation de joints entre les panneaux de planchers préfabriqués en béton et les poutres de bois. Plus de 110 essais de cisaillement sur petit échantillon et 4 essais de flexion sur poutre de plancher réel ont été effectués.

1.3 Organisation du mémoire

Le matériel contenu dans ce mémoire se décline en cinq chapitres.

Chapitre 1. Introduction, présente un aperçu des concepts de base des structures composites

bois-béton. Le contexte, la problématique industrielle et les objectifs du mémoire y sont présentés.

Chapitre 2. Synthèse bibliographique, présente un survol de l’historique des structures composites

bois-béton. L’interaction entre les différents matériaux et systèmes de connexion bois-béton, les propriétés du béton et du bois, ainsi que quelques méthodes de calcul sont également abordés.

Chapitre 3. Article #1 : Characterization and design of a new connector for timber-concrete composite structures, présente une analyse paramétrique expérimentale afin d’étudier le

comportement de la connexion en faisant varier le diamètre et la longueur du connecteur. Le comportement de la connexion est ensuite modélisé sous la forme d’une poutre appuyée sur un sol de Winkler non linéaire. Enfin, une formule simplifiée pour prédire la rigidité de la connexion est proposée et comparée aux différents codes de conception existants. (Objectif 1, 2 et 3)

Chapitre 4. Article #2 : New UHPC-timber composite floor systems for multistory building,

présente une conception multicritère afin d’améliorer la construction des bâtiments bois-béton à plusieurs étages. Le comportement structural est ensuite modélisé et les résultats sont comparés à différentes méthodes de calcul. Finalement, pour comparer l’effet de deux connecteurs ductiles différents qui ont été récemment développés, quatre essais de flexion sur poutre de dimension réelle seront effectués. (Objectif 4, 5 et 6)

Chapitre 5. Conclusion et perspectives, résument les principaux résultats observés dans les

(20)

5

Chapitre 2

Synthèse bibliographique

2.1 Historique

Les structures composites bois-béton sont apparues vers la fin de la Première Guerre mondiale, suite à une pénurie d’acier d’armature. Müller [4] a présenté le premier système composite formé de clous et de plaques d’acier liant un système de bois à une dalle de béton. En Europe, les applications de ce système étaient principalement liées à la restauration de vieux plancher en bois, par l’ajout d’une mince dalle de béton collaborant. Les vieux systèmes de plancher en bois ne respectaient pas les critères d’aujourd’hui en regard aux déflexions admissibles, à l’isolation au bruit et à la résistance au feu. Les rénovations consistaient en une insertion de connecteurs dans le vieux plancher en bois pour ensuite y couler le béton sur l’ancienne surface. De cette manière, il était possible de rénover des bâtiments historiques de façon rapide et peu couteuse. En Amérique, le marché des applications en bois-béton était beaucoup plus restreint, car les vieux bâtiments en bois qui avaient besoin de rénovations étaient moins abondants qu’en Europe. Néanmoins, la technologie reste très intéressante pour les nouvelles constructions de bâtiment de petite à moyenne taille. L’ajout d’une mince dalle de béton au système de plancher en bois reste très compétitif par rapport aux structures en béton armé [5].

Dans les 50 dernières années, l’intérêt pour les structures composites bois-béton a augmenté considérablement résultant de la construction de plusieurs ponts (États-Unis, Nouvelle-Zélande, Australie, Suisse, Autriche et les pays scandinaves), de la rénovation de bâtiments existants (Europe) et de la construction de nouveaux bâtiments [6].

Le pont de Vihantasalmi (Figure 2.1), qui est situé à 180 km au nord d’Helsinki en Finlande, est un exemple de choix. Ce pont d’une portée nette de 168 m appuyée sur six piliers a été construit pour remplacer un vieux pont à arche en acier. Son tablier comporte une voie carrossable d’une largeur de 11 m et un passage piétonnier et cycliste en porte-à-faux de 3 m. Les portées centrales mesurent 42 mètres tandis que ceux aux extrémités mesurent 21 m. Seules les portées d’extrémités sont des tabliers composites bois-béton. Les portées centrales sont un amalgame de ferme en bois, de poutres longitudinales en BLC et de trust en acier. Le connecteur utilisé pour la partie composite bois-béton du

(21)

6 pont est une entaille avec barres d’armatures collées au bois. Ce pont est également l’un des plus longs au monde utilisant la technique du béton-bois lamellé-collé pour une route nationale. Enfin, les techniques utilisées lors de la construction étaient innovatrices pour les connaissances de cette époque [7].

Figure 2.1 : Pont Vihantasalmi, Finlande [8]

Un autre exemple est le pont, Nordrhein-Westfahlen construit en Allemagne (Figure 2.2) au-dessus de la rivière Agger près de Lohmar Schiffarth. En plus d’avoir un style architectural très intéressant, ce pont d’une longueur de 40 m et d’une largeur de 4.75 m a été construit selon la technique du bois-béton composite à l’aide d’un bois lamellé-collé d’épinette massif. Le connecteur HBV permet de transférer les efforts de cisaillement. Le pont a été surélevé sur ses piliers pour réduire le risque d’endommagement suite à un débordement de la rivière. Les piliers ancrés au roc permettent de diminuer la section au centre de la portée en diminuant le moment maximal. La section de BLC prend donc la forme des efforts engendrés par la circulation routière.

(22)

7 Figure 2.2 : Pont à Lohmar Schiffarth, Allemagne [9]

Finalement, le nouveau pavillon de l’Université de British Columbia (UBC) de Vancouver est un nouveau bâtiment alliant la construction bois et béton de façon innovatrice (Figure 2.3). Ce bâtiment de cinq étages a été construit en 2012 pour remplacer l’ancien pavillon des sciences de la terre. Les planchers composites bois-béton font partie des éléments innovateurs du projet. L’action composite est obtenue à l’aide de plaques d’acier collées avec de l’époxy dans les poutres de bois usinés au préalable. Cet assemblage permet de diminuer de moitié le poids total des planchers comparativement à un plancher de béton et ainsi diminuer les surcharges des fondations et les charges sismiques de conception. Ce bâtiment montre à quel point le bois peut être incorporé de façon efficace et compétitive dans toutes les sphères structurales d’un projet. Comme les industries veulent diminuer leurs empreintes écologiques, le bois reste un matériau de choix pour la construction de bâtiment multiétages [10].

(23)

8

2.2 Action Composite

L’action composite est décrite comme l’interaction produite entre différents matériaux. Elle peut avoir différents degrés selon la rigidité du connecteur, la quantité, l’espacement choisi et les matériaux en interaction. Le connecteur permet de transférer les efforts de cisaillement entre les différents éléments. La performance du système est donc directement liée à l’action composite. Dans le cadre de ce projet, les matériaux utilisés sont la poutre de bois, la dalle de béton et le connecteur.

L’action composite totale se produit lorsque les deux matériaux sont liés de façon parfaitement rigide. Il n’y a donc pas de glissement d’interface et les connecteurs ne se déforment pas. Il y a un seul axe neutre qui se retrouve habituellement près des interfaces. De cette manière, le matériau supérieur travaille principalement en compression et celui inférieur en traction. Les structures composites en acier-béton se rapprochent davantage de l’action composite totale.

L’action composite nulle est obtenue lorsque les matériaux ne sont pas liés. Ils travaillent donc indépendamment l’un de l’autre et le transfert de l’effort de cisaillement est nul. Les matériaux peuvent subir un glissement important à l’interface et la résistance aux efforts est déterminée proportionnellement à la résistance de chaque matériau. Enfin, chaque matériau détient son propre axe neutre qui se situe à son centre de gravité. L’action composite nulle n’est pas intéressante pour le concepteur qui cherche à valoriser les avantages de chaque matériau.

Les structures composites bois-béton se situent entre les deux. On parle donc d’une action composite partielle. Les connexions se déforment et subissent un glissement d’interface. Plus la charge augmente, plus l’action composite diminue et plus le glissement d’interface augmente. L’axe neutre devient deux axes distincts qui tendent à se rapprocher du centre de gravité propre à chaque matériau. La plupart des systèmes bois-béton développent une action composite partielle. Il est donc important de porter une attention particulière à la conception du connecteur. La Figure 2.4 présente les trois degrés d’action composite présentés :

(24)

9 (2.1) Figure 2.4 : Degrés d’action composite

Le choix d’un connecteur efficace est la clé pour obtenir une connexion rigide. L’efficacité de la connexion peut être calculée selon la relation suivante [12].

é =

Où DN est la flèche de la poutre pour une action composite totale théorique, DC est la flèche de la poutre pour une action composite nulle théorique et D1 est la poutre sous une action composite réelle mesurée en laboratoire. La valeur de l’efficacité de la connexion varie de 0 (action composite nulle) à 100 % (action composite totale). La rigidité de la connexion est donc un paramètre déterminant pour la conception d’une structure composite bois-béton. Afin de limiter la flèche en service et d’augmenter la résistance maximale à l’ultime du système, la rigidité du connecteur doit être élevée.

2.3 Systèmes de connexion

Le développement des systèmes de connexion est une partie intégrante des recherches portant sur les structures composites bois-béton. La rigidité du connecteur, ainsi que son comportement à l’ultime déterminent la performance du système. Lorsque les matériaux sont bien connectés, la capacité de charge est fortement augmentée par rapport à un plancher conventionnel construit en bois. La capacité du connecteur à se déformer avant rupture est également un paramètre à considérer, car plus le connecteur est ductile et plus la structure pourra subir de grandes déformations avant effondrement.

(25)

10 La Figure 2.5 (adaptée de Dias [13]) présente le comportement charge-glissement (V-s) de différents types de connexion. Il est clair que le comportement d’une colle n’est pas le même qu’une attache de type goujon. La colle qui est beaucoup plus rigide et résistante suit un comportement presque totalement linéaire avant de rompre de façon fragile après de petites déformations. À l’extrême, les attaches de types goujons ont une faible rigidité et quittent la linéarité rapidement. Ils subissent également de grandes déformations avant rupture. Les entailles, plaques d’acier divers et vis se maintiennent entre les deux. De façon générale, un bon connecteur doit avoir un comportement ductile à l’ultime, sans trop compromettre sa rigidité en service.

Figure 2.5 : Effort de cisaillement selon le glissement (V-s) pour différents types de connexion [13].

Plusieurs types de connexions ont été développés et testés en laboratoire. Les connecteurs peuvent être classés selon cinq familles :

1- Connecteurs ponctuels (goujons, vis, clous, tire-fond, etc.) 2- Connecteurs continus

3- Entailles 4- Colles

(26)

11

2.3.1 Connecteurs ponctuels

2.3.1.1 Vis et clous

Les premiers planchers composites bois-béton ont été développés pour la réparation et la rénovation de bâtiments en bois. Afin d’augmenter la rigidité du plancher et diminuer la déflexion, une mince dalle de béton collaborant était ajoutée au plancher de bois existant. Le transfert des efforts de cisaillement de la dalle de béton aux poutres de bois devait passer par les connecteurs. Les clous et vis étaient utilisés comme connecteurs, car ils étaient faciles à installer, peu couteux à produire, et ne nécessitaient pas de main-d’œuvre qualifiée. Au cours des dernières années, plusieurs essais ont été effectués sur ce type de connecteurs [14-18].

Tout d’abord, Ahmadi and Saka [19] ont vérifié la faisabilité de construire un plancher composite bois-béton avec des connecteurs simples (Figure 2.6) dans le milieu résidentiel et commercial particulièrement dans les endroits où la durabilité est un critère important. Les études expérimentales ont montré que la capacité de charge ultime du système composite proposé est deux fois plus élevée que celui du plancher non composite actuellement utilisé. De plus, ils ont également obtenu une réduction de la flèche en service de 20% par rapport à un plancher en bois standard. Parmi les connecteurs de cisaillement considérés, les clous de type 9 se sont révélés les mieux appropriés lorsque l’on considère les performances et le coût des connecteurs. Les résultats ont démontré qu’une profondeur de 11 fois le diamètre est suffisante. Enfin, les systèmes de plancher composite bois-béton peuvent être améliorés de manière significative en ajoutant simplement des connecteurs appropriés. Cela entraîne une augmentation de la rigidité et de la capacité de charge en plus d’une économie de 50% dans le coût des solives en bois.

(27)

12 Les clous et vis sont des connecteurs qui sont installés majoritairement à la verticale. Ces connecteurs travaillent donc principalement en flexion pour résister au glissement entre le béton et le bois. Cependant, si les connecteurs sont inclinés dans le sens des efforts de cisaillement, ils travailleront en cisaillement et en flexion, ce qui aura pour effet d’augmenter la rigidité de la connexion. Symons, et al. [20] ont proposé un modèle pour calculer le module de glissement de vis inclinées. Le modèle suppose que les vis se comportent comme une poutre appuyée sur deux sols de Winkler. Il tient compte de la longueur et de l’inclinaison du connecteur dans la détermination de la rigidité de la connexion. Les résultats expérimentaux (Figure 2.7) prédisent une rigidité plus élevée des vis inclinées par rapport à des vis positionnées à la verticale.

Figure 2.7 : Comportement charge-glissement des vis testés par Symons, et al. [20]

2.3.1.2 Goujons

Le goujon est un autre type de connecteur ponctuel peu couteux et facile à installer. Plusieurs chercheurs ont utilisé ce type de connecteur dans leurs recherches [13, 21-24]. Gelfi, et al. [25] ont proposé un modèle simple basé sur la théorie de Winkler pour estimer la rigidité de la connexion à l’aide du diamètre, d, de la profondeur de pénétration, lw, et de l’espacement du connecteur, s. La formulation théorique simplifiée (Équations 2.2 et 2.3) rend la conception simple et adaptée aux applications pratiques. Un diamètre de goujon égal à 16 mm, garanti à la fois la rigidité de la connexion, mais également la capacité de charge requise. La Figure 2.8 présente une comparaison des résultats expérimentaux et théoriques.

(28)

13 (2.2) (2.3) = 124000 (4.34 + / ) = 1 + !2"2 # $% = $&/ $%, "# = # /6

Où d est le diamètre du goujon, t est l’espace entre la dalle de béton et la poutre de bois, fhc et fhw sont la résistance à l’enfoncement du béton et du bois respectivement et finalement, fy est la limite élastique du goujon.

Figure 2.8 : Comparaison des résultats expérimentaux et théoriques [25]

2.3.1.3 Autres types de connecteur ponctuel

Plusieurs autres types de connecteurs ponctuels ont été développés dans les dernières années afin d’améliorer le comportement de la connexion. Les petits connecteurs (clous, vis et goujons) s’enfoncent davantage dans le bois, ce qui réduit leur rigidité et résistance maximale. Les connecteurs plus robustes permettent une rupture en cisaillement dans le connecteur ou par fissuration du béton. Fragiacomo, et al. [26] ont effectué une campagne expérimentale sur le connecteur ‘’Tecnaria’’ qui est un connecteur commercialisé en Europe pour les structures bois-béton par la compagnie Tecnaria Ltd. Ce connecteur présenté à la Figure 2.9 est un goujon de 12 mm de diamètre soudé à une mince plaque

(29)

14 de métal 50 X 50 mm. Les coins de cette plaque sont formés de ‘’crampons’’ qui seront enfoncés dans le bois. La connexion entre le bois et le béton est obtenue à l’aide de deux vis d’un diamètre de 8 mm et d’une longueur de 110 mm qui seront visés dans la poutre de bois. 18 essais de cisaillement ont été effectués avec ce type de connecteur à court et long terme sous charge constante et cyclique. Le 5e percentile de la résistance au cisaillement, Fmax, le module de rigidité moyen, ks sont de 28.4 kN et 19,989 kN/mm respectivement. Quelques formules analytiques pour calculer la relation charge-glissement, V-s, et le coefficient de fluage, µ, ont été proposés. Les résultats des essais de cisaillement sont présentés à la Figure 2.9, où LW est pour le béton léger et NW pour le béton standard.

Figure 2.9 : Tecnaria et relation charge-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [26]

Mungwa, et al. [27] ont développé un nouveau connecteur ultra rapide d’installation. Le connecteur ‘’Hilti’’ est essentiellement un cylindre creux ayant une section transversale variable et une paroi fabriquée en utilisant de l’acier traité et galvanisé. La partie noyée dans le béton a un diamètre interne de 22 mm et une profondeur d’environ 35 mm, tandis que celle enfoncée dans le bois a un diamètre interne qui varie de 23.5 à 27.5 mm et une profondeur de 38 mm. L’embout du connecteur est composé de lames dentées pour faciliter la pénétration dans la poutre de bois. Le connecteur est installé dans le bois par une perceuse adaptée. La Figure 2.10 présente le connecteur ‘’Hilti’’ selon différentes géométries et utilisations. Le nouveau connecteur de cisaillement a été soumis à plusieurs essais ‘’push-out’’ et les résultats ont été comparés à plusieurs autres prototypes. Le connecteur ‘’Insa-Hilti’’ démontre une plus grande ductilité et des résultats comparables aux autres connecteurs de cisaillement destinés aux structures composites bois-béton. La Figure 2.11 présente la relation charge-glissement des différents types de connecteurs ‘’Hilti’’.

(30)

15 Figure 2.10 : Différents types de connecteur ‘’Hilti’’ [27]

Figure 2.11 : Relation charge-glissement des différents connecteurs ‘’Hilti’’ [27]

Welch [28] a proposé un connecteur cylindrique métallique tubulaire souple, élastique et compressible avec une fente en spirale s’étendant sur sa longueur pour permettre un glissement relatif entre le bois et le béton. Au moins une extrémité du connecteur est conique et comprend des brides d’extrémité segmentées, inclinées vers l’intérieur, se terminant par un bord d’extrémité circulaire et libre de plus petit diamètre. Les brides permettent de diriger le connecteur aisément dans le trou foré au préalable de la poutre de bois. La Figure 2.12 présente le connecteur, ainsi que son positionnement dans un éventuel plancher en bois-béton.

(31)

16 Figure 2.12 : Brevet d’invention de Welch [28]

Les plaques cloutées ont été testées, en premier lieu, par Girhammar [29] via 50 essais de cisaillement. La force maximale moyenne par plaque cloutée était de 8 kN et le glissement associé de 10 mm. Les plaques cloutées permettaient d’augmenter la résistance maximale et la ductilité sans affecter négativement la rigidité de la connexion. Van der Linden [30] a effectué plusieurs essais de cisaillement sur ce type de connecteur (Figure 2.13). La résistance maximale de 48 kN a été atteinte à un glissement correspondant de 6 mm. Un essai de flexion à 2 points de charge a été effectué sur une poutre de 5.4 m. La charge maximale était de 23 kN par cellule de charge pour une flèche de 80 mm.

Figure 2.13 : Croquis d’une poutre avec plaques cloutées et relation force-glissement de différents connecteurs [30]

(32)

17

2.3.2 Connecteurs continus

Les connecteurs continus sont installés de manière longitudinale sur toute la longueur de la poutre. Ils n’engendrent pas de contrainte locale importante dans le bois et le béton, ce qui leur permet d’être beaucoup plus rigides. De plus, l’action composite de ce type de connexion s’approche de l’action composite totale. Le calcul est donc simplifié, car il n’y a pas de glissement et il est possible d’utiliser la théorie des poutres standards en transformant la poutre mixte en bois équivalent.

Un treillis métallique dont une partie est collée dans le bois (au moins 40 mm) et une autre partie est noyé dans le béton (au moins 50 mm) a été proposé par Bathon and Graf [31]. Ce type de connexion permet d’obtenir une rigidité et une résistance au cisaillement maximale élevée tout en obtenant un comportement ductile intéressant. Ce connecteur est maintenant commercialisé sous le nom de

‘’Holz-Beton-Verbund’’, qui veut dire bois-béton composite. La Figure 2.14 présente le connecteur HBV collé

dans le bois et noyé dans le béton, ainsi que la relation force-glissement, V-s, d’un essai ‘’push-out’’. La rigidité de la connexion et la résistance maximale moyenne sont de 415 kN/mm et 111.62 kN respectivement. La rupture de la connexion se situe dans le treillis métallique à l’interface bois-béton, ce qui rend la connexion beaucoup plus rigide et résistante que lorsque la rupture se situe dans le bois ou le béton.

Figure 2.14 : Connecteur HBV et relation force-glissement, V-s, de la connexion [31]

Lukaszewska, et al. [32] présentent une étude expérimentale sur sept différents types de connecteurs pour les structures composites bois-béton avec dalle de béton préfabriquée. Quatre échantillons de chaque type de connecteur ont été testés en cisaillement jusqu’à rupture. Parmi les connecteurs testés, on y retrouve des plaques d’acier dentées, des tubes d’acier, des plaques d’acier pleines avec entailles et des treillis métalliques. Les échantillons de HBV d’une longueur de 400 mm ont résisté à une charge

(33)

18 de 85 kN en plus d’avoir une rigidité d’environ 500 kN/mm avec un glissement à l’ultime de 4 mm. La Figure 2.15 présente la relation force-glissement, V-s, de tous les connecteurs testés par Lukaszewska, et al. [32]. Le connecteur HBV est identifié par le terme SM sur la figure. Il est possible de constater que la rigidité du connecteur HBV est supérieure à tous les autres types de connecteurs. Le connecteur composé d’un tube en acier, vis et entaille identifié par ST+S+N est le seul qui a une résistance plus élevée que le connecteur HBV. Finalement, même si le connecteur HBV peut paraître moins ductile, sa grande rigidité lui permet d’atteindre un glissement à la limite élastique de seulement 0.2 mm. Pour cette raison, la ductilité du connecteur HBV est nettement supérieure à 6 sur l’échelle de Racher [2].

Figure 2.15 : Relation force-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [32]

2.3.3 Entailles

Les entailles sont des coupes pratiquées en usine dans les poutres de bois qui sont ensuite remplies de béton lors de la coulée. Les entailles peuvent avoir différentes formes (Figure 2.16) et peuvent être renforcées par des clous, vis et goujons. Les progrès des techniques de fabrication dans l’industrie du bois permettent de réaliser des géométries complexes et optimisées des entailles. En plus d’être économique et très facile à réaliser, les entailles sont des connecteurs rigides et résistants. Néanmoins, leur comportement s’avère, pour la plupart, fragile à l’ultime. Les dernières expériences montrent cependant que le bois lamellé-collé présente un comportement ductile significatif en compression, ce qui pourrait s’avérer intéressant pour de potentielles applications futures.

(34)

19 Figure 2.16 : Quelques exemples d’entailles pour les structures bois-béton composite

Selçukoglu and Zwicky [33] ont développé un type d’entaille qui partait du principe que le bois lamellé-collé avait un comportement ductile en compression. Ce nouveau connecteur formé par renforcement à grand-échelle de béton coulée dans la section de bois lamellé-collé permet à la connexion d’atteindre de grande rigidité tout en ayant un comportement ductile à l’ultime. La Figure 2.17 présente ce type d’entaille avec les résultats de l’essai ‘’push-out’’ effectué sur trois types d’entailles à géométrie variable. Les résultats indiquent que les entailles s’avèrent près de 50 fois plus rigides que les goujons conventionnels en acier.

Figure 2.17 : Entaille et relation force-glissement, V-s, des résultats expérimentaux [33]

Le comportement global de la poutre avec entailles a été vérifié sur deux poutres bois-béton d’une longueur de 8 m. En assumant que les éléments sont parfaitement connectés et qu’il n’y a pas de glissement entre les interfaces, un total de dix entailles était nécessaire. Les entailles ont été placées à un intervalle de 80 cm. La Figure 2.18 présente un schéma des poutres testées par Selçukoglu and Zwicky [33]. Les résultats théoriques et expérimentaux confirment que la connexion à entailles

(35)

20 présente une capacité de charge très élevée et un comportement particulièrement rigide (Figure 2.19). Le comportement de la poutre se rapproche de l’action composite totale, jusqu’à plastification du bois en compression. La relation force-glissement, V-s, commence à quitter la linéarité jusqu’à ce qu’il y ait rupture de la poutre de bois en flexion.

Figure 2.18 : Schéma des poutres testés [33]

Figure 2.19 : Relation force-glissement des résultats expérimentaux [33]

2.3.4 Colles

Les connecteurs décrits jusqu’à maintenant sont tous des connecteurs de type mécanique. Il existe cependant un autre type de connexion ayant un potentiel remarquable qui consiste à appliquer une colle à haute résistance sur une partie ou sur toute la surface de la fibre supérieure du bois. Ensuite, avant la prise initiale de l’adhésif, le béton est coulé par-dessus. Les résultats montrent une connexion très rigide qui se rapproche d’une action composite parfaite. Néanmoins, comme il est difficile d’obtenir l’épaisseur de colle adéquate, cette méthode est déconseillée et reste peu utilisée par l’industrie. De plus, ce type de connexion présente une rupture fragile puisqu’il n’y a aucun glissement à l’interface bois-béton.

(36)

21 Schäfers and Seim [34] ont étudié le comportement des constructions composites collées à partir de différents types de bois et de béton fibré à ultra-haute résistance. Les essais expérimentaux montrent que la rupture se produit généralement dans le bois près de la ligne de liaison (Figure 2.20).

Figure 2.20 : Surface de rupture près de la ligne de colle [34]

2.3.5 Autres

Plusieurs autres types de connexion ont été développés dans les dernières années. La plupart de ces connexions sont un mélange des autres familles. Par exemple, on y retrouve des entailles avec vis, clou, goujons ou barres d’acier (Figure 2.21). Ces types de connexion sont généralement plus complexes et couteux à produire. Néanmoins, ils permettent d’atteindre d’excellentes caractéristiques en service et à l’ultime. Quelques auteurs ont étudié leurs comportements [5, 12, 30, 32, 35, 36].

(37)

22

2.4 Propriétés des matériaux

2.4.1 Béton fibré à ultra-haute performance (BFUP)

Le béton est, juste après l’eau potable, le matériau le plus consommé à travers le monde. Environ 30 milliards de tonnes de béton ont été consommées dans le monde en 2006 [37]. Plusieurs types de béton existent selon l’utilisation qu’on souhaite en faire et le développement des technologies. Les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) sont le résultat du progrès dans le secteur des adjuvants, des méthodes de formulation et des ajouts cimentaires. Un BFUP est un béton dont la résistance mécanique en compression et en traction directe est généralement supérieure à 150 et 7 MPa respectivement. De plus, ces bétons sont additionnés de fibres (métalliques, polymères ou minérales), ce qui leur confèrent un comportement ductile. La ductilité est la capacité du matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. Cette propriété ajoutée permet d’éliminer l’usage de cages d’armatures passives traditionnelles.

Quelques avantages des BFUP :

- Résistance en compression à 28 jours compris entre 130 et 250 Mpa, ainsi qu’à la traction comprise entre 7 et 15 Mpa.

- Hautes résistances mécaniques à court terme (24 à 48h) - Excellente ouvrabilité

- Durabilité exceptionnelle - Bonne ductilité

- Retrait et fluage faible - Faible porosité

- Grande résistance à l’abrasion et aux chocs

2.4.1.1 Composition

Le Tableau 2.1 présente la composition typique de différents types de béton : béton ordinaire, béton à hautes performances (BHP) et béton fibrés à ultra-hautes performances (BFUP). Les bétons ordinaires ont un rapport eau sur liant de l’ordre de 0.4 à 0.6. Pour obtenir un BFUP, ce rapport doit être diminué à 0.25 (généralement entre 0.16 et 0.2). Une augmentation de la quantité de liant et de super plastifiant permet d’atteindre des rapports eau sur liant très faible. Les ajouts cimentaires tel la fumée de silice permettent également d’atteindre une grande compacité et ainsi des résistances remarquables. Le

(38)

23 choix des granulats est important. La taille des granulats est limitée et la résistance mécanique doit être élevée. Bien que les résistances soient exceptionnelles, le matériau à un comportement fragile. Pour combler ce défaut, l’ajout de fibres (environ 2 à 3% du mélange) permet d’atteindre une certaine ductilité et ainsi éliminer l’utilisation d’acier d’armature passive dans les constructions.

Tableau 2.1 : Composition typique du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [38]

Composition Béton ordinaire BHP BFUP

Rapport eau/liant 0.4 à 0.6 0.3 à 0.35 0.16 à 0.2 Liant (kg/m3) 300 à 375 350 à 500 700 à 1500 Eau (kg/m3) 140 à 200 140 à 160 160 à 230 Super plastifiant (kg/m3) - 3.5 à 10 10 à 45 Fumée de silice (kg/m3) - 150 à 250 175 à 375 Fibres d’acier (kg/m3) - - 160 à 260 Masse volumique (kg/m3) 2300 2300 2400 à 2600 2.4.1.2 Propriétés mécaniques

Le Tableau 2.2 présente les propriétés mécaniques générales du béton ordinaire, béton à hautes performances (BHP) et béton fibrés à ultra-hautes performances (BFUP). La résistance en compression unidirectionnelle, ainsi que le module élastique sont des propriétés obtenues par des essais standardisés (e.g. ASTM C39 /39M, ASTM C469 /C469M). Afin de déterminer l’influence de l’orientation des fibres sur la résistance en traction des BFUP, plusieurs chercheurs ont réalisé des essais d’arrachement, de traction directe et de flexion sur de nombreux spécimens. La grande compacité des BFUP lui permet d’atteindre des valeurs de porosité et de perméabilité à l’eau ultra faible comparée au béton standard. Pour cette raison, les BFUP sont des matériaux d’une durabilité exceptionnelle. L’ajout de fibres augmente considérablement l’énergie spécifique de rupture ce qui permet au BFUP de dissiper énormément d’énergie et de supporter de grandes déformations avant rupture. De plus, avec l’élimination de certains types d’armatures, les BFUP permettent la réalisation de géométrie complexe. La Figure 2.22 présente quelques types de réalisations complexes utilisant le BFUP comme principaux matériaux de construction.

(39)

24 Tableau 2.2 : Propriétés typiques du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [38]

Propriétés Béton ordinaire BHP BFUP

Résistance en compression (MPa) 20 à 40 50 à 80 130 à 250 Résistance en traction (Mpa) 1 à 3 4 à 5 7 à 15

Module élastique (Gpa) 25 à 35 35 à 40 50 à 60

Porosité à l’eau (%) 14 à 20 10 à 13 1.5 à 5

Perméabilité à l’eau (%) 10-16 10-16 < 10-19 Facteur de diffusion Cl- (m2/s) 2.10-11 2.10-12 2.10-14

Figure 2.22 : Quelques réalisations structuraux en BFUP [39-42]

(a) MuCEM (Ductal®), Marseille, France (b) Passerelle de la paix (Ductal®), Séoul, Corée du Sud

(40)

25 (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) 2.4.1.3 Loi de comportement

La résistance en compression des BFUP se situe entre 130 et 250 MPa [43, 44]. Néanmoins, la plupart des bétons utilisés dans le domaine de la construction ont une résistance en compression se situant aux alentours de 150 Mpa. Pour atteindre des résistances supérieures à 150 Mpa, des traitements thermiques ou chimiques adaptés doivent être employés. Les bétons qui sont en mesure de résister de telles charges ont un comportement très fragile. Toutefois, les fibres éliminent ce phénomène et permettent à la matrice cimentaire de se déformer davantage avant la rupture. La présence de fibres dans les BFUP entraîne une augmentation minime de la résistance en compression qui peut être considérée négligeable.

L’AFGC [45] propose une loi moyenne de comportement en compression des BFUP qui peut être obtenue en se basant sur la loi de Popovics [46]. Les seules variables nécessaires au calcul de cette loi sont la résistance en compression, fc, le module élastique, Ec, et la résistance en traction, ft. La contrainte est obtenue à l’aide des Équations 2.4 à 2.9. La Figure 2.23 présente quelques courbes expérimentales de résistance en compression sur BSI® comparées à la courbe théorique, ainsi qu’une représentation des courbes théoriques (loi de Popovics) pour un BFUP.

) = &** +,, -- − 1 + ** +,, /0 *+ = 11 + 0.16 2 &3+ 8005 &3/ 2 ; *3 = 11 + 20 &5 *+ *+,,= 11 + 4 8 &5 *+; *3,, = 11 + 15 8 &5 *3 : =**3,, +,,; - = − 1 = &*+,, & ; 2 = & &+/ ; = <ln ((1 − - + -:)/(0.7))1 * < >? -ln (:) C DED

(41)

26 Figure 2.23 : Résistance en compression d’un BSI® et loi de Popovics pour un BFUP [45, 46]

La caractéristique mécanique intéressante des bétons renforcés de fibres (BRF) est leur comportement en traction uniaxiale. On distingue deux types de comportements post-fissuration des BRF, soit un comportement écrouissant et adoucissant [47]. Les BRF classiques ont un comportement adoucissant, c’est-à-dire qu’il y a propagation d’une macrofissure localisée suivie d’une diminution graduelle de la contrainte avant rupture. Les BFUP ont plutôt un comportement écrouissant en traction qui s’ajoute au comportement adoucissant des BRF. Il y a apparition de multiples microfissures après l’atteinte de la limite élastique. Lorsque la résistance maximale est atteinte, une macrofissure localisée se propage et la courbe suit l’allure du comportement adoucissant d’un BRF. Les deux types de comportements en traction sont illustrés à la Figure 2.24, qui est décrite par les trois phases suivantes :

• Phase Ι : Zone élastique gouvernée par la résistance de la matrice cimentaire et du module élastique

• Phase ΙΙ : Écrouissage du matériau présent uniquement pour les BFUP. Il y a réduction considérable de la rigidité et une multitude de microfissures se forment dans la matrice cimentaire. À l’atteinte de la contrainte maximale, il y a localisation d’une macrofissure qui est visible à l’œil nu.

• Phase ΙΙΙ : Comportement adoucissant suite à l’apparition d’une macrofissure localisée. Le comportement est alors défini par la contrainte résiduelle en fonction de l’ouverture de la fissure. Il y a diminution progressive de la contrainte jusqu’à la rupture du béton.

(42)

27 Figure 2.24 : Comportement en traction des BRF, adaptée de [47]

2.4.2 Bois lamellé-collé (BLC)

Les forêts recouvrent près de la moitié du territoire québécois, soit plus de 750 000 kilomètres carrés. Pour cette raison, le bois est une ressource largement disponible pour diverses applications. Les avantages environnementaux de la construction en bois sont nombreux. Par exemple, l’utilisation de 1 m3 de bois permet de retirer 0.9 tonne de CO2 de l’atmosphère [10]. Le bois est un matériau très diversifié. Ses propriétés physiques et mécaniques varient selon le type d’essence, les conditions de croissance et le taux d’humidité. Le tronc de l’arbre est composé de cinq couches bien distinctes qui sont représentées à la Figure 2.24.

1- Le duramen se trouve au cœur de l’arbre. Il est composé de cellules mortes qui ont terminé de se développer. C’est la partie la plus dure et résistante de l’arbre. Il se distingue de l’aubier par une couleur plus foncée. Sa fonction est de rigidifier l’arbre en constituant la charpente de l’aubier qui l’entoure. C’est cette partie de l’arbre qui est la plus utilisée en construction.

(43)

28 2- L’aubier (bois vivant) est composé de cellules vivantes et permet d’acheminer la sève brute du sol vers les feuilles. Cette partie est beaucoup plus fragile que le duramen dans laquelle les parasites y trouvent des éléments nutritifs. Ces couches se transformeront en duramen pendant la croissance de l’arbre.

3- Le cambium est une fine zone entre l’aubier et l’écorce qui assure la croissance de l’arbre. 4- Le liber (écorce interne) sert à transporter la sève élaborée, issue de la photosynthèse. La

plupart de ces cellules sont mortes.

5- L’écorce protège l’arbre des intempéries et des parasites. Elle est composée de cellules mortes. Elle est imperméable, mais permet les échanges gazeux pour la respiration des cellules vivantes sous-jacentes.

Figure 2.25 : Structure de l’arbre

Le bois est un matériau organique possédant une structure interne particulière. Le duramen, qui est la partie la plus solide de l’arbre, sert de charpente. Les cellules sont disposées de façon verticale et parallèle dans les parois cellulaires, permettant ainsi aux arbres de résister à certaines contraintes extérieures comme le vent. Le bois est donc fortement anisotrope et possède une meilleure résistance dans la direction parallèle au fil que dans les deux directions perpendiculaires au fil (radiale et tangentielle).

Le bois est un matériau qui peut se transformer en différents produits d’ingénierie. Le bois lamellé-collé (BLC) en est un exemple. Composé d’un empilage de petites lamelles de bois lamellé-collées parallèlement au moyen d’adhésif structural, le BLC est un matériau performant, polyvalent et durable.

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29 Il permet la fabrication de sections droites ou courbes de grandes dimensions. Il est utilisé comme poutre, colonne ou arche dans des longueurs limitées principalement par le transport. La Figure 2.26 illustre diverses réalisations dont le matériau prédominant est le bois lamellé-collé.

Figure 2.26 : Quelques réalisations en bois lamellé-collé [48-51]

2.4.2.1 Propriétés mécaniques du BLC

L’une des principales caractéristiques intéressantes du bois est son ratio résistance / masse volumique très élevé. Ce ratio lui permet de se démarquer par rapport à ses concurrents, car une structure légère diminue la charge permanente de l’enveloppe et permet ainsi de diminuer l’épaisseur et le coût des éléments structuraux. « À titre d’exemple, une poutre d’une portée simple de 7.3 m supportant une surcharge de 14.4 kN/m non pondérée, en plus de son poids propre, aura les caractéristiques suivantes : » [52] (Tableau 2.3)

(a) Complexe de soccer (Nordic©), Québec, Canada (b) Pont forêt Montmorency (Nordic©), Québec, Canada

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30 Tableau 2.3 : Ratio résistance mécanique / masse volumique des matériaux de construction [52]

Matériaux Béton Acier Bois lamellé-collé

Résistance en flexion (Mpa) 30 350 30.6

Masse volumique (kg/m3) 2400 7850 560

Ratio (x106 Nm/kg) 0.013 0.044 0.055

La conception du bois lamellé-collé est basée sur l’utilisation de classes de contrainte. Le Code national canadien du bâtiment (CNCB) exige que le BLC soit fabriqué selon les critères de qualité du CSA 0177. Au Canada, il existe trois principales combinaisons d’essences : (i) Douglas-mélèze; (ii) Épinette, pin-tordu et pin-gris; (iii) Pruche-sapin et Douglas-Mélèze. Ces classes de contraintes sont présentées dans le Tableau 2.4.

Tableau 2.4 : Classes de contrainte du bois lamellé-collé [53]

Éléments fléchis 20f-E 20f-EX Utilisé pour les membres sollicités en flexion ou en flexion combinée et charge axiale

24f-E 24f-EX

Éléments comprimés 16c-E 12c-E Utilisé pour les membres sollicités principalement en compression axiale

Éléments tendus 18t-E 14t-E Utilisé pour les membres sollicités principalement en tension axiale

Le nombre dans les catégories de contrainte indique la contrainte de flexion admissible. Les lettres « f, c et t » désignent respectivement la flexion, la compression et la tension. La lettre « E » indique que la plupart des lamelles doivent être testées mécaniquement pour la rigidité et la désignation EX est applicable aux éléments de flexion qui sont assujettis à des inversions de contrainte. Par exemple, une désignation 24f-E signifie un élément de flexion testé par une machine avec une contrainte de flexion admissible de 2400 psi [53].

Les propriétés et résistances prévues du BLC dépendent donc de plusieurs paramètres. Dans le cas de cette recherche, le bois utilisé pour la conception et les essais en laboratoire est le Nordic Lam 24F-ES/NPG qui a été fourni par Nordic Structures et les résistances prévues et autres propriétés sont listées dans le Tableau 2.5 [54].

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