LGCIV2043 : Structures en bois - issd.beissd.be/PDF/BOIS_Partie 1.pdf · Michel Monhonval,...

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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois

LGCIV2043 : Structures en boisPierre Latteur

Version Septembre 2017

Partie 1 :Le matériau bois

Je tiens à remercier vivement les personnes suivantes qui ont contribué directement ou indirectement à la rédaction de ce support de cours :

Dominique Langendries (CSTC et ex-UCL), qui a mis à ma disposition ses excellentes notes de cours et slides (Cours AMCO2386, UCL et KUL, Architecture avec le bois, de 2001 à 2005)

Catherine Doneux (UCL), qui a mis à ma disposition les slides qu’elle utilisait lorsqu’elle donnait ce même cours avant moi (jusqu’en 2013-2014), et qui ont inspiré certaines parties

Thierry Decamps (UMons), qui a mis à ma disposition son syllabus très complet et très pédagogique (Dimensionnement et technologie des structures en bois, introduction à l’EC5, volumes 1 et 2, janvier 2014, Faculté Polytechnique de Mons), ainsi que ses transparents de cours, qui ont inspiré certaines parties

Hugues Frère, et Emmanuel Defays, respectivement directeurs des incontournables Houtinfobois et Office économique wallon du bois, qui ont grandement contribué à améliorer ma « culture bois » pendant de longues années de collaborations sporadiques

Albert Mahy, professeur retraité à l’ECAM, pour avoir également grandement contribué, à travers les séminaires qu’il a donné à mes étudiants bioingénieurs de l’Ulg pendant de longues années, à améliorer mes connaissances dans le vaste domaine de la construction en bois

Le CSTC, en particulier Gauthier Zarmati et Audrey Skowron pour les échanges concernant l’EC5

Alexandre Rossignon du bureau WOW pour la transmission de ses connaissances « FEU » et « CLT »

Michel Monhonval, infatigable retraité passionné et l’un des plus fins connaisseurs de l’Eurocode 5 en Belgique selon moi, qui a relu et corrigé minutieusement l’ensemble de ce cours. Je tiens à souligner ici l’inestimable aide qu’il m’a apportée, qui a grandement contribué à en faire un document de qualité

Jacques Hébert, professeur à l’Ulg/Agro-Bio Tech, qui a relu la partie 1 de ce cours et contribué à la rendre plus rigoureuse

Pierre Latteur, Janvier 2016

Avertissement : le cours de Mécanique des structures

LGCIV1022, dispensé en BAC13, est un prérequis indispensable à

ce cours de structures en bois(Si vous ne l’avez pas suivi, veuillez en informer le professeur)

Avertissement : l’auteur de ce document (transparents des parties 1 à 5) décline toute

responsabilité quant aux conséquences directes ou indirectes, quelle qu’en soit la nature, qui

résulteraient de l’utilisation de son contenu, qui n’a pas la prétention de se substituer aux

normes en vigueur

Table des matières du cours

PARTIE 1 : LE MATÉRIAU BOIS

Chapitre 1 : Les arbres, la forêt, le contexte de la production du boisChapitre 2 : Bref historique de la construction en boisChapitre 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la constructionChapitre 4 : Anatomie du boisChapitre 5 : Le bois, la température et l’eauChapitre 6 : Durabilité du bois : préservation, finition, conceptionChapitre 7 : Caractéristiques mécaniques du bois

PARTIE 2 : CALCUL ELU ET ELS DES ÉLÉMENTS STRUCTURAUX

Chapitre 8 : Eléments structuraux en bois massifChapitre 9 : Eléments structuraux en bois lamellé-colléChapitre 10 : Actions, cas de charges, combinaisons de (cas de) chargesChapitre 11 : Calcul des flèches selon les critères définis par l’EC5Chapitre 12 : Résistance en section : critère de dimensionnementChapitre 13 : Intégration du flambement dans les critères de dimensionnementChapitre 14 : Intégration du déversement dans les critères de dimensionnementChapitre 15 : Eléments courbes en BLCChapitre 16 : Poutres à inertie variable

PARTIE 3 : SYSTÈMES PORTEURS

Chapitre 17 : Eléments structuraux dérivés du boisChapitre 18 : Systèmes porteurs des bâtimentsChapitre 19 : TreillisChapitre 20 : Poutres sous-tenduesChapitre 21 : Poutres continues, poutres cantileverChapitre 22 : ArcsChapitre 23 : PortiquesChapitre 24 : Autres systèmes constructifsChapitre 25 : Contreventement

PARTIE 4 : ASSEMBLAGES

Chapitre 26 : GénéralitésChapitre 27 : Assemblages traditionnels (bois-bois)Chapitre 28 : Description des types de tiges et connecteurs métalliquesChapitre 29 : Théorie de Johansen, calcul des assemblages à tiges selon l’EC5Chapitre 30 : Assemblages boulonnésChapitre 31 : Assemblages brochés, cloués et vissésChapitre 32 : Rigidité des assemblages, calculs ELS

PARTIE 5 : LE BOIS ET LE FEU

Chapitre 33 : Généralités et réglementation belgeChapitre 34 : Calcul des aspects REI selon l’EC5-partie1-2

PARTIE 6 : THÈMES COMPLÉMENTAIRES

Chapitre 35 : Calcul des panneaux d’OSBChapitre 36 : Calcul des panneaux de contreplaqué

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Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours

Dimensionnement et technologie des structures en bois, introduction à l’EC5, volumes 1 et 2, février 2015, Faculté Polytechnique de Mons, Prof. Thierry Descamps

L’ouvrage est très détaillé et couvre la plupart des aspects liés à la construction en bois

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Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours

Calcul des structures en bois,Guide d'application del'Eurocode 5 (structures bois)et de l'Eurocode 8 (séismes),Yves Benoit et al,Afnor éditions/Eyrolles3ème édition 2014

Sommaire :

Pour aborder l'eurocode 5Vérifier les sectionsVérifier les assemblages par contact direct, ou à entaillevérifier la section du bois autour de l'assemblageAssemblage par tigesAssemblage par pointes et agrafesAssemblage par boulons et brochesAssemblage par tire-fonds, anneaux et cramponsComposant et assembleurJustification des structures au feuEffet du séisme sur les structuresTableaux de synthèse

Du même auteur, un autre ouvrage très complémentaire avec de nombreux exercices résolus et commentés : « Construction bois : l’Eurocode 5 par l’exemple. Le dimensionnement des barres et des assemblages en 30 applications »

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Autre ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours

De nombreuses figures présentes dans les transparents de ce cours proviennent de cet ouvrage. Toutefois, il est davantage axé sur la norme suisse et n’est pas exhaustif ou détaillé concernant de nombreux aspects liés à la construction en bois

Construction en bois,J. Natterer, J.-L. Sandoz et M. Rey,Traité de génie civil de l’EPFL, Vol. 13, Presses polytechniques et universitaires romandes,2ème édition 2004

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Autre référence intéressante

L’une des très nombreuses publications remarquables du cstc : « Cstc contact, Edition spéciale : la construction en bois » (2013).

Essentiellement axé sur les ossatures bois, il passe en revue les problèmes essentiels de ce type de construction : feu, acoustique, détails constructifs, assemblages, …

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…La masse volumique est utilisée dans certains cas, avec comme unités les kg/m3

…Le poids volumique est aussi utilisé avec comme unités les kN/m3 (en particulier pour les calculs de résistance pour lesquels le Newton est utilisé (N))

Avertissement : dans ce cours…

Facteurs de conversion :

1 kg/m3 = 9,81 N/m3 = 9,81.10-3 kN/m3 10-2 kN/m3

1 kN/m3 = 1000 N/m3 = 101,9 kg/m3 100 kg/m3

Pierre LatteurCours de : Structures en bois

Chap. 1 : Les arbres, la forêt,le contexte de la production du bois

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Le bois compense l’effet de serre

IN : H2O+ sels minéraux

IN : CO2

OUT : O2

+ H2O(transpiration)

1,5 t de CO2 1 t de bois + 1,1 t de O2

Cette fonction est capitale pour l’environnement : les océans (phytoplancton) et les forêts sont les deux “stockeurs” principaux de CO2

Un hêtre de 25 m de hauteur libère chaque jour la quantité d’O2 que respirent 3 personnes (par jour)

Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse)

Le bois utilisé dans la construction constitue un stockage utile de CO2 (après démolition de l’ouvrage en fin de vie, le CO2 est restitué à l’atmosphère par différents processus)

Non exploité, le bois pourrit sur place et restitue le CO2 à l’atmosphère, sauf une partie de celui enfoui dans le sol (racines) qui est en partie minéralisé par dégradation anaérobie et constitue aussi un stockage utile de CO2

+H2O

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Le bois compense l’effet de serre

IN : H2O+ sels minéraux

IN : CO2

OUT : O2

+ H2O(transpiration)

1,6 t de CO2 1 t de bois + 1,1 t de O2

Cette fonction est capitale pour l’environnement : les océans (phytoplancton) et les forêts sont les deux “stockeurs” principaux de CO2

Un hêtre de 25 m de hauteur libère chaque jour la quantité d’O2 que respirent 3 personnes

Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse)

Le bois utilisé dans la construction constitue un stockage utile de CO2 (après démolition de l’ouvrage en fin de vie, le CO2 est restitué à l’atmosphère par différents processus)

Non exploité, le bois pourrit sur place et restitue le CO2 à l’atmosphère, sauf une partie de celui enfoui dans le sol (racines) qui est minéralisé par dégradation anaérobie et constitue aussi un stockage utile de C02.

+H2O

Il faut empêcher la déforestation car les arbres sont :- Une source de production d’O2

- Un moyen de stockage permanent de CO2 dans le bois- Un moyen de stockage permanent de C dans le sol

L’utilisation du bois, notamment dans la construction, est pertinente car il constitue aussi un moyen de stockage du CO2. Ceci ne peut s’envisager que si les forêts sont gérées et replantées afin de maintenir ou mieux, augmenter la surface mondiale de forêts.

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La gestion des forêts

Réflexion démarrée dans les années 1970 et développée/planifiée à un niveau international (crise pétrolière, catastrophes écologiques, exploitation abusive des forêts tropicales..) :

1987: rapport Brundtland (Nations Unies), « Répondre aux besoins du présent sans pour autant compromettre la capacité des générations futures de répondre à leurs propres besoins »

1992: sommet « Planète Terre » à Rio

1993 et 1998: Helsinki et Lisbonne (protection des forêts européennes)

1997: conférence de Kyoto

2002: sommet de Johannesburg

…

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La certification par écolabels

Garantir que le bois acheté est bien originaire d’une forêt gérée de manière “durable”. Ces écolabels n’ont pas tous le même degré d’exigence

Création en 1993 de l’ONG “FSC=Forest Stewardship Council”, qui a permis de donner un cadre commun

applicable tant aux grandes forêts tempérées que tropicales ou

boréales, en définissant 10 grands principes de gestion

Création en 1997 d’un label plus adapté au mode de production de

forêts plus morcelées et diversifiées, que l’on rencontre davantage en

Europe et en Belgique : PEFC=Pan European Forest Certification Scheme

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Les forêts du monde

Source : adefc-cartographie.fr

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Répartition des forêts dans le monde

Ci-contre : superficie de forêts, en millions de km2), par continent, avec pourcentage de couverture du territoire (FAO 2010/Houtinfobois)

Ci-contre : 8 pays possèdent chacun plus de cent millions d'ha de forêts et ensemble plus de 63 % des forêts du monde (Houtinfobois, 2014)

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Répartition des forêts en Wallonie (Chiffres 2015)

En Wallonie, 32.3 % de la superficie totale est couverte de forêts, contre 11% en Flandre

En Wallonie, le pourcentage de feuillus s’élève à 57 % et 43 % de résineux

En Wallonie, 53% des forêts sont privées et on dénombre 100.000 propriétaires, possédant une superficie moyenne très faible inférieure à 3 Ha.

Tous les jours en Wallonie, 6 ha d’épicéas disparaissent

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Résineux

Les essences principales en Wallonie

Hêtre(100 à 150 ans)

(400 ans)

Peuplier(25 ans)

(200 ans)

Chêne(150 à 250 ans)

(500 à 1000 ans)

En Belgique et ailleurs, ce sont principalement les résineux, et en particulier l’Epicéa, qui est utilisé dans le domaine de la construction. Il possède en effet 2 avantages : croissance rapide, troncs droits et longs (sciage facile)

Feuillus

Mélèze(50 à 80

ans)(800 ans)

pin Sylvestre

(80 à 100 ans)(300 ans)

Douglas(50 à 80 ans)

(600 ans)

Épicéa(50 à 120 ans)

(200 ans…)

25 m

Entre parenthèses : âge d’exploitation idéal (***) et ordre de grandeur de la durée de vie en l’absence de sylviculture (***)

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Le hêtre

Utilisation :Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage,objets cintrés ou tournés, jouets, traverses,…et de plus en plus en structure

6…10 cm

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Le chêne

Utilisation :Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage,charpente, tonnellerie, piquets, bateaux, traverses, bardage,…

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Le peuplier

Utilisation :Menuiserie intérieure, charpente (fermettes industrielles),placage, caisserie/palettes et emballages,jouets,lamellé-collé, allumettes

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L’épicéa(Sapin de Nöel)

Utilisation :Charpente,structure/ossatures,mobilier,plancher,contreplaqué,Lambris,bardages extérieurs (si traitement),bateaux, piquets (si traitement),terrasses (si traitement),lutherie,palettes/emballages,…

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Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,structures et ouvrages d’art,châssis,bardages extérieurs,…

Le mélèze (meilleure durabilité que l’épicéa)

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Le pin sylvestre(=sapin rouge du nord)

Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,châssis,bardages,…

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Le douglas (=Oregon Pine)

Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,structures et ouvrages d’art,châssis,bardages,objets divers,…

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Un peu de vocabulaire…

Grume : tronc abattu, ébranché, écimé

Houppier : ensemble des branches, des rameaux, du feuillage au-dessus de la première couronne de grosses branches

Charpentière : une branche principale de grosse taille

Tronc : partie d'un arbre comprise entre les racines et la naissance des branches maîtresses

Nœud : partie de la branche englobée dans le bois

Souche : base de l’arbre, y compris ses racines. C’est ce qui reste dans le sol quand l’arbre a été abattu et évacué

Billon : morceau de grume

On trouvera dans le guide « Bois-guide pour le bon usage » publié en 2012 par Houtinfobois.be un lexique complet (Chapitre 6)

Rondin : billon de petit diamètre

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La filière bois dans la construction

Francy Simon, 1999

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Les organismes en lien avec la filière bois en Belgique (liste non exhaustive)

Association belge pour la protection du bois (ABPB) : organisme d’homologation des produits de protection du bois

Artexis - Bois et habitat (bois-habitat.com) : organisateur, entre autres, du salon annuel « Bois et habitat »

Centre national d’information du bois (Woodforum.be) : organisme dépendant du commerce du bois et faisant la promotion du matériau bois

Centre de formation bois (och-cfb.be) : soutient, accompagne et conseille les entreprises et (futurs) salariés des secteurs bois en leur offrant des formations adaptées

Centre technique et scientifique de la construction (cstc.be) : mène des recherches scientifiques et techniques dans de nombreux domaines, dont le bois, fournit une assistance à ses membres, contribue au développement du secteur de la construction

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(Suite)

Houtinfobois (Houtinfobois.be) : centre d’information technique sur le matériau bois. Leur site web comporte une multitude d’informations utiles, ainsi que des programmes de calcul

FOREM-Wallonie bois (formation-wallonie-bois.be) : offre de nombreuses formations professionnelles dans le domaine du bois

Département de l’Etude du Milieu Naturel et Agricole (DEMNA) : centre de recherche de la Région wallonne, spécialisé, entre autres, dans la protection du bois

Centre technique de l’industrie du bois (CTIB, ctib-tchn.be) : centre de recherche, de certification et d’assistance technique du secteur de la seconde transformation du bois

Institut belge de normalisation (IBN) : édite l’ensemble des normes à considérer dans le domaine du bois, en particulier l’EC5

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(Suite)

De nombreux autres acteurs existent, dont la liste est reprise sur le site de l’OEWB : www.oewb.be

Union belge pour l’agrément technique dans la construction (UBatc) : L'UBAtc est un institut qui délivre des agréments techniques pour des matériaux, produits, systèmes de construction et pour des installateurs

UCL – formation continue post-universitaire « Bois dans la construction » (sites.uclouvain.be/formation-continue-bois) : formation annuelle organisée par l’UCL, très complète, proposant différents modules à la carte

L’office économique wallon du bois (oewb.be) : organisme ayant pour mission la stimulation du développement économique de la filière bois

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Quelques sites web intéressants

http://www.woodskyscrapers.com/projects.html : site reprenant une liste importante (mais non exhaustive) des bâtiments en bois multi-étagésde par le monde

http://www.ted.com/talks/michael_green_why_we_should_build_wooden_skyscrapers

http://www.lignatec.fr/references/bureaux-et-logements-r5-a-strasbourg-67 : Ensemble de logements avec bureaux sur 6 niveaux, zone sismique, bois visible

http://www.ib-miebach.de/cms/front_content.php?client=1&idcat=0http://www.schaffitzel-miebach.com/en/index.html :Deux bureaux d’études allemands avec de très belles réalisations en bois


Chap. 2 : Bref historique de la construction en bois

Pont de Lucerne en Suisse : construit en 1333, il est le plus vieux pont en bois couvert d’Europe. Il a une longueur de 204 m. Dans la nuit du 17

au 18 août 1993, un incendie probablement dû à une cigarette le détruit. Les habitants,

incrédules, observent la destruction du symbole de leur ville. Il sera reconstruit à l’identique.

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1ères habitations nomades en bois à partir de -35.000 ans.

1ers villages sédentaires de huttes en bois à partir de -9000 ans

1 cm = 20 millénaires

400 millénaires

- 400 M

Invention de la roue (-6.500)

Exploitation du feu(-400.000 ans)

Homo Sapiens(-150.000 ans)

5.000 ans

5millénaires

Jésus-Christ 1 cm = 250 ans

250 500 750 1000 1250 1500 1750-2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250-3000 -2750 -2500 -2250 20000

Galilée 16e S,Précurseur de la Résistance

des matériaux

Khéops

Pont du Gard

Temples Maya

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1 cm = 250 ans

250 500 750 1000 1250 1500 1750-2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250-3000 -2750 -2500 -2250 20000

Galilée 16e S,Précurseur de la Résistance

des matériaux

Khéops

Pont du Gard

Temples Maya

Les formes rectangulaires remplacent les

huttes circulaires

(Moyen-Orient, puis Europe)

1er siècle après J-C : le grec

Pline l’Ancien donne une description précise des

essences forestières, des

outils et des colles utilisés

dans la construction

Jésus-Christ

Les temples grecs utilisent abondamment le bois pour les charpentes de

couverture, associé à la

pierre

1er siècle après J-C : les romains excellent déjà dans la maîtrise des charpentes triangulées en

bois, avec des portées probables jusqu’à 30 m (ex : palais de

Domitien)

Basilique de Saint-Paul à Rome (450) : longueur 131 m, largeur 65 m, hauteur 30 m. Poutres principales probablement aboutées par trait de Jupiter. Le fer est utilisé dans les

assemblages

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1 cm = 50 ans

1700 1800 19001200 1300 1400 15001000 1100 20001600

Galilée :naissance de la résistance

des matériaux

Cathédrales gothiques

Tour de Pise

Début de la construction de Notre-Dame de

Paris et sa charpente en chêne (1300

chênes – 21 Ha de forêt)

Charpente du château de Sully

(France), en parfait état de conservation

depuis 600 ans

Plusieurs centaines d’églises en bois construites en Scandinavie,

dont plusieurs dizaines sont encore visibles aujourd’hui

Pont de Lucerne (Suisse)

Palladio (Italie) construit des ponts et invente la poutre

treillis en bois

Naissance des Ecoles

d’ingénieurs en France (Pont et

Chaussées : 1747)

Révolution industrielle

l’acier supplante le bois

Le béton s’impose partout

19ème et 20ème siècles : le bois est relégué au second plan par l’acier et le béton, bien que de

nombreux ponts de chemins de fer sont construits au 19ème

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Switzerland_Lucerne.jpg?uselang=fr

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Des années 60 à nos jours : de la renaissance au renouveau

Les colles performantes, l’essor du lamellé-collé, l’invention de nouveaux assemblages, les

possibilités de préfabrication, l’image « durable » du bois, ainsi que

quelques réalisations marquantes d’architectes et d’ingénieurs font

germer un nouveau souffle au bois dans la construction

Sea Ranch Houses (USA, 1968, MLTW)

Marché couvert à Gand - 1964Portée de 98m!

Halles de Courtrai 1968

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Quelques réalisations contemporainesparmi beaucoup d’autres…

Delphinarium à Bruges - 1990 (ingénieur Van Wetter)

Coupole de 64m de diamètre

Comptoir forestierà Marche-en-Famenne - 1995

(architecte: Ph.Samyn,ingénieurs: Setesco)

51 arcs de rayon identique43mx27mx12,5m

Libramont Exhibitions & Congress -2014 (arcs de portée 60m). Architecte : Synergy International, ingénieurs : MC² sprl

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(Suite du transparent précédent)

En Belgique, les immeubles de plus de 2 étages se font encore

quasiment exclusivement en béton. Le bois ne reste encore utilisé que pour la construction

des maisons unifamiliales ou des petits ouvrages

Pont Leonardo (Norvège, 2001)

Immeuble Rez+3 entièrement en bois construit à Molenbeek en 2008

(Entreprise De Graeve)


Chap. 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la construction

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Les avantages du bois

Renouvelable naturellement : la graine plantée, la nature fait le reste…

Recyclable : réutilisation des éléments, compostage, brulage

Bon rapport (résistance)/(poids propre)

Ecobilan positif : source d’oxygène et permet un stockage de CO2

Peu énergivore : sa production ainsi que sa transformation consomment relativement peu d'énergie (30 fois moins que l'acier. Si le bois est transformé (lamellé-collé par exemple), il est relativement équivalent au béton armé ).

Aspect chaleureux, surtout en intérieur

Plus résistant au feu que l’acier…mais moins que le béton : la vitesse de carbonisation étant lente, le bois intact sous la couche de charbon de bois conserve ses propriétés mécaniques et continue à assurer sa fonction portante

Isolant thermiquement : une cloison à ossature bois de 16 cm équivaut en isolation à un mur en briques d'un mètre d'épaisseur.

Maniable, léger et préfabricable

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Les inconvénients du bois

Sensible au pourrissement, à certaines maladies, à certains insectes. Sa mise en œuvre doit être bien réfléchie et maîtrisée : donc, nécessité d’une construction avec des détails d’architecture et de structure soignés, accompagnée de bonnes prescriptions de préservation, sous peine d’être peu durable dans le temps

Les caractéristiques mécaniques sont très anisotropes, ce qui en fait un matériau particulièrement difficile à maîtriser d’un point de vue du calcul et conception…peu de bureaux d’études maîtrisent le domaine !

Les assemblages sont souvent mixtes, avec de l’acier : ils sont complexes à calculer et leur conception est délicate

Le bois possède des défauts naturels, comme les nœuds et les fentes, qui doivent soit être pris en compte dans la conception et le calcul, soit être éliminés ou mieux répartis, par exemple en utilisant du lamellé-collé

Le bois peut être aussi glissant que la glace (en plancher extérieur par exemple)

Aspect visuel parfois mauvais lorsque le bois est mal mis en œuvre (coulées, teintes, mousses,…)

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Les inconvénients du bois

Sensible au pourrissement, à certaines maladies, à certains insectes. Sa mise en œuvre doit être bien réfléchie et maîtrisée (elle ne l’est pas toujours, même par ceux qui prétendent maîtriser ce vaste domaine!) : donc, nécessité d’une construction avec des détails d’architecture et de structure soignés, accompagnée de bonnes prescriptions de préservation, sous peine d’être peu durable dans le temps

Les caractéristiques mécaniques sont très anisotropes, ce qui en fait un matériau particulièrement difficile à maîtriser d’un point de vue du calcul…peu de bureaux d’études s’y risquent!

Les assemblages sont souvent mixtes, avec de l’acier : ils sont complexes à calculer et leur conception est délicate

Le bois possède des défauts naturels de structure, comme les nœuds, qui doivent soit être pris en compte dans la conception et le calcul, soit éliminés ou mieux répartis, par exemple en utilisant du lamellé-collé

Le bois peu être glissant (en plancher extérieur)

Le bois peu être laid quand il est mal mis en œuvre (coulées sur bardages)

On l’aura compris, le bois est un matériau fantastique, mais il ne peut être durable dans le temps QUE s’il est accompagné d’une

conception irréprochable (géométrie, détails d’assemblage,

liaisons avec les fondations, évacuation des eaux,…), d’un calcul précis, de prescriptions

adéquates (protection, imprégnation, finition,…), d’une mise en œuvre irréprochable…et

d’un entretien régulier!


Chap. 4 :Anatomie du bois

FILM

../Film.avi

../Film._Scan poutre_Nancy.avi

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Coupe transversale dans un tronc ou une brancheDuramen (s’il est coloré), bois dit « parfait » (terme général): rôle de soutien mécanique. C’est la zone ayant les meilleures caractéristiques de durabilité

Liber (=écorce interne) : par où circule la sève descendante.

Cambium : tissu très fin (quelques microns) permettant la croissance en épaisseur. Vers l’intérieur, il produit l’aubier. Vers l’extérieur, il produit le liber

Aubier (bois fonctionnel) : épais de quelques cm, constitué de cellules vivantes récemment formées. Sensible aux champignons et insectes mais facilement imprégnable. La sève ascendante y circule.

Sur certains arbres, les différentes zones sont clairement visibles. Sur d’autres comme l’épicéa, elles le sont moins.

Ecorce (=écorce externe) : bois mort protégeant l’intérieur

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L’âge réel de l’arbre est identifiable seulement à la base du tronc

Croissance de l’arbre et composition chimique

La composition varie très peu d’une essence à l’autre :- C : 50%- O : 43%- H : 6%- N, minéraux divers : 1%

Ces éléments se combinent pour former 3 types de “macropolymères” :- Cellulose : 40…50%- Hémi-cellulose : 25…40%- Lignine : 20…35%

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Les résineux(= conifères)

Canal avec résine

Direction radialeDirection

longitudinale

Direction tangentielle

Rayons ligneux (=parenchyme)

Cellules appelées trachéides, à l’axe de l’arbre (longueur de quelques mm, largeur de 0,05 mm, section carrée).Elles sont discontinues et placées en recouvrement les unes au dessus des autres

Bois initial (printemps), servant de transport de sève

Bois final (été), servant

de support mécanique

Ponctuations aréolées = ouvertures transversales reliant les fibres verticales et permettant par exemple l’imprégnation avec des produits de préservation

1 cerne (=1 an de croissance)

Trachéides (fibres) dans les résineux

Coupe verticale dans une trachéide

1 à

5 m

m

51


1 c

ern

e

Coupe horizontale

( tronc)

Coupe verticale

tangentielle (tangente aux

cernes)

Epicéa (résineux) : vues au microscope électronique

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Les feuillus

Les rayons ligneux sont plus abondants chez les

feuillus, ce qui leur confère de meilleures

caractéristiques mécaniques

transversales

Direction longitudinale

Rayons ligneux (=parenchime)

1 cerne (=1 an de croissance)

Cellules appelées vaisseaux, à l’axe de l’arbre et mises bout à bout, les unes après les autres (longueur de 1 mm, section ronde).

Direction radiale

Direction tangentielle

Trachéides, comme pour les résineux (appelée fibre pour les feuillus)

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Chêne : vues au microscope électronique

1 c

ern

e

Coupe horizontale

( tronc)

Coupe verticale

tangentielle (tangente aux

cernes)

Vaisseau (vertical)

Trachéides pleines

(verticales)

Parenchyme (radial)

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Quelles différences entre le résineux et le feuillus ?

Les résineux comptent un nombre assez limité d’espèces (500), alors que la diversité est beaucoup plus grande (500x) chez les feuillus

Les résineux sont apparus il y a 350 millions d’années, alors que les feuillus sont plus récents et datent d’il y a 150 millions d’années

Poids volumique : celui des résineux est globalement inférieur à celui des feuillus (sauf quelques exceptions comme le peuplier, le balsa, l’if), chez qui il varie très fort d’une espèce à l’autre, alors qu’il est uniforme pour les résineux

Chez les résineux, les fonctions de transport de sève et de soutien mécanique sont assurés par les mêmes cellules (trachéides), alors que chez les feuillus, ces 2 fonctions sont assurées par 2 types de cellules : des vaisseaux, s’étendant des racines aux feuilles, pour le transport de sève, et des trachéides, mais pleines, pour le soutien mécanique

56


Vues microscopiques comparéesrésineux-feuillus (coupes tronc)

Epicéa (résineux)

Hêtre, érable, tilleul,… (feuillus à porosité diffuse : vaisseaux

uniformément répartis)

Chêne, frêne,… (feuillu à porosité annulaire : vaisseaux

concentrés dans le bois de printemps)


Chap. 5 :Le bois, la température et l’eau

58


Rappels : humidité de l’air

Humidité absolue de saturation [g/m3] = masse de vapeur d’eau maximale que peut contenir 1 m3

d’air humide. Elle dépend à la fois de la pression atmosphérique et de la température ambiante. A saturation, un léger refroidissement ou une légère augmentation de pression liquéfie une certaine quantité de vapeur

Humidité absolue [g/m3] = masse de vapeur d’eau par m3 d’air humide

[%]]/[

]/[3

3

mgsaturationdeabsolueHumidité

mgabsolueHumidité

Humidité relative [%] = rapport entre l’humidité absolue et l’humidité absolue de saturation pour une T° et une pression atmosphérique donnée :

Teneur en eau (ou rapport de mélange) [g/kg] : rapport entre la masse de vapeur d’eau et la masse d’air sec

59


Rappel : diagramme de l’air humide (diagramme de Mollier)(ci-dessous : valable pour patm=101325 Pa)

Remarque : sur un diagramme de Mollier

(parfois appelé diagramme de Carrier),

l’ordonnée représente la teneur en eau et non

l’humidité absolue

Teneur en eau(en g/kg d’air sec !)

Température (°C)

A 25°, un kg d’air peut contenir au maximum 20 g

de vapeur d’eau Courbes d’humidité relative [%]

Cet air que l’on refroidit de 20° à 2° va commencer à condenser une

partie de sa vapeur d’eau

60


Les 3 eaux du bois

Le bois sur pied est constitué en majorité :

De lignine, hémicellulose et surtout de cellulose, ayant une forte propension à se lier aux molécules d’eau (groupements hydroxydes OH). Cette eau s’appelle eau liée. On peut l’extraire par séchage sans altérer les propriétés intrinsèques du bois

D’eau libre, contenue à l’intérieur des pores (= trachéides pour les résineux et vaisseaux pour les feuillus)

D’eau de constitution, chimiquement liée et appartenant à la matière organique elle-même. Elle ne peut en sortir sans altération et destruction du bois

On appelle MASSE ANHYDRE (M0) la masse d’un bois dont on a extrait l’entièreté de l’eau libre et de l’eau liée

Coupe transversale dans du balsa : nombreux pores

61


Taux d’hygroscopie w du bois (=teneur en eau)

Au moment de l’abattage :

La plupart des feuillus : w=80…100%Résineux : w=100…150%Peuplier : w jusqu’à 200%Balsa : w jusqu’à 500%

%0

0

ManhydreMasse

ManhydreMassehumideMassew

w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois secw=100% masse d’eau = masse de bois sec

w=200% masse d’eau = 2 x masse de bois sec

Etapes de séchage (naturel ou forcé) du bois après abattage :

Perte de l’eau libre, (on atteint w=30% pour quasiment toutes les essences). L’évacuation n’a pratiquement aucune incidence ni sur les propriétés mécaniques ni sur le volume

Ensuite, perte de l’eau liée (w=30…15…0%), jusqu’à une stabilisation à un w d’équilibre hygroscopique qui dépend de l’humidité de l’air et de la T°, mais peu du type de bois. Ici, grandes variations de volume (retrait ou gonflement)!

62


%0

0

ManhydreMasse

ManhydreMassehumideMassew

w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois secw=100% masse d’eau = masse de bois sec

w=200% masse d’eau = 2 x masse de bois sec

Taux d’hygroscopie w du bois, processus de séchage

Au moment de l’abattage :

Résineux : w=100…150%La plupart des feuillus : w=80…100%Peuplier : w jusqu’à 200%Balsa : w jusqu’à 500%

Etapes de séchage (naturel ou forcé) du bois après abattage :

Perte de l’eau libre, qui correspond à w=30% pour quasiment toutes les essences. L’évacuation n’a pratiquement aucune incidence ni sur les propriétés mécaniques ni sur le volume (mais le poids volumique diminue de l’ordre de 30%)

Ensuite, perte de l’eau liée (w=30…0%), jusqu’à une stabilisation à un w d’équilibre hygroscopique qui dépend de l’humidité et de la T° ambiante, mais peu du type de bois. Ici, grandes variations de volume (retrait ou gonflement)!

Un bois sur pied (hypothèse : w=100%) pèse deux fois plus que le même bois anhydre :

0

0

0 2)(

1 MMBSPM

MMBSPpiedsurboisduMasse

0

0

0 15,1)(

15,0 MMBMOM

MMBMOoeuvreenmisboisduMasse

MBSPMBMO 57,0Donc, entre l’abattage et la mise en

œuvre, le bois perd 43% de sa masse :

Un bois mis en œuvre (hypothèse : w=15%) pèse 15% en plus que le même bois anhydre :

63


L’équilibre hygroscopique entre le bois et l’air ambiant

Température ambiante

Humidité relative de l’air ambiant

Teneur en eau d’équilibre du bois

La température influence(un) peu l’équilibre

Le taux d’hygroscopie du bois peut se mesurer au moyen d’un hygromètre, qui mesure la résistivité du bois entre 2 électrodes qui y sont enfoncées

Valeurs usuelles de en Belgique à l'EXTERIEUR

Eté : T°=20°C, =70% w=13 %

Hiver : T°=0°C, =85% w=19 %

Mise en œuvre

du bois

conseillée à

w=16%

Valeurs usuelles de en Belgique à l'INTERIEUR

Eté : T°=20°C, =70% w=13 %

Hiver : T°=20°C, =35% w=7 %

Mise en œuvre

du bois

conseillée à

w=10%

64


Quelques règles de bonne pratique

Sachant que plus la différence entre le w du bois et le de l’air, lors de la construction, est importante, plus les variations dimensionnelles seront grandes , il convient de :

Ne mettre en œuvre que du bois pour lequel l’eau libre a été totalement évacuée (w<30%) par séchage naturel ou en autoclave (ci-contre)

Mesurer le taux hygrométrique du bois lors de la mise en œuvre, de manière à ce qu’il soit le plus en équilibre possible avec le ambiant moyen (voir page suivante)

Concevoir les détails d’assemblage et d’architecture de manière à autoriser les variations dimensionnelles

Evaluer par calcul la valeur des variations dimensionnelles

Entreposer le bois sur le lieu de la construction pendant plusieurs mois afin que l’équilibre se crée avant mise en œuvre

65


Quelques règles de bonne pratique (suite)

La colonne « valeur moyenne » du tableau ci-contre donne les valeurs recommandées du taux hygroscopique w du bois lors de sa mise en œuvre

Le marquage CE des bois sciés à usage structural assure que, pour un taux hygrométrique de 20 %, la classe de résistance (C24, D30, …) sera celle qui est annoncée

Autre source :

66


Plus un bois est dense, plus il contient de la matière cellulosique, plus il est susceptible de fixer (ou libérer) de l’eau, plus les variations dimensionnelles seront grandes

Les variations longitudinales sont toujours négligeables, alors que les variations radiales et tangentielles sont très grandes

Axe longitudinal

Axe tangentiel

En séchant, les variations de longueur des cercles concentriques sont 2x plus importantes que celles des rayons apparition de contraintes interneset fentes radiales

Axe radial

Quantification des variations dimensionnelles

67


Quantification des variations dimensionnelles (suite)

Exemple : parquet en chêne constitué de lamelles parallèles placées entre 2 murs espacés de 5m :

Mise en œuvre du parquet à w=10%

Valeurs usuelles de en Belgique à l'INTERIEUR

Eté : T°=20°C, =70% w=13 %

Hiver : T°=20°C, =35% w=7 %

Mise en œuvre

du bois

conseillée à

w=10%

En été : w=13%, en hiver : w=7%, soit des écarts de 3% par rapport à la situation de pose.

Les variation de longueur sont donc de :

!5,2850003100

19,0:)(1 mmLradialCas

!4850003100

32,0:)(2 mmLtangCas

LwL 100

tangentiel radial longitudinal

Epicéa 0,37 0,19 0,01

Pin 0,32 0,19 0,01

Mélèze 0,44 0,24 0,01

Hêtre 0,38 0,22 0,01

Chêne 0,32 0,19 0,01

Coefficient de retrait ou gonflement moyen [%/%]

68


Influence du type de débitage (sciage) : petites planches

Retrait Forme initiale Gonflement

69


Influence du type de débitage (sciage) : gros éléments

Ci-contre : pratiquer des entailles de retrait pour éviter une fissuration anarchique (dès l’abattage, avant que le bois ne commence à sécher)

70


Poids volumique du bois (à sec (w=0%) : 0, humide : w)

Le poids volumique spécifique de la matière qui compose le bois sec (w=0%) est invariableselon les espèces (15 kN/m3)

+ le poids volumique est élevé, plus les caractéristiques mécaniques sont bonnes

Le poids volumique est soit exprimé à sec (0 pour w=0%) soit, souvent, pour w=12…15%. Ils sont peu différents, car, si le bois humide est plus lourd, il est aussi plus volumineux (5 à 7% d’écart)

Figure ci-contre pour l’épicéa suisse : grande distribution

des valeurs du poids volumique (w=0%),

dépendant du climat et de nombreux autres facteurs

Selon la nature des cellules, la porosité et l’hygroscopie, le poids volumique réel varie, surtout pour les feuillus, entre 1 kN/m3 (balsa) et 13 kN/m3 pour les bois les plus lourds (bois exotiques comme l’amourette)

Poids volumique apparent 0

[kN/m3] (bois sec, w=0%)

Peuplier 2,7…3,5…4,5

Epicéa 3,5…4,2…5,0

Douglas 3,2…4,7…7,3

Pin 4,4…5,1…5,8

Mélèze 6,1…6,4…6,7

Hêtre 6,4…6,8…7,2

Chêne 6,0…7,0…7,7

71


Dilatation thermique du bois

Variation dimensionnelle d’un élément de longueur L soumis à un T : ][mmLTL

[mm/mm/°C]

Sens tangentiel : 25.10-6…60.10-6

Sens radial : 15.10-6…45.10-6

Sens longitudinal : 3.10-6…6.10-6

Acier 12.10-6

béton 12.10-6

Bois

Souvent, on néglige les dilatations thermiques du bois car Les variations dimensionnelles sont souvent absorbées dans les jeux des assemblages


Chap. 6 : Durabilité du boisPréservation, finition, conception

73


Les organismes xylophages : les champignons

Très nombreuses variétés parfois difficiles à diagnostiquer : mérule, Poriade Vaillant, Coniophora,…

Deux grandes catégories : - ceux qui détruisent le bois et qui altèrent ses propriétés mécaniques

- ceux qui décolorent le bois et altèrent son esthétique (bleuissement)

L’apparition et le développement nécessitent plusieurs conditions :

- infection par des spores amenés par l’air, par des chaussures,…- taux d’hygroscopie du bois supérieur à w=22% (c-à-d >85%). Le bois présent à l’intérieur d’un bâtiment bien construit et entretenu n’est donc en principe pas exposé au développement des champignons

- apport en O2 suffisant (champignons=organismes aérobies) : le bois totalement immergé n’est pas sensible aux champignons (Venise)

- températures favorables (mais déjà à partir de 5° pour la mérule)

La redoutable mérule peut anéantir une structure en bois en quelques mois

74


Un cas de pourriture du bois : la Tour de Gedinne

Construite en 2001, démolie en 2008 à cause de la

pourriture du douglas qui contenait de l’aubier,

reconstruite en 2012 en acier

76


Les organismes xylophages : les larves d’insectes

Nombreuses espèces : capricorne, petite vrillette (qui attaque les meubles et le papier des livres), grande vrillette (appelée aussi « horloge de la mort), Lyctus, termites (pas signalées en Belgique mais bien en France), …

3 catégories :

- celles qui s’attaquent au bois sur pied- celles qui ne s’attaquent qu’au bois (mort)humide et/ou déjà attaqué par un champignon,et qui jouent un rôle important dans le cycle naturel des forêts

- celles qui s’attaquent au bois sec, donc les plus dangereuses : en particulier capricorne (s’attaquant surtout à l’aubier des résineux) et petite vrillette

Le développement du capricorne et de la petite vrillette est favorisé si :

- t° moyennes > 10° (idéal à 23° pour petite vrillette et 30° pour capricorne)- taux d’hygroscopie w du bois > 10% et le pire à 25…35%

Larve de capricorne, pouvant vivre + de 10 ans dans un bois sec et le dévorer sans signe visible à

l’extérieur (uniquement les résineux)

10…30 mm

77


La durabilité naturelle de certaines essences de bois

Quelle que soit l’essence de bois, l’aubier est peu durable

Par contre, le duramen (hors cœur) de certaines essences peut naturellement présenter, grâce à sa composition chimique, une grande durabilité (voir tableau ci-dessous, pour les bois de régions tempérées). Cette propriété s’associe généralement à une différence de couleur marquée entre aubier et duramen

Certaines essences tropicales (azobé, padouk, …) peuvent présenter des durabilités exceptionnelles (> 50 ans, même exposées aux intempéries)

Durabilité Au contact du solSans contact avec le sol,

exposé aux intempéries

Sans contact avec le sol,

partiellement exposé aux

intempéries

durabilité

jusqu'à 10 ansrobinier, chêne, chataigner

robinier, chêne, chataigner,

thuya géant, cèdre, douglas

robinier, chêne, chataigner,

thuya géant, cèdre, mélèze,

douglas, pins

durabilité

jusqu'à 20 ansrobinier idem sauf douglas idem sauf pins

durabilité > 20

ans- idem sauf douglas idem sauf douglas et pins

78


Les traitements chimiques pour la préservation du bois

La durabilité du bois peut-être très fortement augmentée par un traitement chimique

Il existe de nombreux produits pouvant être appliquéspar des procédés très différents :

- les produits : sels métalliques ou dérivés organiques - les procédés : badigeonnage, pulvérisation,

trempage, autoclavage, injectionBois recouvert d’une

lasure de finition Un produit de finition (lasure ou peinture) est un boncomplément aux bois ayant une durabilité naturelle élevée et permet :

- de conserver l’aspect du bois et/ou le mettre en valeur (pigments, produits de protection contre les UV,…)

- de limiter les échanges d’humidité avec l’air et les variations dimensionnelles (liants résineux, produits hydrofuges,…)

- de limiter (mais pas supprimer!) les attaques des champignons et insectes (fongicides et anti-bleuissement)

Un produit de préservation doit être prévu, en plus, pour les bois moins durables.Il est introduit en profondeur et protège durablement contre les champignons et insectes. Sa pénétration dépend de nombreux facteurs, dont la porosité du bois

79


Classes de service définies par l’Eurocode 5

Une classe de service “croissante” correspond à des ouvrages de plus en plus susceptibles d’être exposés à des attaques d’organismes xylophages :

Classe 1 : ouvrages protégés des intempéries (ni eau, ni vapeur d’eau). Structure internes des habitations ou bâtiments (sauf salles de bain et

douches). T°>20°C et >65% ne sont dépassés que quelques semaines par an

Classe 2 : ouvrages partiellement protégés des intempéries (contact exceptionnel avec eau et

vapeur d’eau). Hangars ouverts, entrepôts, abris de bus,…. T°>20°C et >85% ne sont dépassés

que quelques semaines par an

Classe 3 : ouvrages exposés aux intempéries (contact avec eau et vapeur d’eau). Ponts,

passerelles, terrasses, garde-corps,…

80


Homologation belge des produits de préservation (2012)

Produits :

Procédés possibles, associés à un type de produit :

Source : ABPB, 2012

81


Homologation belge des produits de préservation (2012)

Classe de service

Source : ABPB, 2012

83


Quelques règles élémentairesde conception Utiliser du bois sec et sain et rédiger correctement les cahiers des charges (classe de service et code d’homologation appropriés)

Choisir des sections de bois suffisantes

Eviter des éléments en bois deboutexposés à la pluie, protéger les assemblages, bien réfléchir l’évacuation des eaux de pluie

Eviter tout contact du bois avec le sol, détacher du sol les pieds de poteaux

Pied de poteau avec pied métallique

Aérer les sous-sols, prévoir une lame d’air ventilée derrière les bardages et placer des grilles anti-insectes aux entrées et sorties des espaces ventilés

Grille de ventilation pour bardage

Prévoir une barrière d’étanchéité pour éviter les remontées d’eau par capillarité et les stagnations d’eau

Barrière d’étanchéité

84


Quelques règles élémentaires de conception :protection du bois debout

85


Quelques règles élémentaires de conception :protection du bois debout (suite)

En débord de toiture

En angle de bardagerentrant

En angle de bardagesaillant

86


Quelques règlesélémentaires de conception :parois en ossature bois


Chap. 7 :Caractéristiques mécaniques du bois

88


Les défauts dans le bois

Les nœuds

Les fentes dues à : séchage naturel ou forcé, gel lorsque les arbres sont sur pied,

tronçonnage et abatage, tempêtes, débitage des grumes dans des bois avec contraintes internes (hêtre, robinier,…)

Les contraintes internes dues à une croissance

particulière dans certains arbres

(hêtre, robinier,...) Ci-contre : tranche de

robinier ouverte lors du sciage, à

cause des contraintes

internes

89


Rappel : notion de résistance caractéristique fk

Lors d’une campagne d’essais (de traction ou de compression ou…) en laboratoire sur un grand nombre d’échantillons, les résultats peuvent être représentés par une courbe de Gauss

La résistance caractéristique est celle qui est dépassée par 95% des échantillons

Résistance f obtenue par essai en laboratoire

Nombre d’occurrences/nombre total

d’essais

fk : résistance caractéristique : seuls 5% des échantillons ont

une résistance inférieure

Aire = 95%

Aire = 5%

Si la disparité des résultats est grande (courbe très étalée), la résistance caractéristique peut être bien inférieure à la résistance moyenne (pour l’acier, par exemple, la disparité est très faible, contrairement au bois)

fmoyenne De nombreuses expériences en laboratoire montrent que pour le bois, les courbes ne sont pas symétriques

90


Traction aux fibres :

Comportement Elastique fragile

Compression aux fibres :

ComportementElasto-plastique

(rupture par décollement puis

flambement des fibres)



(rupture par écrasement des

fibres)


ComportementFragile

(rupture par décollement des fibres)

ft,0,k fc,0,k fc,90,k ft,90,k0> > >>

0,3…0,5ft,0,k

…0,25…fc,0,k

Source (figures) : secobois.com

Approche qualitative (bois sec sans défauts)

91


A

NEd

Compression ou traction oblique

La Résistance en compression ou traction dans une direction oblique par rapport au sens des fibres est donnée par la formule de [Hagen, Hankinson et Kollmann] :

Compression oblique :

0,0,

90,0,

90,

,90,²cos²sin

tt

tt

t

tt ffff

fff

Traction oblique :(déjà une diminution de 50% pour =10° !!) :

0,0,

90,0,

90,

,90,²cos²sin

cc

cc

c

cc ffff

fff

92




ft,0,k fc,0,k

0,3…0,5ft,0,k



>

Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut





93








ft,0,k fc,0,k

0,3…0,5ft,0,k



Pour du bois de structure, de taille plus grande que les échantillons de labo, la présence de nœuds et les déviations, même légères, des fibres par rapport à l’axe de l’élément provoquent une très forte réduction de ft,0,k. Ceci explique

que les valeurs de ft,0,k prescrites par l’EC5 pour les bois de structure sont globalement inférieures aux valeurs de fc,0,k

>

Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut

Bois « normal » de

structure

94


Résistance à la flexion fm,k

La résistance en flexion fm est une résistance fictive découlant d’un comportement global (fibres à la fois en traction et en compression)

fm,kél

rupturedéfinitionpar

mW

Mf

Pour la plupart des bois utilisés en structure, on a : ft,0,k < fc,0,k < fm,k

On supposera que les fibres sont placées selon l’axe de la poutre, écartant la situation peu pertinente d’une poutre constituée de fibres à l’axe de la poutre

Etant donné la variation triangulaire des contraintes en flexion, la présence des nœuds est moins préjudiciable en flexion qu’en traction pure : les

contraintes peuvent être déviées (et donc augmenter localement près des noeuds) sans préjudice pour la résistance. Ceci explique pourquoi la

résistance à la flexion est plus grande que la résistance à la traction du même élément s’il était tendu sur toute sa section

95


Comportement en flexion jusqu’à rupture

él

él

pl

él

Lorsque le moment M augmente :

- Début de plastification de la zone comprimée, impliquant :- Une augmentation de la hauteur comprimée, afin de compenser la contrainte

maximale qui stagne et d’augmenter l’effort de compression résultant- Descente de l’axe neutre et diminution de la zone en traction- Augmentation des contraintes de traction jusqu’à rupture fragile

96


Résistance au cisaillement fv,k

Cisaillement longitudinal

Cisaillement transversal

Cisaillement roulant

Peu courant, sauf dans des panneaux fléchis

La résistance au cisaillement longitudinal est plus faible que la résistance au cisaillement transversal et sera donc la seule considérée (cf principe de réciprocité des contraintes tangentielles, cours de mécanique des structures : l’une ne peut exister sans l’autre)

fv,k…0,1…fc,0,k


97


Classement (=tri) du bois de structure après sciage

La grande dispersion des caractéristiques mécaniques des bois sciés nécessite un classement, un tri, dont l’objectif est de répartir les éléments en différentes catégories de qualité mécanique croissante

Classement automatique non destructif (par des machines) :

- Essai mécanique avec une mesure de déformation sous charge- Essai ultrasonique (vitesse de propagation liée à E et )

Classement visuel (par des hommes, donc ne garantit pas un classement convenable), en fonction de paramètres observables, comme :

- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Le mode de débit (bois de cœur, bois avec

trop d’aubier, …)- L’inclinaison des fibres- L’épaisseur des cernes- La courbure de l’élément- Rem : Le poids volumique n’intervient pas

Notons que le classement visuel, en Belgique, est réputé surestimer les classes C30 et C24 qui sont en réalité plus proche, respectivement, des classes C24 et « C21 »

Le classement visuel « voit » les défauts, …alors que le classement automatique « voit » les qualités…

98


La grande dispersion des caractéristiques mécaniques des bois sciés nécessite un classement, un tri, dont l’objectif est de répartir les éléments en différentes catégories de qualité mécanique croissante

Classement (=tri) du bois de structure après sciage

Classement visuel (par des hommes, donc ne garanti pas un classement convenable), en fonction de paramètres observables, comme :

- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Le mode de débit (bois de cœur, bois avec

trop d’aubier, …)- L’inclinaison des fibres- L’épaisseur des cernes- La courbure de l’élément- Le poids volumique (mais difficilement

envisageable, même s’il est très représentatifdes caractéristiques mécaniques

Classement automatique non destructif (par des machines) :

- Essai mécanique avec une mesure de déformation sous charge- Essai ultrasonique (vitesse de propagation liée à E et )

Ce classement permet de répartir les bois sciés en différentes classes de qualité, aussi bien pour les résineux que pour les feuillus (NBN EN 338)

Pour les résineux de charpente, on distingue 10 classes de qualité croissante :C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, (C45, C50 : peu disponibles)

Pour les feuillus, on distingue 8 classes :D18, D24, D30, D35, D40, D50, D60, D70

Ce classement est effectué selon la norme NBN EN384 et les valeurs de chaque classe sont garanties pour : air=65%, wbois=12%, T°=20°C

Valeurs caractéristiques prescrites par la normeNBN EN338: version 2016 (bois sciés et ronds)

E0 : identique en compression, en traction, et donc en flexionE90 : en compression uniquement (car non pertinent en traction car quasiment nul)G0,k : introuvable dans les normes, mais plusieurs document concèdent que G0,k = E0,k/16

C18 C22 C24 C27 C30 C35 C40 D30 D35 D40 D50 D60 D70

fm,k 18 22 24 27 30 35 40 30 35 40 50 60 70 fm,k

ft,0,k 10 13 14,5 16,5 19 22,5 26 18 21 24 30 36 42 ft,0,k

ft,90,k 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 ft,90,k

fc,0,k 18 20 21 22 24 25 27 24 25 27 30 33 36 fc,0,k

fc,90,k 2,2 2,4 2,5 2,5 2,7 2,7 2,8 5,3 5,4 5,5 6,2 10,5 12 fc,90,k

fv,k 3,4 3,8 4 4 4 4 4 3,9 4,1 4,2 4,5 4,8 5 fv,k

E0,moyen 9000 10000 11000 11500 12000 13000 14000 11000 12000 13000 14000 17000 20000 E0,moyen

E0,k 6000 6700 7400 7700 8000 8700 9400 9200 10100 10900 11800 14300 16800 E0,k

E90,moyen 300 330 370 380 400 430 470 730 800 870 930 1130 1330 E90,moyen

Gmoyen 560 630 690 720 750 810 880 690 750 810 880 1060 1250 Gmoyen

k 320 340 350 360 380 390 400 530 540 550 620 700 800 k

moyen 380 410 420 430 460 470 480 640 650 660 740 840 960 mkg/m

3

Mpa

Mpa

Résineux Feuillus

Evolution des résistances caractéristiques [Mpa] en fonction de la masse volumique caractéristique (kg/m3)

101


Le lamellé-collé (industrialisation au début du 20ème S)

Les avantages sont nombreux :

- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Caractéristiques mécaniques plus homogènes- Formes quelconques- Grandes longueurs (…30m…60m)- Grandes hauteurs (…2m…2,5m)- Moins de gaspillage du bois

Le bois lamellé-collé est constitué de planches sechées (w<15%), purgées de leurs défauts, puis rabotées, aboutées et collées par pressage (…1m…5m… de longueur)

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Quelques ouvrages en lamellé-collé

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GL20h GL24h GL28h GL32h

fm,k 20 24 28 32

ft,0,k 16 19,2 22,4 25,6

ft,90,k 0,5 0,5 0,5 0,5

fc,0,k 20 24 28 32

fc,90,k 2,5 2,5 2,5 2,5

fv,k 3,5 3,5 3,5 3,5

E0,moyen 8400 11500 12600 14200

E0,k 7000 9600 10500 11800

E90,moyen 300 300 300 300

Gmoyen 650 650 650 650

G0,k 540 540 540 540

k 340 385 425 440

m 370 420 460 490

Lamellé-collé homogène (BLC)

Mpa

kg/m3

Mpa

Valeurs caractéristiques prescrites par la NBN EN 14080 (Bois lamellé collé homogène)

Le BLC panaché est une variante dans laquelle on place des planches de meilleure qualité au niveau des fibres inférieures et supérieures (GL24c à GL36c, dont les valeurs caractéristiques sont aussi bonnes en flexion)

La résistance du BLC est déterminée par la classe du bois constitutif et la résistance des aboutages, qui constituent des zones de faiblesse

Le BLC homogène est constitué de planches en C24 ou C30 ou C40,…identiques de bas en haut

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Influence de l’humidité et du temps sur les fk et E

wbois (%)

E0,k (MPa)

Masse volumique à sec de 440 à 520 kg/m3

wbois (%)

fm,k (MPa)

Epicéa

L’humidité (et donc la classe de service) a une influence importante à la fois sur les résistances caractéristiques fk et les modules d’élasticité E du bois

Classe de

durée de

charge

Durée de la charge Exemple

Permanente >10 ans Poids propre

Long terme 6 mois1 an Stockage

Moyen terme 1 semaine6 moisCharges

d'exploitation

Court terme <1 semaine Neige

Instantanée InstantanéeVent,

action accidentelle

Tableau défini dans l'EC5

temps (jours)

ufluage/uinstantanée [%]

wbois=6%

wbois=12%

wbois=18%

La durée d’application des charges influence la flèche, mais aussi fk:

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RAPPEL : Classes de service définies par l’Eurocode 5

Classe 1 : ouvrages protégés des intempéries (ni eau, ni vapeur d’eau). Structure internes des habitations ou bâtiments (sauf salles de bain et

douches). T°>20°C et >65% ne sont dépassés que quelques semaines par an

Classe 2 : ouvrages partiellement protégés des intempéries (contact exceptionnel avec eau et

vapeur d’eau). Hangars ouverts, entrepôts, abris de bus,…. T°>20°C et >85% ne sont dépassés

que quelques semaines par an

Classe 3 : ouvrages exposés aux intempéries (contact avec eau et vapeur d’eau). Ponts,

passerelles, terrasses, garde-corps,…

Une classe de service “croissante” correspond à des ouvrages de plus en plus susceptibles d’être exposés à des attaques d’organismes xylophages :

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Coefficient réducteur kmod pour les résistances caract.

Le tableau ci-dessus, extrait de l’EC5, donne les valeurs du coefficient réducteur kmod

à appliquer sur les résistances caractéristiques (bois brut et BLC) en fonction de laclasse de service (1, 2 ou 3) et du temps d’application de la charge. Il en résulte unevaleur plus petite à considérer pour les calculs, donnée par la relation :

m

kd

fkf

mod

m est le coefficient de sécurité qui englobe les autresincertitudes (modélisation, construction, etc.). (m =1,3 pourle bois brut et 1,25 pour le BLC).

Classe de

durée de

charge

Durée de la charge ExempleClasse de

service 1

Classe de

service 2

Classe de

service 3

Permanente >10 ans Poids propre 0,6 0,6 0,5

Long terme 6 mois1 an Stockage 0,7 0,7 0,55

Moyen terme 1 semaine6 moisCharges

d'exploitation0,8 0,8 0,65

Court terme <1 semaine Neige 0,9 0,9 0,7

Instantanée InstantanéeVent,

action accidentelle1,1 1,1 0,9

Tableau défini dans l'EC5 Coefficients kmod associés

Remarque importante : dans le cas d’une combinaison de cas de charges, c’est lacharge de plus courte durée qui est considérée pour la détermination de kmod

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Coefficient favorable kh pour des petites hauteurs de section

m

kth

dt

m

kmh

dm

fkkf

fkkf

,0,mod

,0,

,mod

,

h

b

« L’effet volume » est un principe, qui consiste à considérer que, plus un élément est petit, moins il est susceptible de comporter des défauts. L’EC5 autorise donc à augmenter fm,k et ft,0,k pour des éléments dont la section a une hauteur inférieure à celle prescrite pour les essais de détermination des résistances caractéristiques en laboratoire (15 cm pour le bois massif et 60 cm pour le BLC)

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Classe de

service 1

Classe de

service 2

Classe de

service 3

0,6 0,8 2

Valeurs de kdef (EC5)

Type d'action variable Y2

Charges d'exploitation (habitations et

bureaux)0,3

Charges d'exploitations (lieux de

rassemblement et magasins)0,6

Stockage 0,8Charges de véhicules jusqu'à 160 kN 0,3 ou 0,6

Neige 0Vent 0

Température (hors incendie) 0

Valeurs de y 2 pour les bâtimentsLe fluage est dû aux charges permanentes G, mais aussi à la fraction Y2Q des charges variables qui s’applique de manière cumulée pendant une partie de la vie de l’ouvrage

1: 22 yy avecukuuuuGCharges instdefinstcreepinsttermelong

y2 : égal à 1 pour les charges permanentes, qui ont un effet prépondérant sur le fluage. Pour les charges d’exploitation, il ne dépend que du temps d’application et est, évidemment, toujours <1 :

1: 22 yy avecukuuuuQCharges instdefinstcreepinsttermelong

Kdef : caractérise la propension au fluage, ne dépend que de l’hygrométrie, donc de la classe de service, et s’applique de la même façon aux charges permanentes et variables

Coefficients correctifs kdef et y2 pour les flèches à long terme (fluage) (voir partie 2 pour détails)

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Influence de la T° sur les caractéristiques du bois

La T° influence fort les caractéristiques mécaniques du bois, MAIS :

L’effet du séchage compense en bonne partie (voire totalement) l’effet de la T°, que l’on considère donc comme négligeable dans la

plupart des cas.

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