A petits ou à grands pas, suivant la sensibilité de chacun, il est rassurant de constater que le monde est entré dans une phase de prise de conscience sur son développement et de son impact pour les générations à venir. Celui‐ci se doit d’être inéluctablement durable devant la disparition des énergies fossiles. Le bois, matériau renouvelable par excellence retrouve grâce à cet axe de développement une place en termes de matériau de construction au tout premier plan dans les pays industrialisés. Au‐delà de son atout majeur vis‐à‐vis du CO2, les performances intrinsèques du bois et l’état des connaissances issues de la recherche et du savoir empirique lui permettent aujourd’hui de suivre les exigences de fiabilité exigées pour les constructions européennes au même titre que les autres matériaux comme le béton ou l’acier.
Parmi les différents secteurs industriels de la construction bois, la construction à ossature bois de manière générale présente un espace de développement aux perspectives très importantes. Ce secteur est actuellement en concurrence, particulièrement en France, avec la construction maçonnée ou béton armé et doit se révéler très performante au niveau de la préfabrication et du montage pour compenser des coûts de matières souvent plus importants. Un des points techniques qui caractérise le bois au niveau de son utilisation en construction est le domaine des assemblages. En effet, celui–ci ne présente pas les mêmes facilités pour réaliser des liaisons que l’acier par exemple du fait de sa forte anisotropie et de son origine presque directement naturelle. Pour être le plus compétitif possible, il faut donc trouver des solutions d’assemblages permettant dans un premier temps de transmettre des efforts, mais également d’être rapide et robuste à installer pour faciliter le montage. Pour être performant, il faut également que ces ancrages soient facilement réalisables pour en réduire le coût.
CLASSEMENT DES ANCRAGES SELON LEUR GEOMETRIE
La construction bois en Europe s’est fortement industrialisée ces dernières années. La tendance Nord Américaine à standardiser les sections s’est propagée, pour des raisons économiques, sur le vieux continent. Cette évolution a permis au marché de la connexion tridimensionnelle en tôle pliée de se développer. Ce marché de la connexion technique, fiable et rapide permet aujourd’hui la mise en œuvre de produits bois standard en section pleine mais également des produits composites plus évolués. Ainsi la construction bois se permet de côtoyer des secteurs où la construction standardisée à fait merveille depuis un bon nombre d’années : la construction maçonnée avec son emblématique parpaing. Sur ce marché très concurrentiel de l’ancrage, l’entreprise Cullen a proposé une très vaste gamme de produits en satisfaisant toujours plus une demande de connexions pratiques .
Le développement d’une vaste gamme comme celle de Cullen s’est bien entendu faite progressivement. Globalement, le développement a suivi la pénétration du bois dans le marché de la construction en accompagnant ce dernier par le biais de l’économie apportée. Les premières gammes d’ancrages ont été développées pour la mise en œuvre des charpentes industrialisées venues des États‐Unis au début des années 1970. Les ancrages développés sont plus ou moins complexes suivant le nombre d’efforts, qualifiés de primaires, qu’ils doivent faire transiter. La notion d’effort primaire permet de faire le distinguo avec les efforts parasites développés dans les connexions par ces mêmes efforts primaires du fait des excentricités. Les efforts ne pouvant être transmis au droit des fibres moyennes des éléments assemblés, bien souvent des moments se développent et accentuent le chargement sur l’ancrage.
L’expérience et l’état de développement des assemblages de toiture a donc ensuite naturellement profité à d’autres parties de la construction lorsque le marché de la maison à ossature bois (bois et briques au Royaume Uni) s’est étendu. La partie principale des constructions qui a bénéficié de ce savoir faire a été le plancher. Tout d’abord le report des efforts de cisaillement des solives à section pleine vers les porteurs s’est opéré. Ces connecteurs ont ensuite évolués pour recevoir les poutres bois composites en I dans le milieu des années 1980. Les contraintes techniques de type thermique, économique et architecturale ont ensuite amené le bois vers la mixité. Ainsi des ancrages ont été développés pour reporter les charges vers des structures en béton ou en acier.
La mixité des matériaux de construction a conduit Cullen à développer des ancrages permettant de relier le bois aux structures béton qui assurent la base d’une très grande partie des constructions actuelles. En marge de ces produits d’assemblage transmettant des efforts importants, des éléments facilitant le montage ou l’association d’éléments sont produits. Moins commun que les étriers, ils sont appréciés pour la praticité qu’ils apportent au montage.
A part quelques ancrages très rares, la très large majorité des produits développés sont destinés à transmettre des efforts pour lesquels ils doivent être garantis. Ces efforts peuvent être classés par type selon la direction et le sens où ils agissent par rapport aux pièces assemblées. Aucun ancrage n’est développé pour transmettre de moment. Ceci implique que les éléments des constructions doivent être bloqués pour éviter que ce type de sollicitation ne s’introduise dans les ancrages.
PARAMETRES GEOMETRIQUES ET MATERIELS DES ANCRAGES
Dans un premier temps, une étude paramétrique s’avère nécessaire, pour vérifier l’influence qu’ont, sur le comportement mécanique des assemblages (raideur et résistance), d’une part le changement géométrique de leurs éléments, et d’autre part le type de bois utilisé. Les paramètres propres à un assemblage par ancrage sont, pour certains, définis par ETAG015 dans le cadre des essais de caractérisation des ancrages. À savoir les dimensions de ses différents éléments ‐ bois (support, solive) et ancrage ‐ et la position de la charge à y appliquer. S’y ajoutent le type du bois et le nombre des pointes . Pour simplifier les études, les paramètres qui dépendent d’autres paramètres n’ont pas été pris en compte. Par exemple, la hauteur du support et de la solive, la longueur de cette dernière et la position de l’application de la charge (ainsi que le nombre de pointes dans le cas du groupe 1) dépendent de la hauteur de l’ancrage. Il est donc possible de considérer que leur influence sur le comportement mécanique des assemblages suit celui de la hauteur de l’ancrage. La longueur du support est constante et égale à 1000 mm. La profondeur des ancrages est constante. La largeur de la solive est égale de celle de l’ancrage.
Ainsi, les seules variables, l’influençant sur la raideur et la résistance des assemblages retenues pour étude sont : la hauteur (présentée dans ce travail en h), la largeur de l’ancrage (présenté dans ce travail en b), la largeur du support (présenté dans ce travail en B). Ces études sont réalisées d’après les essais de caractérisation des ancrages menés par l’entreprise Cullen BP, l’objectif étant d’améliorer la connaissance du comportement mécanique des assemblages, d’en observer les modes de rupture les plus courants et de trouver les problématiques propres à ces essais, avec pour double perspective la modélisation des assemblages et l’optimisation des performances des ancrages.
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Table des matières
INTRODUCTION
– PARTIE 1 – DEFINITION DES FAMILLES D’ANCRAGES, ANALYSE DU COMPORTEMENT
1. CLASSEMENT DES ANCRAGES SELON LEUR GEOMETRIE
2. PARAMETRES GEOMETRIQUES ET MATERIELS DES ANCRAGES
2.1. Éléments assemblés : poutres composites et pleines
2.2. Éléments de fixation : les pointes
3. MECANIQUE DES ASSEMBLAGES PAR ANCRAGE
3.1. ETAG 015 (Connecteurs tridimensionnels cloués en tôle)
3.2. Cull-ETA-05 et description des modes de rupture
3.3. Évaluation de la raideur
3.4. Phénomènes mécaniques développés dans les ancrages
3.5. Généralités et observations primaires
3.6. Observations détaillées et tentatives d’explications
4. CONCLUSION
– PARTIE 2 – LE MATERIAU DE L’ANCRAGE
1. CARACTERISTIQUE DES TOLES METALIQUES EN TRACTION
2. COMPORTEMENT EXPERIMENTAL DES TOLES EN DEPLIAGE
3. MODELISATION DES ESSAIS DE PLIAGE ET DE DEPLIAGE
– PARTIE 3 – LES ORGANES DE LIAISON
1. INTRODUCTION
2. MODELISATION DES ORGANES DE FIXATION (ETAT DE L’ART)
3. MODELISATION PAR ELEMENTS FINIS DES POINTES DE FIXATION DES ANCRAGES
3.1. Proposition d’un modèle par un système de ressorts en 3D
3.2. Modélisation pratique des pointes dans Abaqus
3.3. Prise en compte de la tête des pointes
4. CARACTERISATION DES PROPRIETES DES POINTES
4.1. Caractérisation du comportement à l’arrachement
4.2. La résistance à l’enfoncement
4.3. Comportement en flexion des pointes
4.4. Essai en simple cisaillement de pointes avec une tôle métallique mince
5. MODELISATION DE L’ESSAI DE CISAILLEMENT
5.1. Modélisation MEF
5.2. Comportement du modèle et adaptation
6. CONCLUSIONS
– PARTIE 4 – MODELISATION DU MATERIAU BOIS
1. LE BOIS, UN MATERIAU AU COMPORTEMENT COMPLEXE
2. CRITERES DE RUPTURE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT NON LINEAIRE
2.1. Critères de rupture, écoulement et localisation des contraintes
2.2. Modélisation du bois comme une structure
2.3. Intégration du modèle structural du bois dans Abaqus
3. CARACTERISATION DU BOIS EN COMPRESSION
4. LOI DE COMPORTEMENT EN COMPRESSION TRANSVERSALE
5. LOI DE COMPORTEMENT EN COMPRESSION LONGITUDINALE
5.1. Montage de compression et essais
5.2. Modèle de loi et identification
6. IDENTIFICATION DU COMPORTEMENT DES POUTRES
6.1. Superposition des lois de compression longitudinale et transversale
6.2. Réponse du modèle sous contraintes normales
7. ETUDE DE L’INTERACTION COMPRESSION TRANSVERSALE ET CISAILLEMENT
7.1. Montage de compression cisaillement
7.2. Modélisation du montage de compression cisaillement
7.3. Comportement en cisaillement sans densification
7.4. Comportement en cisaillement avec densification
8. CONCLUSION
– PARTIE 5 – VALIDATION DU MODELE STRUCTURAL DU BOIS
1. INTRODUCTION
2. ETUDE DU COMPORTEMENT DE BARREAUX EN BOIS EN CISAILLEMENT
2.1. Objectif de l’étude
2.2. Le protocole expérimental
2.3. Résultats et interprétations
2.4. Modèle éléments finis du cisaillement des barreaux
2.5. Confrontation expérimentation modélisation
3. COMPRESSION TRANSVERSALE LOCALISEE
3.1. Modélisation des essais de compression transversale
3.2. Comparaison du modèle avec les données expérimentales
4. ASSEMBLAGE PAR EMBREVEMENT
4.1. Description du test expérimental d’un embrèvement avant
4.2. Approche de modélisation, conditions aux limites et contact entre les éléments
4.3. Comparaison du modèle de l’embrèvement et des mesures expérimentales
5. ETUDE DE LA PORTANCE LOCALE SOUS UN ORGANE CIRCULAIRE
5.1. Protocole expérimental des essais d’enfoncement
5.2. Dispositif pour la mesure des déplacements
5.3. Observations expérimentales du comportement et analyse
5.4. Description de l’approche de modélisation MEF des essais d’enfoncement
5.5. Gestion du contact sur le modèle MEF, définition des frottements
5.6. Influence du frottement bois/métal autour de l’organe
5.7. Sensibilité de la réponse du modèle en fonction de la taille du maillage
5.8. Analyse des résultats expérimentaux avec l’hypothèse d’un frottement non uniforme
5.9. Influence du diamètre de la tige sur la résistance à l’enfoncement
6. CONCLUSIONS
CONCLUSION
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