Etude de l'influence des transferts thermo-hydriques sur les composants d'assemblages bois sous incendie

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Abdoulaye Samake

To cite this version:

Abdoulaye Samake. Etude de l’influence des transferts thermo-hydriques sur les composants

d’assemblages bois sous incendie. Autre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2016. Français. �NNT : 2016CLF22698�. �tel-01487050�

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Universite Blaise Pascal – Clermont II

École doctorale

Sciences pour l’inge nieur de Clermont-Ferrand

Institut Pascal

Thèse

Pre sente e par

Abdoulaye SAMAKE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR D’UNIVERSITE

SPECIALITE : GENIE CIVIL

Etude de l’influence des transferts thermo-hydriques

sur les composants d’assemblages bois sous

incendie

Soutenue publiquement le 01 juin 2016 devant le jury compose de MM :

L. TALEB Prof, INSA de Rouen Rapporteur

D. DHIMA HDR & Ingénieur Chercheur, CSTB, Paris Rapporteur

S. AMZIANE Prof, UBP de Clermont-Ferrand Examinateur

D. BOUTAT Prof, INSA Centre Val de Loire Examinateur

P. AUDEBERT MCF, UBP de Clermont-Ferrand Co-directeur de thèse

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I

A à ma mère et la mémoire de mon père. A mon frère Youssouf pour toutes ses aides précieuses. A ma famille et toutes les personnes qui ont fait de moi ce que je suis.

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III Arrivé au bout de ce travail effectué au sein du laboratoire Institut Pascal de Clermont-Ferrand, je tiens donc à associer à l’aboutissement de ce travail toutes les personnes qui m’ont permis de le réaliser et qui m’ont apporté leur soutien.

Tout d’abord, je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à M. Mustapha TAAZOUNT, Maitre de Conférences et habilité à diriger des Recherches à l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, et M. Philippe AUDEBERT, Maitre de Conférences à l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, qui m’ont fait l’honneur de m’accepter et de diriger ce travail. Je leur remercie pour tout ce qu’ils m’ont apporté pendant cette thèse, aussi bien sur le plan scientifique, technique, communication et personnel. Qu’ils retrouvent ici retrouvent ici l’expression de toute ma gratitude.

Un très grand remerciement pour le conseil général de l’Allier (CG03), pour avoir accepté de financer ce travail. Qu’il retrouve ici ma profonde reconnaissance.

Je remercie M. Dhionis DHIMA, Ingénieur de Recherche au CSTB, et M. TALEB Lakhdar, Professeur à l’’INSA de Rouen qui ont accepté d’examiner et de rapporter ce travail. Ils m’ont fait l’honneur d’effectuer cette tâche avec une grande objectivité. Je tiens sincèrement à leur dire merci pour m’avoir consacré une partie de leur temps si précieux.

J’exprime ma sincère reconnaissance à M. Sofiane AMZIANE, Professeur à l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, et à M. Driss BOUTAT, Professeur à l’INSA de Val de Loire, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner ce travail.

Je tiens à faire savoir à M. Daniel ROBIN et à Md. Myriam MOISSAING, techniciens à l’atelier du département génie thermique de l’IUT d’Allier, qu’ils m’ont été d’un grand secours par leur aide technique et leur bon sens. A Gilles MONDIERE, enseignant au GTE de l’IUT d’Allier, qui n’a jamais ménagé ses efforts chaque que j’en avais eu besoin. Qu’ils retrouvent tous ici l’expression de mes sincères remerciements.

A mes amis thésards et en particulier César NIYIGENA, Amina AISSANI, et Walid BELAZI m’ont été d’une aide exemplaire pendant ces années, qu’ils soient certains de ma sincère amitié.

Enfin, je dis merci à tous les enseignants et le personnel de l’institut Pascal de Clermont-Ferrand pour leur bienveillance et leur gentillesse.

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(8)

V

Résumé

Les structures en bois sont de plus en plus utilisées de nos jours dans les constructions de génie civil. Cette utilisation massive du bois s’explique notamment par le caractère écologique du matériau et son attrait esthétique. Ces structures sont composées d’éléments en bois assemblés entre eux à l’aide d’organes métalliques tels que des boulons, broches, plaques métalliques,…etc. La résistance globale de la structure est étroitement liée aux capacités résistantes de ses liaisons. Ces zones constituent donc des endroits vulnérables lors d’un incendie. La compréhension de leur comportement sous sollicitation thermique de type incendie nécessite donc une attention particulière.

Le bois est connu comme matériau anisotrope et relativement humide. La grande variabilité de ses propriétés mécaniques et la présence d’organes métalliques dans les assemblages rendent l’étude de ceux-ci beaucoup plus complexe. C’est notamment le cas en situation extrême d’incendie où la connaissance des valeurs de certains paramètres en fonction de la température est plus ou moins approchée. Lorsque l’assemblage est sollicité par des hautes températures, des flux thermiques et hydriques se manifestent et agissent sur les caractéristiques mécaniques et physiques des matériaux. Les méthodes actuelles de calcul technique de ces structures restent très sécuritaires et tendent à être simplificatrices dans certains cas. Une meilleure caractérisation de la réponse de ces assemblages sous action thermique s’impose si l’on veut optimiser les structures.

Pour étudier les transferts thermiques et hydriques dans les éléments d’assemblages bois, deux approches ont été adoptées : expérimentale et numérique. L’approche expérimentale qui débute par l’étude d’un assemblage mono-tige soumis à l’action du feu ISO 834. L’étude des transferts thermiques à différents endroits des assemblages est réalisée ainsi que l’influence de la présence de la plaque métallique et le choix du type d’organes métalliques. Les résultats obtenus ont conduit à l’étude des deux éléments principaux de l’assemblage que sont le bois et les tiges métalliques. Les résultats obtenus permettent à la fois une meilleure compréhension et quantification de l’influence du choix de la tige métallique, de la présence de l’eau dans le bois. L’étude numérique a consisté à la mise en place de différents modèles. Un premier modèle simplifié basé sur les différences finies est réalisé. Il permet l’étude des transferts thermiques dans les organes métalliques. Ensuite deux modèles utilisant les éléments finis sont réalisés : le premier utilisé sous le code de calcul Msc.Marc et le second a été programmé ave des éléments finis surfaciques. Ce dernier modèle permet la prise en compte du comportement thermo-hydrique dans le matériau. Ils rentrent dans le cadre de la calibration des paramètres thermomécaniques du bois sous hautes températures et permettent d’aborder différentes configurations d’assemblages bois.

Enfin une étude comparative et de discussion est réalisée entre les résultats réels et les résultats numériques. Les résultats obtenus sont satisfaisants.

Mots clés : bois, organes métalliques, assemblages, feu ISO 834, four à gaz, champs thermiques, flux

hydrique, modélisation numérique, laine de roche.

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VII

Abstract

Nowadays, timber structures are well on the way to democratization as regards building uses. They, indeed, present many advantages including light weight, speed of implementation and contribution to sustainable development. These structures are made of timber elements connected together using metal components such as bolts, dowels and nails forming the mechanical joints, which is sometimes reinforced with metal plates. Consequently, the joints are vulnerable areas when exposed to fire. Understanding their mechanical behavior, therefore, is essential, not only as regards fire exposure, but also as regards the coupling of the thermal and hydric fluxes within the connections.

As we know, wood is an anisotropic material and relatively humid. The combination of the architectural demand and the material mechanical resistance requires wood materials to cohabit with other materials like steel fasteners. With the presence of steel members, thermo -hydric heat transfer phenomena within joints under fire exposure increase in speed and complexity [4e7].This complexity comes from the difference between the materials regarding mechanical rigidity and thermo -hydric permeability. It affects the mechanical and thermo-physical properties of the materials eventually, in particular, thermal conductivity and specific heat subjected to the thermal action of fire. With this aim in view, the present research provides important experimental and numerical data, which are needed in the field of understanding and quantifying thermos-hydric transfer phenomenon within timber-steel connections.

The objective of this thesis is to present the findings of the investigations carried out to study experimental and numerical thermo-hydric transfer of timber connections subjected to the ISO-834 standard conditions of fire exposure. The experimental part starts by the study of a sin gle bolt or single dowel timber-timber connections under fire. The temperature-time evolutions are measured at different places of the connections. Then two studies are carried out about the main two components of connections (wood and metal rods). The results obtained allow a good comprehension and quantification about the choice of the metal rods (bolt or dowel). A good comprehension is also obtained about the water contained in timber. The simulation model is reached in many ways: first, through the thermal study of the steel fasteners using the Finite Differences Method and another model using the Finite Element Method. Second, through the modeling of thermal behavior of the connection using the finite element method with the Msc-marc software is carried out. The last model is about the thermos-hydric behavior of the timber. The comparison between experimental and numerical results is satisfactory.

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IX SOMMAIRE

Table des tableaux………...XIII Tables des figures……….……….…XV Nomenclature………...XIX

INTRODUCTION………1

Partie 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE………..……….……….6

Section A : LE BOIS ET LES ORGANES D’ASSEMBLAGES A FROID.………9

1. LE MATERIAU BOIS A F ROID... 10

1.1 GENERALITES SUR LE BOIS ... 10

1.2 PROPRIETES MECANIQUES DU BOIS ... 11

1.2.1 Comportemen t élastique orthotrop e... 12

1.2.2 Influence d e la densité... 12

1.2.3 Influence d e l’humidité ... 13

1.2.4 Quelques valeurs cara ctéristiques ... 13

1.3 EAU DANS LE BOIS : HYGROSCOPIE... 14

1.3.1 Les phases de l’eau... 14

1.3.2 L’humidité du bois ... 14

1.3.3 Equilibre hygro scopique ... 15

1.3.4 Retrait - Gonflement ... 16

2. COMPORTEMENT DES TIGES... 17

2.1 BOULONS ET BROCHES ... 17

2.2 CARACTERISTIQUES MECANIQUES ... 18

2.3 FLEXION DE LA TIGE ... 18

Section B : COMPORTEMENT DES ASSEMBLAGES BOIS………..……….21

1. ASSEMBLAGES PAR TIGES METALLIQUES A FROID ... 22

1.1 GENERALITES ET TYPES D’ASSEMBLAGES... 22

1.2 PORTANCE LOCALE DANS LES ASSEMBLAGES DE TYPE TIGE ... 23

1.2.1 Influence d e la direction de la charge ... 24

1.3 COMPORTEMENT DES LIAISONS UNITAIRES... 25

1.4 RUPTURE DANS LES LIAISONS MONO-TIGES ... 25

2. COMPORTEMENT A CHAUD ... 27

2.1 CARACTERISTIQUES DU BOIS A HAUTES TEMPERATURES ... 27

2.1.1 La combustion du bois ... 27

2.1.2 La profondeur de carbonisa tion... 28

2.1.3 Propriétés thermo-physiques du bois ... 29

2.2 COMPORTEMENT AU FEU DES ASSEMBLAGES... 33

2.2.1 Durées de résistance au feu... 33

2.2.2 Effet de la géométrie ... 33

(13)

X

Section C : APPROCHE REGLEMENTAIRE……….………..………...….37

1. CALCUL REGLEMENTAIRE A FROID ... 38

1.1 THEORIE DE L’ANALYSE LIMITE ... 38

1.2 CISAILLEMENT DE BLOC ... 41

2. CALCUL REGLEMENTAIRE A CHAUD ... 42

2.1 DEFINITION DU CRITERE DE LA RESISTANCE AU FEU ... 42

2.2 LE FEU CONVENTIONNEL ... 43

2.3 PROPRIETES DES MATERIAUX EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 44

2.3.1 Matériau bois ... 44

2.3.2 Matériau acier ... 45

2.4 DIMENSIONNEMENT DE LIAISONS SOUS ACTIONS THERMIQUES ... 46

2.4.1 Règles simplifiées ... 46

2.4.2 Méthode de la charge réduite... 47

3. CONCLUSION ... 48

Partie 2: ETUDES EXPERIMENTALES……….………49

Section A : ETUDE GLOBALE D'UN ASSEMBLAGE BOIS MONO-TIGE………...………..…51

1. ETUDE EXPERIMEN TALE ... 52

1.1 INTRODUCTION... 52

1.2 PRESENTATION DES ESSAIS ... 52

1.3 PROGRAMME EXPERIMENTAL ... 53

1.4 MESURE DES TEMPERATURES ... 54

1.5 RESULTATS DES ESSAIS ... 57

1.5.1 Carbonisation du bois ... 58

1.5.2 Echauffement au tour de la tige ... 59

1.5.3 Echauffement à l’interface bois-plaque métallique ... 61

Section B : ETUDE DES TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES ORGANES D'ASSEMBLAGES……….65

1.1 PRESENTATION ... 66

1.2 PROGRAMME EXPERIMENTAL ... 66

1.3 TEMPERATURE DANS LE FOUR ... 68

1.4 RESULTATS EXPERIMENTAUX ... 69

1.4.1 Influence du diamètre... 73

Section C : ETUDE DES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DE LA LAINE DE ROCHE A HAUTE TEMPERATURE…...79

1. INTRODUCTION ... 80

2. LA CONDUCTIVITE THERMIQUE... 81

2.1 ETUDE EXPERIMENTALE... 81

(14)

XI

3. LA MASSE VOLUMIQUE ... 88

3.1 EXPERIMENTATION ... 89

Section D : ETUDE DE LA CARBONISATION ET DE LA DIFFUSIVITE THERMIQUE DU BOIS A HAUTE TEMPERATURE…..………..91

1.1 PRESENTATION DU DISPOSITIF ET DES MOYENS ... 92

1.2 PRINCIPE DES ESSAIS ... 93

1.3 MESURE DE L’HUMIDITE DU BOIS... 95

1.3.1 Méthode de mesure d e l’humidité ... 95

1.3.2 Résulta ts des mesu res d e l’humidité... 95

1.4 RESULTATS DES ESSAIS SUR LE BOIS ... 97

1.4.1 Influence d e l’humidité du bois sur la température ... 99

1.4.2 Influence du sens du fil ... 102

1.4.3 Diffusivité thermique du bois ... 104

1.4.4 Vitesse de carbonisa tion en fonction de l’humidité ... 105

Partie 3 : ETUDES NUMERIQUES………..……….……….109

Section A : MODELISATION PAR DIFFERENCES FINIES………..………..…….………..…………..…111

1. PRESENTATION DU PROBLEME ... 112

2. DISCRETISATION DU PROBLEME ... 112

Section B : MODELISATION PAR ELEMENTS FINIS VOLUMIQUES DES ASSEMBLAGES BOIS…………...……115

1. INTRODUCTION ... 116

2. LA METHODE DES ELEMENTS FIN IS ... 116

2.1 DEFINITIONS DE LA METHODE... 116

2.2 APPROCHE SIMPLIFIEE POUR UN CALCUL STATIQUE LINEAIRE ... 117

3. ETUDE DES ASSEMBLAGES PAR LA MEF ... 119

3.1 MODELES A DEUX DIMENSIONS (2D)... 119

3.2 MODELES A TROIS DIMENSIONS (3D) ... 120

Section C : MODELISATION THERMO-HYDRIQUE DU BOIS PAR ELEMENTS FINIS SURFACIQUES…………..121

1. DEFINITIONS ET GRAN DEURS DE BASE ... 122

2. LES EQUATIONS DE TRANSPORT ... 124

2.1 PERTE DE MASSE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE... 124

2.2 MASSE VOLUMIQUE ET CHALEUR SPECIFIQUE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 126

2.3 TRANSFERT DE CHALEUR ... 127

2.4 TRANSFERT D’HUMIDITE ... 128

(15)

XII

2.4.2 Transfert d e la phase liquide ... 129

2.5 EQUATION DE CONSERVATION... 129

2.5.1 Bilan massique ... 129

2.5.2 Bilan énerg étique ... 130

2.6 RELATIONS THERMODYNAMIQUES ... 130

3. SYSTEME A RESOUDRE ... 131

Partie 4 : ETUDES COMPARATIVES………...………...133

1. CALCUL PAR DIFFERENCES FINIES ... 136

1.1 DONNEES DU PROBLEME... 136

1.2 RESULTATS OBTENUS ... 136

2. CALCULS PAR ELEMENTS FIN IS VOLUMIQUES... 140

2.1 MODELISATION DES TIGES... 140

2.1.1 Géométrie et maillag e... 140

2.1.2 Caractéristiques thermiques et g éométriques ... 141

2.1.3 Conditions limites ... 141

2.1.4 Résultats obtenus ... 142

2.2 MODELISATION DE L’ASSEMBLAGE... 143

2.2.1 Présen tation de l’étude ... 143

2.2.2 Résulta ts numériques et comparaison ... 144

3. MODELE DE TRANSFERT THERMO -HYDRIQUE ... 150

3.1 EXPRESSION DE L’ISOTHERME DE SORPTION ... 150

3.2 PRESENTATION DE L’ISOTHERME DE SORPTION UTILISE ... 151

3.3 MAILLAGE ET CONDITIONS LIMITES ... 153

3.4 RESULTATS DU MODELE ... 153

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES……….……….155

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES………...………...161

(16)

XIII Table des tableaux

TABLEAU 1.1 :COMPOSITION ORGANIQUE DU BOIS [CNDB11] ... 11

TABLEAU 1.2 :EFFET DE DENSITE SUR LES PROPRIETES MECANIQUES DES BOIS [TRO12] ... 12

TABLEAU 1.3 :PROPRIETES MECANIQUES DU BOIS MASSIF (RESINEUX)[EN33809]... 13

TABLEAU 1.4 :PROPRIETES MECANIQUES DES LAMELLES COLLES [EN119499]... 13

TABLEAU 1.5 :RETRAITS TOTAUX DE QUELQUES ESSENCES DE BOIS [A LE90]... 16

TABLEAU 1.6 :RESISTANCE LIMITE DE LA TIGE EN ACIER [CEN03] ... 18

TABLEAU 1.7 :VITESSES DE COMBUSTION POUR DIFFERENTS TYPES DE BOIS [CEN04A] ... 29

TABLEAU 1.8 :EQUATIONS DE LA VITESSE DE COMBUSTION ... 29

TABLEAU 1.9 :DUREES DE RESISTANCE AU FEU D’ASSEMBLAGES [AUD10A]... 33

TABLEAU 1.10 :ESPACEMENT ET DISTANCES MINIMALS POUR LES BOULONS [CEN04B] ... 40

TABLEAU 1.11 :ESPACEMENT ET DISTANCES MINIMALS POUR LES BROCHES [CEN04B]... 41

TABLEAU 1.12 :RESISTANCE AU FEU DES ASSEMBLAGES NON PROTEGES [CEN04A]... 46

TABLEAU 1.13:VALEURS DU PARAMETRE K [CEN04A] ... 47

TABLEAU 2.1 :DESCRIPTIONS DES EPROUVETTES ET LEURS DIMENSIONS... 54

TABLEAU 2.2 :POSITIONS SPATIALES DES THERMOCOUPLES (𝜙 = 16𝑚𝑚) ... 56

TABLEAU 2.3 :POSITIONS SPATIALES DES THERMOCOUPLES (𝜙 = 20𝑚𝑚) ... 56

TABLEAU 2.4 :VALEURS DE VITESSES DE VITESSES DE CARBONISATION 𝑛... 59

TABLEAU 2.5 :ERREURS RELATIVES ENTRE TEMPERATURES PROCHES DES BOULONS ET BROCHES ... 60

TABLEAU 2.6 :ERREURS ENTRE TEMPERATURES PROCHES DE LA PLAQUE METALLIQUE DES BMB BROCHES ET BOULONNES ... 62

TABLEAU 2.7 :DESCRIPTION DE LA CAMPAGNE DES ESSAIS POUR LA BROCHE METALLIQUE ... 67

TABLEAU 2.8 :DESCRIPTION DE LA CAMPAGNE DES ESSAIS POUR LA BROCHE METALLIQUE ... 67

TABLEAU 2.9 :VALEURS DES PARAMETRES 𝒂, 𝒃𝒆𝒕𝒅𝒆𝜟𝒙 ... 67

TABLEAU 2.10 :POSITIONS DES THERMOCOUPLES ... 69

TABLEAU 2.11 :TEMPERATURES DES THERMOCOUPLES TC6 ET TC7–ESSAI N°1 ... 70

TABLEAU 2.12 :TEMPERATURES DES THERMOCOUPLES TC6 ET TC7–ESSAI N°2 ... 71

TABLEAU 2.13 :TEMPERATURES DES THERMOCOUPLES TC6 ET TC7–ESSAI N°3&4 ... 71

TABLEAU 2.14 :ERREURS RELATIVES ENTRE BOULON ET BROCHE ... 72

TABLEAU 2.15 :DIFFERENCES RELATIVES ENTRE TIGES DE DIAMETRES 16𝑚𝑚𝑒𝑡20𝑚𝑚... 74

TABLEAU 2.16 :VALEURS DES Γ ... 75

TABLEAU 2.17 :CARACTERISTIQUES DE LA LAINE DE ROCHE... 80

TABLEAU 2.18 :POSITIONS DES THERMOCOUPLES ... 83

TABLEAU 2.19 :CALCUL DE H PAR MESURE DE FLUX... 83

TABLEAU 2.20 :CALCUL DE H PAR ANALYSE DIMENSIONNELLE ... 83

TABLEAU 2.21 :TEMPERATURES EN FONCTION DE L'EPAISSEUR DE L'ISOLANT... 84

TABLEAU 2.22 :VALEURS DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE... 86

TABLEAU 2.23 : 𝝆𝒍𝒅𝒓 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE... 89

TABLEAU 2.24 :DIMENSIONS DES EPROUVETTES (1) ... 92

TABLEAU 2.25 :DIMENSIONS DES EPROUVETTES (2) ... 92

TABLEAU 2.26 :POSITIONS DES THERMOCOUPLES PAR RAPPORT AU FEU ... 94

TABLEAU 2.27 :VALEURS DE L'HUMIDITE DU CHENE ... 96

TABLEAU 2.28 :VALEURS DE L'HUMIDITE DU DOUGLAS (1)... 96

TABLEAU 2.29 :VALEURS DE L'HUMIDITE DU DOUGLAS (2)... 96

TABLEAU 2.30 :VALEURS DE L'HUMIDITE DU HETRE ... 96

(17)

XIV

TABLEAU 3.1 :ANALYSE DES COMPOSES DU BOIS ... 124

TABLEAU 3.2 :ANALYSE ULTIME ET ANALYSE IMMEDIATE DES COMPOSES ET DES BIOMASSES UTILISES [COU07] ... 124

TABLEAU 4.1 :ERREURS RELATIVES ENTRE LES DEUX ETUDES POUR LA BROCHE ... 142

TABLEAU 4.2 :VITESSE DE CARBONISATION OBTENUE APRES 30 MN D’EXPOSITION ... 144

TABLEAU 4.3 :ERREURS RELATIVES DES TEMPERATURES PROCHES DES TIGES ... 146

TABLEAU 4.4 :ERREURS RELATIVES DES TEMPERATURES DANS LE BOIS ... 147

(18)

XV Table des figures

FIGURE 1.1:ASPECT MACROSCOPIQUE D'UNE SECTION DE BOIS ... 10

FIGURE 1.2 :COUPES ET DIRECTIONS PRINCIPALES DANS UN TRONC D’ARBRE ... 10

FIGURE 1.3 :COMPOSITION ATOMIQUE DU BOIS[CNDB11] ... 11

FIGURE 1.4 :EXEMPLES DE SOLLICITATIONS ... 11

FIGURE 1.5 :COURBE D’EQUILIBRE HYGROSCOPIQUE DU BOIS [SAM12] ... 15

FIGURE 1.6 :TIGES METALLIQUES (BROCHE ET BOULON) ... 17

FIGURE 1.7 :MOMENT ELASTIQUE ET PLASTIQUE DE LA SECTION TRANSVERSALE DE LA TIGE [XU09]... 18

FIGURE 1.8 :PRINCIPES DE TRANSMISSION DES EFFORTS DANS LES ASSEMBLAGES BOIS [XU09] ... 22

FIGURE 1.9 :CONFIGURATIONS ET TYPE D'ASSEMBLAGES [LAP06]... 23

FIGURE 1.10 :SCHEMA DE L’ESSAI D’ENFONCEMENT EUROPEEN [MOR03]... 23

FIGURE 1.11 : SCHEMA MECANIQUE D'UN ASSEMBLAGE UNITAIRE [MOR03] ... 25

FIGURE 1.12 :EVOLUTION DU COMPORTEMENT D'UN ASSEMBLAGE UNITAIRE [AUD10A] ... 25

FIGURE 1.13 :RUPTURE DANS LES ASSEMBLAGES EN TRACTION LONGITUDINALE [MOR03] ... 26

FIGURE 1.14 :RUPTURE D'ASSEMBLAGES AVEC PLUSIEURS ORGANES [AUD10A]... 26

FIGURE 1.15 :DEGRADATION DU MATERIAU A HAUTES TEMPERATURE [WHI95] ... 28

FIGURE 1.16 :MASSE VOLUMIQUE DU BOIS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [AUD10A] ... 30

FIGURE 1.17 :CHALEUR SPECIFIQUE DU BOIS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [KÖN04] ... 31

FIGURE 1.18 :CONDUCTIVITE THERMIQUE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [MOR03] ... 32

FIGURE 1.19 :PROFILS DE TEMPERATURES AU SEIN DU BOIS... 34

FIGURE 1.20 :INFLUENCE DE LA PRESENCE DE LA TIGE DANS L’ASSEMBLAGE [CAC09] ... 34

FIGURE 1.21 :MODE DE RUPTURE DES ASSEMBLAGES BOIS-BOIS EN DOUBLE CISAILLEMENT [CEN04B] ... 38

FIGURE 1.22 :MODE DE RUPTURE DES ASSEMBLAGES BOIS-METAL EN DOUBLE CISAILLEMENT [CEN04B] ... 39

FIGURE 1.23 :DEFINITION DES ESPACEMENTS AU SEIN DE L'ASSEMBLAGE SELON L’EUROCODE 5[CEN04B] ... 40

FIGURE 1.24 :DEFINITION DE LA SECTION ROMPUE PAR CISAILLEMENT DE BLOC [CEN04B]... 41

FIGURE 1.28 :COURBES CONVENTIONNELLES DE L’INCENDIE [BUC00]... 43

FIGURE 1.29 :CONDUCTIVITE THERMIQUE DU BOIS SELON L’EUROCODE 5[CEN04A] ... 44

FIGURE 1.30 :CHALEUR SPECIFIQUE DU BOIS SELON L’EUROCODE 5[CEN04A]... 44

FIGURE 1.31 :RAPPORT DE MASSE VOLUMIQUE DU BOIS SELON L’EUROCODE 5[CEN04A] ... 44

FIGURE 1.32 :VARIATION DU MODULE D’ELASTICITE LONGITUDINAL DU BOIS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [CEN04A]... 45

FIGURE 1.33 :VARIATION DE DES RESISTANCES DU BOIS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [CEN04A]... 45

FIGURE 1.34 :PROPRIETES THERMO-PHYSIQUES DE L’ACIER EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [CEN05] ... 45

FIGURE 1.35 :VARIATION DES PROPRIETES MECANIQUES DE L’ACIER AVEC LA TEMPERATURE [CEN05]... 46

FIGURE 2.1 :EPROUVETTE D’ASSEMBLAGES BOIS-BOIS TESTEE... 52

FIGURE 2.2 :LES ORGANES D’ASSEMBLAGES UTILISES... 52

FIGURE 2.3 :GEOMETRIES DES EPROUVETTES D’ASSEMBLAGES... 53

FIGURE 2.4 :THERMOCOUPLE DE TYPE K... 54

FIGURE 2.5 :EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DANS LE FOUR ... 55

FIGURE 2.6 :EMPLACEMENT DES THERMOCOUPLES DANS LES EPROUVETTES (𝝓 = 𝟏𝟔𝒎𝒎)... 55

FIGURE 2.7 :CARBONISATION DES EPROUVETTES D’ASSEMBLAGE ... 57

FIGURE 2.8 :MANCHON ET CARBONISATION SUIVANT LA COUPE DANS L’EPAISSEUR DU BOIS ... 57

FIGURE 2.9 :ZONE FONCEE POUR LA PLAQUE METALLIQUE ET LA TIGE... 58

FIGURE 2.10 :NOTATION POUR LES MESURES DE VITESSES DE CARBONISATION ... 58

FIGURE 2.11 :TEMPERATURES PROCHES DES BROCHES DANS LES ASSEMBLAGES BB ... 59

FIGURE 2.12 :TEMPERATURES PROCHES DES BOULONS DANS LES ASSEMBLAGES BB ... 59

FIGURE 2.13 :TEMPERATURES PROCHES DES BROCHES DANS BMB... 60

(19)

XVI

FIGURE 2.15 :TEMPERATURES A L’INTERFACE DES BMB BROCHES ... 61

FIGURE 2.16 :POSITION DES THERMOCOUPLES DANS LA BROCHE METALLIQUE... 66

FIGURE 2.17 :POSITION DES THERMOCOUPLES DANS LE BOULON ... 66

FIGURE 2.18 :MISE EN PLACE DES THERMOCOUPLES DANS LA BROCHE ... 67

FIGURE 2.19 :MISE EN PLACE DES TIGES METALLIQUES DANS LA LAINE DE ROCHE... 68

FIGURE 2.20 :EVOLUTION DE LA TEMPERATURE A L’INTERIEUR DU FOUR ... 68

FIGURE 2.21 :MONTAGE EXPERIMENTAL AVEC LES DEUX BRULEURS... 68

FIGURE 2.22 :DISPOSITIF D’ACQUISITION... 69

FIGURE 2.23 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE BOULON 16MM ... 69

FIGURE 2.24 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE LA BROCHE 16MM ... 69

FIGURE 2.25 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE BOULON 20MM ... 70

FIGURE 2.26 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE LA BOCHE 20MM ... 70

FIGURE 2.27 :COMPARAISON ENTRE BROCHE ET BOULON DE 16MM (TC6) ... 71

FIGURE 2.31 :SURFACE D’ECHANGE ENTRE LES TIGES ET LE FEU ISO834 ... 73

FIGURE 2.32 :COMPARAISON ENTRE BOULONS DE 16MM ET 20MM (TC6) ... 73

FIGURE 2.33 :COMPARAISON ENTRE BROCHES DE 16MM ET 20MM (TC6)... 73

FIGURE 2.34 :COMPARAISON ENTRE BOULONS DE 16MM ET 20MM (TC7) ... 73

FIGURE 2.35 :COMPARAISON ENTRE BROCHES DE 16MM ET 20MM (TC7)... 73

FIGURE 2.36 :SECTION DE LA BROCHE SOUMISE AU FEU ... 74

FIGURE 2.37 :SECTION DE LA BROCHE SOUMISE AU FEU ... 74

FIGURE 2.38 :VARIATIONS DE 𝛾1 EN FONCTION DU DIAMETRE DE LA BROCHE ... 75

FIGURE 2.39 :VARIATIONS DE 𝛾2 EN FONCTION DU DIAMETRE DU BOULON ... 75

FIGURE 2.40 :COMPARAISON ENTRE 𝛾1 ET 𝛾2 ... 76

FIGURE 2.41 :INFLUENCE DE L’HUMIDITE DE L’ISOLANT SUR LE BOULON (𝑻𝑪𝟕) ... 76

FIGURE 2.42 :INFLUENCE DE L’HUMIDITE DE L’ISOLANT SUR LE BOULON (𝑻𝑪𝟕) ... 76

FIGURE 2.43 :LAINE DE ROCHE PROTEGEANT LA TIGE ... 80

FIGURE 2.44 :FOUR UTILISE POUR LES ESSAIS ... 81

FIGURE 2.45 : LAINE DE ROCHE PLACEE A L’OUVERTURE DU FOUR ... 81

FIGURE 2.46 :ECHANTILLONS DE LAINE DE ROCHE ... 82

FIGURE 2.47 :CAPTEURS DE FLUX DE CHALEUR... 82

FIGURE 2.48 :EMPLACEMENTS DES THERMOCOUPLES ... 83

FIGURE 2.49 : H EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 84

FIGURE 2.50 :ECHANTILLON APRES ESSAI... 84

FIGURE 2.51 :TEMPERATURES EN FONCTION DE L’EPAISSEUR ... 85

FIGURE 2.52 :TEMPERATURES EN FONCTION DU TEMPS ... 85

FIGURE 2.53 :DENSITE DE FLUX ENTRE TC5 ET TC6 ... 86

FIGURE 2.54 :CONDUCTIVITE ET RESISTANCE THERMIQUES EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 87

FIGURE 2.55 :COMPARAISON AVEC LES VALEURS DU FABRIQUANT ISOVER ... 87

FIGURE 2.56 :COMPARAISON ENTRE COURBE EXPERIMENTALE ET ANALYTIQUE DE LA CONDUCTIVITE ... 88

FIGURE 2.57 :ECHANTILLONS DE LAINE DE ROCHE POUR MESURE DE MASSE VOLUMIQUE... 89

FIGURE 2.58 :MASSE VOLUMIQUE DE LA LAINE DE ROCHE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 90

FIGURE 2.59 :COMPARAISON ENTRE LES DENSITES DE MASSE VOLUMIQUE DU BOIS ET DE LA LAINE DE ROCHE ... 90

FIGURE 2.60 :EPROUVETTES DE BOIS POUR LES ESSAIS ... 92

FIGURE 2.61 :THERMOCOUPLES ET CAPTEUR DE PRESSION UTILISES POUR LES MESURES... 93

FIGURE 2.62 :EMPLACEMENT DES EPROUVETTES DE BOIS POUR LES ESSAIS... 93

(20)

XVII

FIGURE 2.64 :EPROUVETTES AVEC EMPLACEMENT DES THERMOCOUPLES... 94

FIGURE 2.65 :ECHANTILLONS DE BOIS POUR MESURES DU TAUX D’HUMIDITE ... 95

FIGURE 2.66 :EPROUVETTES DE BOIS APRES ESSAI ... 97

FIGURE 2.67 :TEMPERATURES EN FONCTION DU TEMPS POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒓 ... 97

FIGURE 2.68 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA PROFONDEUR DES EPROUVETTES 𝒆𝒓... 97

FIGURE 2.69 :TEMPERATURES EN FONCTION DU TEMPS POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒕... 98

FIGURE 2.70 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA PROFONDEUR POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒕... 98

FIGURE 2.71 :TEMPERATURES EN FONCTION DU TEMPS POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒍 ... 98

FIGURE 2.72 :TEMPERATURES EN FONCTION DE LA PROFONDEUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒍 ... 98

FIGURE 2.73 :EMPLACEMENT DES THERMOCOUPLES DANS L'EPROUVETTE DE BOIS ... 99

FIGURE 2.74 :PALIER DE TEMPERATURES POUR 10% D’HUMIDITE ... 99

FIGURE 2.75 :PALIER DE TEMPERATURES POUR 20% D’HUMIDITE POUR 𝒆𝒕... 99

FIGURE 2.76 :PALIERS DE TEMPERATURES POUR 20% D’HUMIDITE POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒓... 100

FIGURE 2.77 :PALIERS DE TEMPERATURES POUR 34% D’HUMIDITE POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒓... 100

FIGURE 2.78 :PALIERS DE TEMPERATURES POUR 34% D’HUMIDITE POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒕 ... 100

FIGURE 2.79 :PALIERS DE TEMPERATURES POUR 93% D’HUMIDITE POUR LES EPROUVETTES 𝒆𝒍 ... 100

FIGURE 2.80 :DUREES DU PALIER POUR 10% ... 101

FIGURE 2.84 :COMPARAISON DES DUREES DE PALIERS... 101

FIGURE 2.85 :MIGRATION DE L’EAU DANS LE BOIS ... 102

FIGURE 2.86 :ORIENTATION DES FIBRES PAR RAPPORT AU FEU... 102

FIGURE 2.87 :COMPARAISON ENTRE LES SENS DES FIBRES POUR X=4CM DU FEU (CHENE)... 103

FIGURE 2.88 :COMPARAISON ENTRE LES SENS DES FIBRES POUR X=3CM DU FEU(CHENE)... 103

FIGURE 2.91 :DIFFUSIVITE THERMIQUE DU EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ... 104

FIGURE 2.92 :DETERMINATION DE LA VITESSE DE CARBONISATION DU BOIS... 105

FIGURE 2.93 :VITESSE DE CARBONISATION DU BOIS EN FONCTION DE L’HUMIDITE ... 106

FIGURE 3.1 :DISCRETISATION SPATIALE DE LA TIGE METALLIQUE. ... 113

FIGURE 3.2 :LES PRINCIPAUX TYPES D’ELEMENTS FINIS. ... 117

FIGURE 3.3 :EXEMPLE DE MAILLAGE 2D. ... 117

FIGURE 3.4 :EXEMPLE DE MAILLAGE 3D. ... 117

FIGURE 3.5 :EXEMPLE DE DISCRETISATION D’UNE STRUCTURE... 118

FIGURE 3.6 :DEGRES DE LIBERTE D’UN NŒUD. ... 118

FIGURE 3.7 :PASSAGE DE L’ELEMENT A LA STRUCTURE GLOBALE. ... 119

FIGURE 3.8 :EXEMPLE DE DEFORMEE D’UNE STRUCTURE. ... 119

FIGURE 3.9 :EXEMPLE DE CHAMPS DE CONTRAINTES. ... 119

FIGURE 3.10 :SCHEMA DE DISTRIBUTION DE LA MATIERE SECHE ET DE L’EAU DANS LE BOIS... 123

FIGURE 3.11 :LES MECANISMES PRIMAIRES DE LA PYROLYSE DE LA BIOMASSE [FIN09]. ... 125

FIGURE 3.12 :DISTRIBUTION DES PERTES EN MASSE DES COMPOSES DU BOIS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE. ... 125

FIGURE 3.13 :DENSITE DE MASSE VOLUMIQUE ET CHALEUR SPECIFIQUE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LE MODELE... 126

FIGURE 3.14 :CONDUCTIVITE THERMIQUE DU BOIS. ... 127

FIGURE 4.1 :COMPARAISON ENTRE ESSAI ET MODELE POUR BOULON Φ16. ... 136

FIGURE 4.2 :COMPARAISON ENTRE ESSAI ET MODELE POUR BROCHE Φ16. ... 136

(21)

XVIII

FIGURE 4.4 :ELEMENTS FINIS SOLIDES... 140

FIGURE 4.5 :MAILLAGE DE LA SECTION DE L’EPROUVETTE AVEC L’ISOLANT AUTOUR. ... 141

FIGURE 4.6 :MAILLAGE EN PERSPECTIVE DE L’EPROUVETTE... 141

FIGURE 4.7 :TIGE AVEC CONDITIONS AUX LIMITES. ... 142

FIGURE 4.8 :COMPARAISON ENTRE MODELE EF ET ESSAIS (X=10CM DU FEU)... 142

FIGURE 4.9 :COMPARAISON ENTRE MODELE EF ET ESSAIS (X=15CM DU FEU)... 142

FIGURE 4.10 :MODELE EF DE L’ASSEMBLAGE. ... 143

FIGURE 4.11 :MODELE EF DE LA BROCHE ET DU BOULON... 143

FIGURE 4.12 :CONDUCTIVITE THERMIQUE (GAUCHE) ET CHALEUR SPECIFIQUE (DROITE) DU BOIS POUR LE MODELE EF. ... 143

FIGURE 4.13 :CARBONISATION DU BOIS (EXPERIMENTALE A ET NUMERIQUE B)... 144

FIGURE 4.14 :COMPARAISON DES DEUX ETUDES POUR TC2 ET TC4 BROCHE 20 MM. ... 145

FIGURE 4.15 :COMPARAISON DES TC2,TC3 ET TC4 POUR BOULON 20 MM. ... 145

FIGURE 4.16 :COMPARAISON DES TC9,TC10 ET TC12 POUR BROCHE 16MM. ... 146

FIGURE 4.17 :COMPARAISON DES TC9,TC10 ET TC11 POUR BOULON 16 MM. ... 146

FIGURE 4.18 :EQUILIBRE HYGROSCOPIQUE DU BOIS [MOU02]... 150

FIGURE 4.19 :ISOTHERME DE SORPTION DE L’EPICEA [BAS85]. ... 150

FIGURE 4.20 :VARIATION DE XP0 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE... 151

FIGURE 4.21 :VARIATION XPF0 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE... 151

FIGURE 4.22 :ISOTHERME DE SORPTION DU BOIS UTILISE POUR LE MODELE. ... 152

FIGURE 4.23 :EQUILIBRE HYGROSCOPIQUE UTILISEES POUR LE MODELE... 152

FIGURE 4.24 :GEOMETRIE MAILLAGE ET CONDITIONS LIMITES DU MODELE. ... 153

FIGURE 4.25 :PROFILS DE TEMPERATURES EN FONCTION DE L’ABSCISSE. ... 153

FIGURE 4.26 :PROFILS DE LA PRESSION ADIMENSIONNELLE EN FONCTION DE L’ABSCISSE. ... 154

(22)

XIX Nomenclature

Lettres latines Majuscules

T Température °C

𝑇𝑒 Température ambiante °C

𝑇_𝑖𝑛 Température dans le four °C

𝐶_𝑝 Chaleur spécifique J/ (kg.K)

𝑀_𝑒𝑙 Moment élastique de la section de la tige N.m

𝑀_𝑝𝑙 Moment plastique de la section de la tige N.m

𝑀_{𝑦,𝑅𝑘} Moment plastique caractéristique de la section de la tige N.m

𝐹𝑣,𝑅𝑘 Capacité de résistance caractéristique de l’assemblage par plan de _{cisaillement et par tige} N

𝐸_𝑅 Module d’élasticité suivant la direction radiale MPa

𝐸_𝑇 Module d’élasticité suivant la direction tangentielle MPa

𝐸_𝐿 Module d’élasticité suivant la direction longitudinale MPa 𝐺_𝑇𝐿 Module de cisaillement suivant le plan Tangentiel-Longitudinal MPa 𝐺_𝑅𝐿 Module de cisaillement suivant le plan Radial-Longitudinal MPa 𝐺_𝑅𝑇 Module de cisaillement suivant le plan Radial- Tangentiel MPa

H Humidité relative %

TC Thermocouples

U Tension mesurée par le capteur de flux de chaleur mV

𝑃_𝑟 Nombre de Prandtl 𝐺_𝑟 Nombre de Grashof 𝑁_𝑢 Nombre de Nusselt

𝐶_𝑖 Côtés des éprouvettes de bois avec i = 1, 2, 3 cm

D Coefficient de diffusivité thermique m2_/s

Z Quantité de matière dans le bois

𝑌_𝑝𝑠𝑓 ou

𝑋_𝑝𝑠𝑓 Teneur en eau point de saturation des fibres du bois %

𝑋_{𝑝𝑠𝑓0} Variation de 𝑋_𝑝𝑠𝑓 en fonction de la température

𝑋𝑝0 Valeur de l’humidité qui permet de décaler le point de tangente infini à HR=0 %

HR Humidité relative de l’air %

P Pression Pa

𝑃_𝑎𝑡𝑚 Pression atmosphérique Pa

Lettres latines minuscules

𝑓_ℎ Portance locale du bois MPa

𝑓_{ℎ,𝛼,𝑘} Portance locale caractéristique du bois MPa

t Temps d’exposition au feu min

𝑒_𝑝 Epaisseur de la plaque métallique dans l’assemblage mm

𝑡_𝑖 Epaisseur de l’élément en bois avec i = 1 ou 2 mm

d Diamètre de la tige métallique mm

𝑑_𝜌 Densité de masse volumique

𝑓𝑦 Limite d’élasticité de la tige métallique MPa

ℎ_𝑐 Coefficient de transfert convectif W/m2_.K

(23)

XX

b Moitié de la hauteur de l’écrou mm

Lettres latines grecques

𝜆 Conductivité thermique W/ (m.K)

𝜀 Porosité

𝜀_𝑅 La déformation axiale suivant la direction radiale du bois 𝜀_𝑇 La déformation axiale suivant la direction tangentielle du bois 𝜀_𝐿 La déformation axiale suivant la direction longitudinale du bois 𝛾_𝑇𝐿 La déformation angulaire dans le plan Tangentiel-Longitudinal 𝛾_𝑅𝐿 La déformation angulaire dans le plan Radial-Longitudinal 𝛾_𝑅𝑇 La déformation angulaire 2.dans le plan Radial- Tangentiel

𝜏_𝑇𝐿 Contrainte de cisaillement dans le plan Tangentiel-Longitudinal MPa 𝜏_𝑅𝐿 Contrainte de cisaillement dans le plan Radial- Longitudinal MPa 𝜏_𝑅𝑇 Contrainte de cisaillement dans le plan Radial- Tangentiel MPa

𝛾 Rapporte entre la surface totale de la tige au feu et sa section réelle 𝛾₁ 𝛾 pour la broche

𝛾₂ 𝛾 pour le boulon

α Angle de l’effort par rapport au sens du fil du bois °

𝛽₀ Vitesse de combustion unidimensionnelle du bois mm/min

𝛽_𝑛 Vitesse de combustion fictive incluant l’effet des arrondis en coins et des

fentes mm/min

∆𝑥 Espacement entre les thermocouples cm

φ Densité de flux de chaleur W/m2

∇

⃗⃗ Operateur gradient

(24)

(25)

(26)

3 Le bois, matériau vivant, chaleureux, naturel, autant de qualificatifs associés au bois, matériau tendance revient en force sur le devant de la scène de conception des bâtiments. Il a beaucoup à offrir pour améliorer la performance environnementale globale des bâtiments. Cette impulsion prend toute son importance à l’heure où les nouveaux enjeux, posés par la qualité environne mentale des bâtiments et le développement durable, nécessitent de reconsidérer l’acte de construire. Les structures en bois présentent d’autres avantages tels que la légèreté, la rapidité de la mise en œuvre, la diminution du coût de construction, etc. Le bois est donc appelé à une utilisation importante dans le domaine de la construction. Ce développement nécessite une bonne maitrise de la connaissance du comportement des structures en bois.

Ces structures sont formées d’éléments en bois assemblés les uns avec les autres à l’aide d’organes métalliques que sont les boulons, les broches, les pointes, etc.., formant des liaisons mécaniques, lesquelles sont renforcées parfois par des plaques métalliques. Ces assemblages représentent en effet des éléments clés au sein de la structure et la réponse mécanique de leur comportement conditionne le comportement global de la structure. Ces zones d’assemblages constituent des endroits vulnérables lors d’une sollicitation thermique de type incendie. La compréhension de leur comportement mécanique nécessite donc une attention particulière, non seulement, vis-à-vis de l’exposition au feu, mais aussi, vis-à-vis du couplage des flux thermique et hydrique diffusés dans les liaisons.

Par ailleurs, la combustibilité du bois a constitué par le passé un frein important à son développement dans les structures et suscite parfois de nombreuses interrogations quant à la sécurité des structures en bois en cas d’incendie. Cependant, les recherches scientifiques ont montré que le bois pré sente une bonne tenue au feu. En effet le bois brûle en se consumant lentement et conserve ses propriétés mécaniques plus longtemps que d’autres matériaux [CEN 04a]. En situation d’incendie, de par sa faible conductivité thermique, le bois transmet beaucoup moins vite la chaleur que le béton, l’acier et l’aluminium. Par conséquent, le cœur des éléments en bois est protégé de l’incendie plus longtemps. Il présente une vitesse de carbonations moyenne de 0,70mm/min [CEN 04a] et lors de la combustion, il se forme en surface des éléments en bois une couche carbonisée qui, étant six fois plus isolante que le bois lui-même, freine la combustion et constitue ainsi une protection thermique pour la partie interne des sections transversales. Ne se déformant pas, les ossatures et poteaux-poutres en bois conservent leurs capacités mécaniques plus longtemps que les autres types de structure.

Néanmoins les contraintes d’exigences architecturales et de résistance mécanique l’obligent à u ne cohabitation matérielle avec l’acier par l’introduction d’organes d’assemblages (plaques métalliques, broches, boulons,…) dans les liaisons de ses éléments. Ainsi les phénomènes de transferts thermique et hydrique dans les liaisons bois-métal lors d’un incendie deviennent très vite complexes avec la présence d’éléments en acier [CEN 03] [AUD 10a] [AUD 10b] [AUD 12] [AUD 13]. Cette complexité réside dans la différence, à la fois de rigidité mécanique et de perméabilité thermo -hydrique entre matériaux. Elle se répercute sur les évolutions dans le temps des propriétés mécaniques et thermo -physiques des éléments, en particulier, celles de la conductivité thermique et de la chaleur spécifique au cours du temps sous l’action du feu [CEN 04a] [AUD 10] [MIS 98].

Lorsqu’une liaison bois-métal est exposée au feu, chaque matériau se trouve réagir en fonction de ses caractéristiques thermo-physiques. La vitesse de diffusion du flux thermique dans cette dernière est hétérogène et dépend de la conductivité thermique de chaque matériau (bois et acier). Lorsque la température évolue dans le temps à travers le matériau, l’eau contenue dans le bois migre des zones à pressions partielles élevées vers les zones à pressions partielles plus faibles et des zones plus humides vers des zones moins humides. Elle s’accumule souvent aux interfaces des matériaux imperméables. Le flux thermique est donc forcément couplé à un flux hydrique, lequel, lorsque la température dépasse 90°C environ, provoque une réaction chimique endothermique de changement de phase.

(27)

4 Cette réaction provoque à son tour un ralentissement de la combustion des éléments soumis au feu, dont la nature et la durée dépendent du degré d’humidité du bois et de la perméabilité des matériaux. Ce phénomène a été fortement constaté lorsqu’il s’agit d’une liaison équipée de plaques métalliques, lesquelles, avec une imperméabilité forte de l’acier, jouent le rôle de barrière hydrique et l’eau s’accumule aux interfaces bois/métal [CEN 03] [AUD 10a] [AUD 12] [AUD 13] [LAP 06]. Ainsi le ralentissement de la combustion a été représenté par un pic du coefficient de chaleur spécifique du bois, calé sur des valeurs expérimentales, lorsque la température se situe entre 90°C et 110°C [CEN 03] [RAC 10] [MIS 98] [ERC 10], ce qui correspond à la plage de température où l’eau passe de l’état liquide à l’état vapeur. En réalité cette hypothèse permet de simplifier les calculs numériques mais elle est loin de décrire réellement le phénomène physico-chimique de changement de phase des gaz lors de la combustion du bois.

Le calcul de la structure en bois en situation d’incendie doit garantir que les éléments structuraux résistent aux efforts auxquels ils sont exposés durant un certain temps, et assurer que les déformations structurelles ne dépassent pas les limites définies par le type d’édifice. Pour qu’une structure soit considérée comme sûre, le comportement de ses assemblages doit correspondre aux hypothèses utilisées dans le calcul, car la distribution des efforts entre les éléments structuraux e t la déformation globale de la structure sont influencées par le manque de rigidité au niveau des assemblages. C’est pour cette raison que plusieurs travaux ont été réalisés dans le domaine des assemblages, essayant de comprendre leur comportement et identifiant les facteurs qui influent le plus sur leur comportement [WIL 78] [WIL 80] [HIR 82] [LE 95] [BLE 00] [MOR 03] [LAP 06] [BOH 09] [AUD 10a]. L’Eurocode 5 partie 1-2 portant sur les structures bois au feu et qui est la référence normative en la matière propose des méthodes simplifiées de calculs des assemblages mais par contre reste beaucoup dans le domaine sécuritaire. Néanmoins, il est toujours ouvert pour des propositions scientifiques justifiées. Par exemples des études portant sur l’influence des organes d’assemblages, de la présence de l’humidité au sein des matériaux, sur les propriétés thermo -physiques du bois contribueront à l’obtention de modèles numériques de calculs beaucoup plus réalistes.

Les études menées à travers le projet Européen « Fire in Timber » entre 2006 et 2010 en partenariat avec le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) et l’institut Pascal de Clermont-Ferrand ont montré la complexité du phénomène physico-thermo-mécanique dans les assemblages en bois et ont mis en évidence l’effet du gradient hydrique dans le bois en situation d’incendie [AUD 10a] [LAP 06]. Une volonté de poursuivre ces études a été exprimée en 2011 et concrétisée par l’intermédiaire d’un stage de Master Recherche au cours duquel un dispositif expérimental a été monté avec succès au site de l’IUT de Montluçon. Il permet de solliciter des éprouvettes d’assemblages bois par l’action de l’incendie.

Cette thèse s’inscrit donc dans la poursuite de ces études afin de comprendre et de maitriser au mieux les transferts thermique et hydrique dans le bois en présence d’obstacles ou de discontinuités matérielles. Elle se divise en quatre partie numérotées de une à quatre.

La première partie porte sur une brève et simple étude bibliographique sur les assemblages bois. Dans un premier temps, on va parler du comportement à froid des assemblages ainsi que de ces différents composants dont le bois et les organes de connexion. On va voir ensuite, qu’en situation d’incendie, les assemblages ont fait l’objet de nombreuses recherches tant sur les phénomènes de l’enfoncement de la tige dans le bois que sur la répartition des efforts entre les organes d’assemblages. Dans un second temps, l’évolution des propriétés thermo-physiques du bois en fonction de la température est présentée et analysée. L’étude du comportement à chaud des assemblages bois est également abordée à travers les quelques exemples qu’on trouve dans la littérature. L’approche règlementaire est ensuite présentée.

(28)

5 La deuxième partie est consacrée à l’étude expérimentale. Dans l’objectif d’appréhender réellement le mode de diffusion de chaleur dans les organes d’assemblage, elle commencera par la présentation d’une première section (A) portant sur l’étude d’un cas simple d’assemblage bois mono-tige soumis à l’action du feu ISO 834. La carbonisation du bois est analysée ainsi que les champs thermiques au sein des différents composants. L’influence du type de tiges métalliques sur les assemblage s est également analysée. Suite à cette étude, il a paru intéressant, voire nécessaire de mener d’autres investigations sur les deux composants principaux de l’assemblage (le bois et les organes d’assemblages). Car les tiges doivent être mises dans leur environnement de service et la diffusion thermique interne dépend des configurations géométriques des liaisons. Ainsi la deuxième section (B) de cette partie, sous une certaine hypothèse où les matériaux entourant les tiges peuvent être considérés comme isolants, porte sur l’étude des transferts de chaleur le long des tiges métalliques (boulons et broches). Une analyse qualitative et quantitative sur le type d’organes est présentée, surtout en mettant en évidence l’influence de l’aire de l’action thermique. Différents diamètres seront utilisés et les champs thermiques au sein des tiges sont mesurés. Une analyse de l’effet de l’humidité autour des tiges est également présentée. En raison de la grande disparité entre les caractéristiques thermiques de l’acier et du bois, ce dernier peut être considéré sous certaines hypothèses de niveau d’échauffement comme isolant pour les organes métalliques. Ainsi une troisième section (C) également consacrée à la caractérisation des propriétés thermo-physiques (conductivité thermique et masse volumique) de la laine de roche à haute température. En effet la laine de roche a servi comme matériau protecteur des tiges contre le feu lors des essais. Donc dans cette section (C), des essais à chaud sont réalisés sur ce matériau. Les évolutions en fonction de la température de la conductivité thermique et de la masse volumique de la laine de roche sont déterminées. Enfin une dernière section dédiée à l’étude d’éprouvettes bois soumises à l’action du feu ISO 834. L’influence de l’eau sur les champs de températures et sur la carbonisation ainsi que la diffusivité du bois sont étudiées.

Dans la troisième partie, on abordera le calcul des assemblages et des éléments d’assemblages par des méthodes numériques. Elle se divise en trois sections. Dans un premier temps et afin d’étudier le transfert de chaleur dans les tiges métalliques, une première section (A) a été consacrée à la modélisation simple et unidirectionnelle basée sur un schéma numérique des différences finies. Elle présente les avantages de rapidité et de simplicité mais elle ne peut introduire les interactions thermiques entre les tiges d’assemblages et son environnement de service. Par contre elle a permis de mettre en évidence l’influence thermique des surfaces sollicitées sur la propagation de chaleur le long des tiges.

Dans l’état actuel des connaissances, le calcul numérique des structures bois sous incendie a été toujours approché par un modèle, basé sur les éléments finis, et purement thermique avec quelques ajustements pour tenir compte des effets hydriques. La deuxième section (B) est donc consacrée de façon générale à l’étude des assemblages par la méthode des éléments finis classiques en utilisant un code de calcul professionnel. Elle commencera par une brève présentation de la méthode. Ensuite un état de l’art concernant le calcul des assemblages à froid et à chaud par la méthode des éléments finis est réalisé. Il permet la mise en place d’un modèle de transfert thermique d’assemblages, mais il doit tenir compte des résultats expérimentaux pour la calibration de certains paramètres thermo-hydrique. Dans la troisième section (C), une modélisation générale thermo-physique a été élaborée et un modèle de transfert de chaleur et de masse dans l’élément de structure bois est présenté. Ce modèle a été écrit à partir d’une discrétisation par éléments finis surfaciques. La définition des grandeurs de calculs, les différentes équations de transports, les équations de conservations et de relations thermodynamiques sont présentées et commentées. Les résultats du modèle sont présentés dans la partie 4.

(29)

6 Enfin une dernière partie est dédiée à l’étude comparative entre les résultats des différents modèles numériques et les résultats expérimentaux. Les deux premiers modèles portent sur les transferts thermiques seuls à travers les organes d’assemblages (boulons et broches). Le premier est basé sur la méthode des différences finies. Cette méthode est efficace et grâce à sa mise en œuvre simple, une première conclusion est dégagée sur les champs thermiques obtenus. La deuxième est obtenue à partir des calculs par le code d’éléments finis (Msc.Marc). Des comparaisons sont faites pour différents endroits de l’assemblage. Ensuite les résultats du modèle globale de transfert thermo -hydrique sont présentés. Une analyse des résultats du modèle de transfert thermo-hydrique est également réalisée.

(30)

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(31)

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9

Section A : Le matériau bois et les

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10

1. _{Le matériau bois à froid}

1.1 _{Généralités sur le bois}

Le bois est la matière ligneuse et compacte qui compose les branches, le tronc et les racines des arbres et des arbrisseaux. C’est un ensemble de tissus composés de fibres ligneuses, de parenchyme et de vaisseaux. En complément à cette définition, la norme NF B 50-003 définit le bois comme « un ensemble de tissus résistants secondaires (de soutien, de conduction, et de mise en r éserve) qui forment les troncs, branches et racines des plantes ligneuses. Issu du fonctionnement du cambium périphérique, il est situé entre celui-ci et la moelle. Ne s’applique pas aux monocotylédones (bambous, palmiers, rotins) ».

Le bois possède des structures complexes à différentes échelles d’observation. A l’échelle macroscopique, on distingue trois directions principales. Sur un tronc d’arbre, la direction longitudinale 𝐿 est celle qui est parallèle à l’axe du tronc. Sur une coupe transversale du tronc, il y a le sens radial 𝑅 qui va de l’écorce vers le centre occupé par le bois de cœur et le sens tangentiel 𝑇 qui est un sens circonférentiel tangentiel aux cernes de croissance. On note également sur une section de tronc d’arbre, la présence de différentes couches. De la périphérie vers l’intérieur, nous avons l’écorce, le liber, le cambium, l’aubier et enfin le duramen ou le bois parfait.

Figure 1. 1 : Aspect macroscopique d'une section de bois.

Figure 1. 2 : Coupes et directions principales dans un tronc d’arbre.

Le sens de l’axe longitudinal 𝐿 apparait comme étant la direction pour laquelle les caractéristiques de résistance et de rigidité du bois sont les plus élevées. Bien que les propriétés du bois varient suivant chacune des trois directions, les différences entre les deux directions transversales apparaissent comme secondaires en comparaison de leurs différences respectives avec la direction longitudinale. C’est la raison pour laquelle nombre des propriétés du bois fournies en vue d’application structurale ne sont données que dans deux directions : la direction parallèle et la direction perpendiculaire au sens du fil. Ainsi sa structure lui confère un caractère hétérogène et anisotrope assimilé à un comportement orthotrope transverse. Les trois directions (longitudinale, radiale et tangentielle) sont des directions d’anisotropie du bois pour un grand nombre des propriétés physiques, mécaniques et technologiques.

(34)

11 En termes de composition organique, le bois se compose principalement de matières organiques, d’eau et de substances minérales. Apres plusieurs étapes et transformations du bois, la composition va se modifier en cellulose, en lignine et en d’autres substances minérales, qui forment les cendres (graisses, minéraux, composés carbonés). Ces différents composants sont regroupés dans le Tableau 1.1 ci-dessous.

𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒊𝒕𝒖𝒂𝒏𝒕𝒔 𝒅𝒖 𝒃𝒐𝒊𝒔 𝑬𝒏 𝒑𝒐𝒖𝒓𝒄𝒆𝒏𝒕𝒂𝒈𝒆

cellulose de 40 à 50%

Lignine de20 à 30%

Hémicellulose de 15 à 25%

Matières organiques et minérales 0,5 à 2%

Tableau 1. 1 : Composition organique du bois [CNDB 11].

Figure 1. 3 : Composition atomique du bois [CNDB 11].

Et en termes de composition atomique, le bois se compose presque toujours de 50% de carbone, de 43% d’oxygène, 6% d’hydrogène, de 1% d’azote et [CNDB 11].

1.2 _{Propriétés mécaniques du bois}

Les caractéristiques mécaniques du bois, très importantes pour le dimensionnement des structures, varient en fonction de l’essence, et au sein de l’arbre lui-même, qui est hétérogène (densités différentes du bois initial et du bois final, cernes de croissances d’épaisseurs variables, présence d’aubier et de duramen, direction des fibres parfois non parallèle à l’axe du tronc ou l’axe longitudinal de l’élément, présence de nœuds, etc.) et anisotrope (ses caractéristiques mécaniques et physiques varient selon les trois directions longitudinale, radiale et tangentielle).

Les modules d’élasticité, les modules de cisaillement et les coefficients de poisson sont associés à la description du comportement élastique selon les axes d’orthotropie du bois. Le module de rupture en flexion, les contraintes en compression parallèle et perpendiculaire aux fibres, la contrainte en traction et la contrainte en cisaillement parallèle aux fibres sont associées à la description de la résistance.

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12

1.2.1 _{Comportement élastique orthotrope}

Le bois est souvent considéré comme un matériau orthotrope élastique linéaire à l’échelle macroscopique [PER 00]. Son comportement instantané sous contrainte modérée est régi par la loi de Hooke qui fournit une relation entre contraintes et déformations. En raison de l’orthotropie du bois, l’écriture matricielle de la loi de comportement dépend de 9 grandeurs indépendante s : 3 modules de Young, 3 modules de cisaillement et 3 coefficients de Poisson [HAD 85] [GUI 87] [PER 00]. Dans le repère d’orthotropie, ce système matriciel s’écrit de la façon suivante :

[ εR εT εL γTL γRL γRT] = [ 1 ER −νRT ET −νRL EL 0 0 0 −νTR ER 1 ET −νTL EL 0 0 0 −νLR ER −νLT ET 1 EL 0 0 0 0 0 0 1 GTL 0 0 0 0 0 0 1 GRL 0 0 0 0 0 0 1 GRT] [ σR σT σL τTL τRL τRT] (1.1) 𝜀𝑅, 𝜀𝑇, 𝜀𝐿 ∶ 𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑖𝑣𝑎𝑛𝑡 𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑅, 𝑇 𝑒𝑡 𝐿; 𝜎𝑅, 𝜎𝑇,𝜎𝐿∶ 𝑙𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑖𝑣𝑎𝑛𝑡 𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑅, 𝑇 𝑒𝑡 𝐿; 𝛾𝑇𝐿,𝛾𝑅𝐿, 𝛾𝑅𝑇:𝑑𝑒𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒𝑠 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑠 𝑇𝐿, 𝑅𝐿 𝑒𝑡 𝑅𝑇; 𝜏𝑇𝐿,𝜏𝑅𝐿 , 𝜏𝑅𝑇∶ 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑖𝑙𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒𝑠 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑠 𝑇𝐿, 𝑅𝐿 𝑒𝑡 𝑅𝑇.

1.2.2 _{Influence de la masse volumique}

On trouve dans la littérature des valeurs indicatives pour les essences les plus courantes [BOD 73] [GUI 87] [MOR 94]. On note que ces différentes grandeurs sont influencées par la masse volumique, la teneur en eau, la température, la durée de chargement. Des modèles prévisionnels reportés dans le Tableau 1.2 permettent de trouver les propriétés en fonction de la densité [GUI 94], avec 𝑑_𝜌 la masse volumique divisée par 1000.

VALEURS DES MODULES D’ELASTICITE (MPA) EN FONCTION DE LA MASSE VOLUMIQUE Feuillus à H= 12% 0,1 <𝑑𝜌< 1,2 Résineux à H = 12% 0,1 <𝑑𝜌< 1,2 𝐸𝐿 𝟏𝟒𝟒𝟎𝟎 × (𝒅÷ 𝟎,𝟔𝟓)𝟏,𝟎𝟑 _{𝟏𝟑𝟏𝟎𝟎 + 𝟒𝟏𝟕𝟎𝟎𝐱(𝒅− 𝟎,𝟒𝟓)} 𝐸𝑅 𝟏𝟖𝟏𝟎 × (𝒅÷ 𝟎,𝟔𝟓)𝟏,𝟑 _{𝟏𝟎𝟎𝟎+ 𝟐𝟑𝟕𝟎 × (𝒅− 𝟎,𝟒𝟓)} 𝑬𝑻 𝟏𝟎𝟑𝟎× (𝒅 ÷ 𝟎, 𝟔𝟓)𝟏,𝟕𝟒 𝟔𝟑𝟔 + 𝟏𝟗𝟏𝟎× (𝒅 − 𝟎, 𝟒𝟓) 𝑮𝑻𝑳 𝟗𝟕𝟏× (𝒅 ÷ 𝟎, 𝟔𝟓)𝟏,𝟐𝟔 𝟕𝟒𝟓+ 𝟗𝟖𝟗 × (𝒅 − 𝟎,𝟒𝟓) 𝑮𝑳𝑹 𝟏𝟐𝟔𝟎× (𝒅 ÷ 𝟎, 𝟔𝟓)𝟏,𝟏𝟒 𝟖𝟔𝟏 + 𝟐𝟎𝟖𝟎× (𝒅 − 𝟎, 𝟒𝟓) 𝑮𝑹𝑻 𝟑𝟔𝟔× (𝒅 ÷ 𝟎, 𝟔𝟓)𝟏,𝟕𝟒 𝟖𝟑,𝟔 + 𝟐𝟐𝟖 × (𝒅 − 𝟎,𝟒𝟓)

(36)

13

1.2.3 _{Influence de l’humidité}

Quant à l’effet de l’humidité, Guitard [GUI 87] a proposé des formules de correction des modules d’élasticité sur une plage de 6 à 20% d’humidité à partir des valeurs supposées connues à 12% comme suit : { 𝐸𝐿= 𝐸𝐿12 [1 − 0,015(𝐻 − 12)] 𝐸𝑅 = 𝐸𝑅12[1 − 0,030(𝐻 − 12)] 𝐸𝑇= 𝐸𝐿12[1 − 0,030(𝐻 − 12)] 𝑒𝑡 𝐺𝑅𝑇= 𝐺𝑅𝑇12 [1 − 0,030(𝐻 − 12)] 𝐺𝑇𝐿= 𝐺𝑇𝐿12[1 − 0,030(𝐻 − 12)] 𝐺𝐿𝑅= 𝐺𝐿𝑅12[1 − 0,030(𝐻 − 12)] _(1.2)

1.2.4 _{Quelques valeurs caractéristiques}

L’Eurocode 5 [CEN 04a] propose des valeurs caractéristiques de calcul pour les différentes classes de bois. Ces valeurs conviennent bien au calcul et au dimensionnement des structures. En revanche pour des travaux de recherches, il serait plus judicieux de procéder à des essais pour obtenir des caractéristiques réelles. Cela permet par exemple d’obtenir des comparaisons significatives entre différentes études scientifiques.

Tableau 1. 3 : Propriétés mécaniques du bois massif classé (Résineux) [EN338 09].

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14

1.3 _{Eau dans le bois : hygroscopie}

L’eau, élément indispensable à la croissance des végétaux, est très présente dans le bois. Quand l’arbre meurt ou est abattu pour être transformé en bois d’œuvre, le matériau retient une certaine quantité d’eau en équilibre avec les conditions de température et d’humidité du milieu ambiant. La quantité d’eau présente dans l’arbre varie également avec l’essence, la zone considérée.

Le bois est un matériau hygroscopique : il peut fixer ou libérer des molécules d’eau gazeuse en fonction du degré d’hygrométrie de l’air dans lequel il se trouve. La fixation de l’eau se fait sur des groupements chimiques hydroxyles (composé d’un atome hydrogène et d’un atome d’oxygène) qui ont une grande affinité pour l’eau avec laquelle ils établissent des liaisons faibles : les liaisons hydrogènes. La cellulose et les hémicelluloses comportent de nombreux groupements hydroxyles et ont donc de bonnes capacités d’absorption. Des liaisons hydrogène existent aussi entre les différentes molécules, celluloses et hémicelluloses. Lorsque l’eau vient se fixer sur les chaines de celluloses, celles-ci sont éloignées les unes des autres. C’est ce qui produit le gonflement du bois, observé lorsque l’humidité de l’air augmente [SAM 12].

1.3.1 _{Les phases de l’eau}

L’eau dans le bois se présente sous plusieurs phases :

- Eau libre ou capillaire, elle occupe les vides cellulaires et est soumise aux forces capillaires et de gravité. Ces forces de capillarité sont responsables du transport de la sève brute (des racines vers la cime des arbres) ;

- Eau liée ou adsorbée, cette eau qui est à l’origine des modifications physiques et mécaniques du bois tel le retrait/gonflement libre. C’est une eau dite hygroscopique liée principalement sur les chaines cellulosiques qui composent les parois cellulaires. Tant que l’eau libre est présente dans les cavités, ces parois cellulaires sont saturées et la quantité d’eau liée est appelée « Point de Saturation des Fibres » ou PSF. Ce PSF est de l’ordre de 30% pour pratiquement toutes les essences. Il est particulièrement important car les variations dimensionnelles se manifestent uniquement en dessous de cette valeur ;

- Vapeur d’eau, la vapeur d’eau est présente dans les cavités et les micropores dans le cas où ces derniers ne sont pas saturés en eau libre. Si l’eau libre est présente, la pression de vapeur prend sa valeur saturante. Si l’eau libre n’existe pas dans les cavités, la vapeur entre en équilibre thermodynamique avec l’eau liée présente sur les parois cellulaires. Cette vapeur d’eau n’est pas titrable, c’est-à-dire qu’elle n’est pas quantifiable par une simple connaissance de l’état hydrique d’un échantillon. D’autres paramètres liés à la structure du matériau bois, notamment la porosité, sont nécessaires pour quantifier la vapeur d’eau dans une pièce de bois ;

- Eau de constitution, elle participe à l’élaboration des molécules du squelette du matériau bois.

1.3.2 _{L’humidité du bois}

Par convention et pour une plus grande facilité de mesure, la quantité d’eau présente dans le bois est exprimée comme un pourcentage de la masse anhydre (après séchage à 103°C jusqu’à obtention d’une masse constante). Elle s’exprime par la formule suivante [ALE 90] :

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15 H(%) = H O M_O × 100 (1.3) Avec : 𝐻(%) 𝑙𝑒 𝑡𝑎𝑢𝑥 𝑑’ℎ𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑏𝑜𝑖𝑠, 𝑀_𝐻 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑜𝑢 𝑝𝑜𝑖𝑑𝑠 𝑑𝑢 𝑏𝑜𝑖𝑠 à 𝑙’ℎ𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝐻 𝑀_𝑜 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑎𝑛ℎ𝑦𝑑𝑟𝑒

Cette détermination dite par « double pesée » est la seule permettant d’obtenir une précision suffisante à des fins techniques ou scientifiques. La plupart des hygromètres mesurent la résistivité du bois avec une précision de 2% dans une plage d’humidité comprise entre 7 et 30%. Les mesures ne sont plus fiables au-delà.

Il existe d’autres variables telles que la concentration et la saturation pour caractériser l’état hydrique dans un échantillon. L’utilisation de ces variables a été source de confusion quant aux traitements des données et l’interprétation des résultats [KOU 04]. Le choix de l’une de ces variables impose l’utilisation de ses paramètres propres [MER 06]. Par la suite nous n’utiliserons que la teneur en humidité définie par l’équation 1.3 ci-dessus.

1.3.3 _{Equilibre hygroscopique}

L’équilibre hygroscopique du bois, ou humidité d’équilibre, est l’humidité vers laquelle tend un échantillon de bois lorsqu’il est placé dans des conditions de température et d’humidité relative de l’air HR définies. Cet équilibre hygroscopique du bois, à quelques très rares exceptions près, n’est pas, ou de façon négligeable, influencé par l’essence du bois.

Les courbes d’équilibre hygroscopique des bois (Figure 1.5) permettent de déterminer l’humidité vers laquelle tend le bois placé dans des conditions de températures et d’humidité relative de l’air données. Les cinétiques de stabilisation reposent principalement sur l’importance des sections de bois de mise en œuvre.