1 LGCIV2043 : Structures en bois Pierre Latteur Version Septembre 2017 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 bois Chapitre 2 : Bref historique de la construction en bois Chapitre 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la construction Chapitre 4 : Anatomie du bois Chapitre 5 : Le bois, la température et l’eau Chapitre 6 : Durabilité du bois : préservation, finition, conception Chapitre 7 : Caractéristiques mécaniques du bois PARTIE 2 : CALCUL ELU ET ELS DES ÉLÉMENTS STRUCTURAUX Chapitre 8 : Eléments structuraux en bois massif Chapitre 9 : Eléments structuraux en bois lamellé-collé Chapitre 10 : Actions, cas de charges, combinaisons de (cas de) charges Chapitre 11 : Calcul des flèches selon les critères définis par l’EC5 Chapitre 12 : Résistance en section : critère de dimensionnement Chapitre 13 : Intégration du flambement dans les critères de dimensionnement Chapitre 14 : Intégration du déversement dans les critères de dimensionnement Chapitre 15 : Eléments courbes en BLC Chapitre 16 : Poutres à inertie variable PARTIE 3 : SYSTÈMES PORTEURS Chapitre 17 : Eléments structuraux dérivés du bois Chapitre 18 : Systèmes porteurs des bâtiments Chapitre 19 : Treillis Chapitre 20 : Poutres sous-tendues Chapitre 21 : Poutres continues, poutres cantilever Chapitre 22 : Arcs Chapitre 23 : Portiques Chapitre 24 : Autres systèmes constructifs Chapitre 25 : Contreventement PARTIE 4 : ASSEMBLAGES Chapitre 26 : Généralités Chapitre 27 : Assemblages traditionnels (bois-bois) Chapitre 28 : Description des types de tiges et connecteurs métalliques Chapitre 29 : Théorie de Johansen, calcul des assemblages à tiges selon l’EC5 Chapitre 30 : Assemblages boulonnés Chapitre 31 : Assemblages brochés, cloués et vissés Chapitre 32 : Rigidité des assemblages, calculs ELS PARTIE 5 : LE BOIS ET LE FEU Chapitre 33 : Généralités et réglementation belge Chapitre 34 : Calcul des aspects REI selon l’EC5-partie1-2 PARTIE 6 : THÈMES COMPLÉMENTAIRES Chapitre 35 : Calcul des panneaux d’OSB Chapitre 36 : Calcul des panneaux de contreplaqué Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours 8 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours 9 Calcul des structures en bois, Guide d'application de l'Eurocode 5 (structures bois) et de l'Eurocode 8 (séismes), Yves Benoit et al, Afnor éditions/Eyrolles 3ème édition 2014 Sommaire : Pour aborder l'eurocode 5 Vérifier les sections Vérifier les assemblages par contact direct, ou à entaille vérifier la section du bois autour de l'assemblage Assemblage par tiges Assemblage par pointes et agrafes Assemblage par boulons et broches Assemblage par tire-fonds, anneaux et crampons Composant et assembleur Justification des structures au feu Effet du séisme sur les structures Tableaux 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 » Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Autre ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours 10 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Autre référence intéressante 11 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, … Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Avertissement : dans ce cours… 12 …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)) 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 Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Pierre Latteur Chap. 1 : Les arbres, la forêt, le contexte de la production du bois Le bois compense l’effet de serre 14 Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse) OUT : O2 + H2O (transpiration) +H2O 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) IN : CO2 IN : H2O + sels minéraux 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le bois compense l’effet de serre 15 Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse) OUT : O2 + H2O (transpiration) +H2O 1,6 t de CO2 1 t de bois + 1,1 t de O2 faut empêcher la déforestation car les arbres sont : Cette Ilfonction est capitale pour - Une source de production d’O2 l’environnement : les océans (phytoplancton) - Unsont moyen de stockage permanent de CO2 dans le bois et les forêts les deux “stockeurs” - Un principaux de moyen CO2 de stockage permanent de C dans le sol IN : CO2 L’utilisation notamment dans la construction, est Un hêtre de 25 mdu debois, hauteur libère chaque jour IN :CO H2O pertinente carrespirent il constitue aussi un moyen de stockage du la quantité d’O2 que 3 personnes 2. Ceci ne peut s’envisager que si les forêts sont gérées et+ sels minéraux replantées afin maintenir ou mieux,un augmenter surface Le bois utilisé dans la de construction constitue stockage la utile de CO2 (après mondiale de forêts. 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. Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois La gestion des forêts Réflexion démarrée dans 16 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 … Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois La certification par écolabels 17 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 Les forêts du monde 18 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Source : adefc-cartographie.fr Répartition des forêts dans le monde 19 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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Répartition des forêts en Wallonie (Chiffres 2015) 20 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Les essences principales en Wallonie 21 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 Résineux 25 m Hêtre Chêne (100 à 150 ans) (150 à 250 ans) (400 ans) (500 à 1000 ans) Peuplier (25 ans) (200 ans) Épicéa Mélèze pin Douglas (50 à 120 ans) (50 à 80 Sylvestre (50 à 80 ans) (200 ans…) ans) (80 à 100 ans) (600 ans) (800 ans) (300 ans) Entre parenthèses : âge d’exploitation idéal (***) et ordre de grandeur de la durée de vie en l’absence de sylviculture (***) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le hêtre 22 Utilisation : Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage, objets cintrés ou tournés, jouets, traverses,…et de plus en plus en structure 6…10 cm Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le chêne 23 Utilisation : Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage, charpente, tonnellerie, piquets, bateaux, traverses, bardage,… Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le peuplier 24 Utilisation : Menuiserie intérieure, charpente (fermettes industrielles), placage, caisserie/palettes et emballages, jouets, lamellé-collé, allumettes Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois L’épicéa (Sapin de Nöel) 25 Utilisation : Charpente, structure/ossatures, mobilier, plancher, contreplaqué, Lambris, bardages extérieurs (si traitement), bateaux, piquets (si traitement), terrasses (si traitement), lutherie, palettes/emballages,… Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le mélèze (meilleure durabilité que l’épicéa) 26 Utilisation : charpentes, menuiserie intérieure, planchers, parquets, placage, structures et ouvrages d’art, châssis, bardages extérieurs, … Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le pin sylvestre (=sapin rouge du nord) 27 Utilisation : charpentes, menuiserie intérieure, planchers, parquets, placage, châssis, bardages, … Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Le douglas (=Oregon Pine) 28 Utilisation : charpentes, menuiserie intérieure, planchers, parquets, placage, structures et ouvrages d’art, châssis, bardages, objets divers, … Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Un peu de vocabulaire… 29 Tronc : partie d'un arbre comprise entre les racines et la naissance des branches maîtresses Grume : tronc abattu, ébranché, écimé Billon : morceau de grume Rondin : billon de petit diamètre 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 Houppier : ensemble des branches, des rameaux, du feuillage au-dessus de la première couronne de grosses branches Charpentière : une branche principale de grosse taille Nœud : partie de la branche englobée dans le bois Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois On trouvera dans le guide « Bois-guide pour le bon usage » publié en 2012 par Houtinfobois.be un lexique complet (Chapitre 6) La filière bois dans la construction 30 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Francy Simon, 1999 Les organismes en lien avec la filière bois en Belgique (liste non exhaustive) 31 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 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 national d’information du bois (Woodforum.be) : organisme dépendant du commerce du bois et faisant la promotion du matériau bois 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois (Suite) 32 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 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 FOREM-Wallonie bois (formation-wallonie-bois.be) : offre de nombreuses formations professionnelles dans le domaine du bois 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 Institut belge de normalisation (IBN) : édite l’ensemble des normes à considérer dans le domaine du bois, en particulier l’EC5 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois (Suite) 33 L’office économique wallon du bois (oewb.be) : organisme ayant pour mission la stimulation du développement économique de la filière bois 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 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 De nombreux autres acteurs existent, dont la liste est reprise sur le site de l’OEWB : www.oewb.be Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Quelques sites web intéressants 34 http://www.woodskyscrapers.com/projects.html : site reprenant une liste importante (mais non exhaustive) des bâtiments en bois multi-étagés de par le monde 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.ted.com/talks/michael_green_why_we_should_build_wooden_skyscrapers http://www.ib-miebach.de/cms/front_content.php?client=1&idcat=0 http://www.schaffitzel-miebach.com/en/index.html : Deux bureaux d’études allemands avec de très belles réalisations en bois Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Chap. 2 : Bref historique de la construction en bois Pierre Latteur 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. 400 millénaires 5.000 ans 1 cm = 20 millénaires - 400 M 36 Exploitation du feu (-400.000 ans) Homo Sapiens (-150.000 ans) Invention de la roue (-6.500) 1ères habitations nomades en bois à partir de -35.000 ans. 1ers villages sédentaires de huttes en bois à partir de -9000 ans 5 millénaires Jésus-Christ -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250 0 250 1 cm = 250 ans 500 750 Khéops Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Pont du Gard Temples Maya 1000 1250 1500 1750 2000 Galilée 16e S, Précurseur de la Résistance des matériaux 37 Les formes rectangulaires remplacent les huttes circulaires (Moyen-Orient, puis Europe) Les temples grecs utilisent abondamment le bois pour les charpentes de couverture, associé à la pierre 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 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 Jésus-Christ -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250 0 250 1 cm = 250 ans 500 750 Khéops Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Pont du Gard Temples Maya 1000 1250 1500 1750 2000 Galilée 16e S, Précurseur de la Résistance des matériaux 38 Plusieurs centaines d’églises en Palladio (Italie) bois construites en Scandinavie, construit des ponts Début de la dont plusieurs dizaines sont et invente la poutre construction de encore visibles aujourd’hui treillis en bois Notre-Dame de Charpente du Paris et sa château de Sully charpente en (France), en chêne (1300 parfait état de chênes – 21 Ha conservation de forêt) depuis 600 ans Naissance des Ecoles d’ingénieurs en France (Pont et Chaussées : 1747) Pont de Lucerne (Suisse) 1000 Tour de Pise 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 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 1 cm = 50 ans 1800 1900 2000 Révolution Le béton s’impose industrielle partout Cathédrales l’acier supplante gothiques Galilée : le bois naissance de la résistance Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois des matériaux Des années 60 à nos jours : de la renaissance au renouveau 39 Halles de Courtrai 1968 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Sea Ranch Houses (USA, 1968, MLTW) Marché couvert à Gand - 1964 Portée de 98m! Quelques réalisations contemporaines parmi beaucoup d’autres… 40 Libramont Exhibitions & Congress 2014 (arcs de portée 60m). Architecte : Synergy International, ingénieurs : MC² sprl Comptoir forestier à Marche-en-Famenne - 1995 (architecte: Ph.Samyn, ingénieurs: Setesco) 51 arcs de rayon identique 43mx27mx12,5m Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Delphinarium à Bruges - 1990 (ingénieur Van Wetter) Coupole de 64m de diamètre (Suite du transparent précédent) 41 Pont Leonardo (Norvège, 2001) 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Immeuble Rez+3 entièrement en bois construit à Molenbeek en 2008 (Entreprise De Graeve) Cours de : Structures en bois Pierre Latteur Chap. 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la construction Les avantages du bois Recyclable : réutilisation des éléments, compostage, brulage 43 Renouvelable naturellement : la graine plantée, la nature fait le reste… 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 Bon rapport (résistance)/(poids propre) 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 44 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 Aspect visuel parfois mauvais lorsque le bois est mal mis en œuvre (coulées, teintes, mousses,…) Le bois peut être aussi glissant que la glace (en plancher extérieur par exemple) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 45 par ceux qui prétendent maîtriser ce vaste domaine!) : donc, nécessité d’une construction des détails d’architecture et de structure soignés, On l’aura avec compris, le bois est un accompagnée de bonnes prescriptions de préservation, sous peine d’être peu matériau fantastique, mais il ne durable le tempsdans le temps peutdans être durable s’il est accompagné d’unesont très anisotropes, ce qui en fait un LesQUE caractéristiques mécaniques conception irréprochable matériau particulièrement difficile à maîtriser d’un point de vue du calcul…peu détailss’y d’assemblage, de (géométrie, bureaux d’études risquent! liaisons avec les fondations, Les évacuation assemblages sont souvent mixtes, avec de l’acier : ils sont complexes à des eaux,…), d’un calculer et leur conception est délicate calcul précis, de prescriptions (protection, Le boisadéquates possède des défauts naturels de structure, comme les nœuds, qui imprégnation, finition,…), d’une doivent soit être pris en compte dans la conception et le calcul, soit éliminés ou mise en œuvre mieux répartis, parirréprochable…et exemple en utilisant du lamellé-collé d’un entretien régulier! Le bois peu être glissant (en plancher extérieur) Le bois peu être laid quand il est mal mis en œuvre (coulées sur bardages) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Chap. 4 : Anatomie du bois Pierre Latteur FILM Coupe transversale dans un tronc ou une branche 47 Sur certains arbres, les différentes zones sont clairement visibles. Sur d’autres comme l’épicéa, elles le sont moins. Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Duramen (s’il est coloré), bois dit « parfait » (terme général): rôle de soutien mécanique. C’est la zone ayant les meilleures caractéristiques de durabilité 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. 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 Liber (=écorce interne) : par où circule la sève descendante. Ecorce (=écorce externe) : bois mort protégeant l’intérieur Croissance de l’arbre et composition chimique 48 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% Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois L’âge réel de l’arbre est identifiable seulement à la base du tronc Les résineux (= conifères) 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 1 cerne (=1 an de croissance) 49 Direction longitudinale Direction radiale Bois initial (printemps), servant de transport de sève Bois final (été), servant de support mécanique Direction tangentielle Ponctuations aréolées = ouvertures transversales reliant les fibres verticales et permettant par exemple l’imprégnation avec des produits de préservation Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Canal avec résine Rayons ligneux (=parenchyme) 1 à 5 mm Trachéides (fibres) dans les résineux Coupe verticale dans une trachéide Epicéa (résineux) : vues au microscope électronique 1 cerne 51 Coupe horizontale ( tronc) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Coupe verticale tangentielle (tangente aux cernes) Les feuillus Direction longitudinale 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). Trachéides, comme pour les résineux (appelée fibre pour les feuillus) 52 1 cerne (=1 an de croissance) Direction radiale Les rayons ligneux sont plus abondants chez les feuillus, ce qui leur confère de meilleures caractéristiques mécaniques transversales Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Direction tangentielle Rayons ligneux (=parenchime) Chêne : vues au microscope électronique 53 1 cerne Parenchyme (radial) Trachéides pleines (verticales) Vaisseau (vertical) Coupe horizontale ( tronc) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Coupe verticale tangentielle (tangente aux cernes) Quelles différences entre le résineux et le feuillus ? Les résineux sont apparus il y a 350 millions d’années, alors que les feuillus 54 sont plus récents et datent d’il y a 150 millions d’années Les résineux comptent un nombre assez limité d’espèces (500), alors que la diversité est beaucoup plus grande (500x) chez les feuillus 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 56 Vues microscopiques comparées résineux-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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Chap. 5 : Le bois, la température et l’eau Pierre Latteur Rappels : humidité de l’air 58 Teneur en eau (ou rapport de mélange) [g/kg] : rapport entre la masse de vapeur d’eau et la masse d’air sec Humidité absolue [g/m3] = masse de vapeur d’eau par m3 d’air humide 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 relative [%] = rapport entre l’humidité absolue et l’humidité absolue de saturation pour une T° et une pression atmosphérique donnée : Humidité absolue [ g / m 3 ] [%] Humidité absolue de saturation [ g / m 3 ] Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Rappel : diagramme de l’air humide (diagramme de Mollier) (ci-dessous : valable pour patm=101325 Pa) 59 A 25°, un kg d’air peut contenir au maximum 20 g de vapeur d’eau Teneur en eau (en g/kg d’air sec !) 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 Température (°C) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Remarque : sur un diagramme de Mollier (parfois appelé diagramme de Carrier), l’ordonnée représente la teneur en eau et non l’humidité absolue Les 3 eaux du bois Le bois sur pied est constitué en majorité : 60 D’eau libre, contenue à l’intérieur des pores (= trachéides pour les résineux et vaisseaux pour les feuillus) Coupe transversale dans du balsa : nombreux pores 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 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Taux d’hygroscopie w du bois (=teneur en eau) 61 Masse humide Masse anhydre M 0 % w Masse anhydre M 0 w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois sec w=100% masse d’eau = masse de bois sec w=200% masse d’eau = 2 x masse de bois sec 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% 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)! Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Taux d’hygroscopie w du bois, processus de séchage 62 Masse humide Masse anhydre M 0 % w Masse anhydre M 0 w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois sec w=100% masse d’eau = masse de bois sec Un boissur piedd’eau (hypothèse : w=100%) pèse deux fois plus que w=200% masse = 2 x masse de bois sec le même bois anhydre : Résineux : w=100…150% Masse du bois sur pied ( MBSP) M 0 La plupart des feuillus w=80…100% l’abattage : : MBSP 2M 0 Au moment1de M 0 Peuplier : w jusqu’à 200% Balsa : w jusqu’à 500%pèse 15% en plus Un bois mis en œuvre (hypothèse : w=15%) que mêmedubois : Etapes de séchage (naturel ouleforcé) boisanhydre après abattage : Masse du bois mis en oeuvre ( MBMO) M 0 0,15de l’eau libre, qui correspond à w=30% pour MBMO toutes 1,15M les Perte quasiment 0 M0 essences. L’évacuation n’a pratiquement aucune incidence ni sur les propriétés mécaniques ni sur le volume (mais volumique diminue de l’ordre de 30%) Donc, entre l’abattage et le la poids mise en MBMO 0,57 MBSP œuvre, le bois perd 43% de sa masse : 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)! Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois L’équilibre hygroscopique entre le bois et l’air ambiant Teneur en eau d’équilibre du bois La température influence (un) peu l’équilibre 63 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 Température ambiante Humidité relative de l’air ambiant 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% Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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% Quelques règles de bonne pratique 64 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) Entreposer le bois sur le lieu de la construction pendant plusieurs mois afin que l’équilibre se crée avant mise en œuvre 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Quelques règles de bonne pratique (suite) La colonne « valeur moyenne » du 65 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Autre source : Quantification des variations dimensionnelles 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 En séchant, les variations de longueur des cercles concentriques sont 2x plus importantes que celles des rayons apparition de contraintes internes et fentes radiales Les variations longitudinales sont toujours négligeables, alors que les variations radiales et tangentielles sont très grandes Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Axe tangentiel Axe radial Axe longitudinal Quantification des variations dimensionnelles (suite) Coefficient de retrait ou gonflement moyen [%/%] 67 L 100 w L Exemple : parquet en chêne constitué de lamelles parallèles placées entre 2 murs espacés de 5m : Epicéa Pin Mélèze Hêtre Chêne Mise en œuvre du parquet à w=10% tangentiel radial longitudinal 0,37 0,32 0,44 0,38 0,32 0,19 0,19 0,24 0,22 0,19 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 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 : 0,19 3 5000 28,5 mm ! 100 0,32 Cas 2 (tang ) : L 3 5000 48 mm ! 100 Cas 1 (radial ) : L Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Influence du type de débitage (sciage) : petites planches 68 Retrait Forme initiale Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Gonflement Influence du type de débitage (sciage) : gros éléments 69 Ci-contre : pratiquer des entailles de retrait pour éviter une fissuration anarchique (dès l’abattage, avant que le bois ne commence à sécher) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 invariable 70 selon les espèces (15 kN/m3) 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 Peuplier Epicéa Douglas Pin Mélèze Hêtre Chêne [kN/m3] (bois sec, w=0%) 2,7…3,5…4,5 3,5…4,2…5,0 3,2…4,7…7,3 4,4…5,1…5,8 6,1…6,4…6,7 6,4…6,8…7,2 6,0…7,0…7,7 + 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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Figure ci-contre pour l’épicéa suisse : grande distribution des valeurs du poids volumique (w=0%), dépendant du climat et de nombreux autres facteurs Dilatation thermique du bois 71 Variation dimensionnelle d’un élément de longueur L soumis à un T : L T L [mm] [mm/mm/°C] Bois 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 béton 12.10-6 12.10-6 Souvent, on néglige les dilatations thermiques du bois car Les variations dimensionnelles sont souvent absorbées dans les jeux des assemblages Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Chap. 6 : Durabilité du bois Préservation, finition, conception Pierre Latteur Les organismes xylophages : les champignons Très nombreuses variétés parfois difficiles à diagnostiquer : mérule, Poria 73 de 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) La redoutable mérule peut anéantir une structure en bois en quelques mois 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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Un cas de pourriture du bois : la Tour de Gedinne 74 Construite en 2001, démolie en 2008 à cause de la pourriture du douglas qui contenait de l’aubier, reconstruite en 2012 en acier Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Les organismes xylophages : les larves d’insectes Nombreuses espèces : capricorne, petite vrillette (qui attaque les meubles 76 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 : 10…30 mm Larve de capricorne, pouvant vivre + de 10 ans dans un bois sec et le dévorer sans signe visible à l’extérieur (uniquement les résineux) - 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% Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois La durabilité naturelle de certaines essences de bois Quelle que soit l’essence de bois, l’aubier est peu durable 77 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 durabilité jusqu'à 10 ans Au contact du sol Sans contact avec le sol, exposé aux intempéries Sans contact avec le sol, partiellement exposé aux intempéries robinier, chêne, chataigner, robinier, chêne, chataigner, robinier, chêne, chataigner thuya géant, cèdre, mélèze, thuya géant, cèdre, douglas douglas, pins durabilité jusqu'à 20 ans robinier idem sauf douglas idem sauf pins durabilité > 20 ans - idem sauf douglas idem sauf douglas et pins Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Les traitements chimiques pour la préservation du bois La durabilité du bois peut-être très fortement augmentée par un traitement chimique 78 Il existe de nombreux produits pouvant être appliqués par des procédés très différents : - les produits : sels métalliques ou dérivés organiques - les procédés : badigeonnage, pulvérisation, trempage, autoclavage, injection Bois recouvert d’une lasure de finition Un produit de finition (lasure ou peinture) est un bon complément 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 : 79 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,… Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Homologation belge des produits de préservation (2012) Produits : 80 Procédés possibles, associés à un type de produit : Source : ABPB, 2012 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Homologation belge des produits de préservation (2012) Classe de service 81 Source : ABPB, 2012 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Quelques règles élémentaires de conception 83 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 tout contact du bois avec le sol, détacher du sol les pieds de poteaux Pied de poteau avec pied métallique Barrière d’étanchéité Prévoir une barrière d’étanchéité pour éviter les remontées d’eau par capillarité et les stagnations d’eau 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 Eviter des éléments en bois debout exposés à la pluie, protéger les assemblages, bien réfléchir l’évacuation des eaux de pluie Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Grille de ventilation pour bardage Quelques règles élémentaires de conception : protection du bois debout 84 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Quelques règles élémentaires de conception : protection du bois debout (suite) 85 En angle de bardage rentrant En débord de toiture En angle de bardage saillant Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 86 Quelques règles élémentaires de conception : parois en ossature bois Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Cours de : Structures en bois Pierre Latteur Chap. 7 : Caractéristiques mécaniques du bois Les défauts dans le bois 88 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,…) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 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 89 représentés par une courbe de Gauss La résistance caractéristique est celle qui est dépassée par 95% des échantillons Nombre d’occurrences/ nombre total d’essais 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) Aire = 95% fmoyenne Aire = 5% fk : résistance caractéristique : seuls 5% des échantillons ont une résistance inférieure Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois De nombreuses expériences en laboratoire montrent que pour le bois, les courbes ne sont pas symétriques Résistance f obtenue par essai en laboratoire Approche qualitative (bois sec sans défauts) 90 ft,0,k > fc,0,k > fc,90,k >> ft,90,k0 0,3…0,5ft,0,k …0,25…fc,0,k Traction aux fibres : Compression aux fibres : Compression aux fibres : Traction aux fibres : Comportement Elastique fragile Comportement Elasto-plastique Comportement Elasto-plastique Comportement Fragile (rupture par décollement puis flambement des fibres) (rupture par écrasement des fibres) (rupture par décollement des fibres) SourcePierre (figures) : secobois.com Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Compression ou traction oblique 91 NEd 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] : A Compression oblique : f c ,90 f c , f c ,90 f c,0 f c,0 f c , 0 sin ² f c ,90 cos ² Traction oblique : (déjà une diminution de 50% pour =10° !!) : f t ,90 f t , f t ,90 f t ,0 f t ,0 f t , 0 sin ² f t ,90 cos ² Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Approche qualitative (bois sec sans défauts) 92 ft,0,k > fc,0,k 0,3…0,5ft,0,k Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut Traction aux fibres : Compression aux fibres : Comportement Elastique fragile Comportement Elasto-plastique (rupture par décollement puis flambement des fibres) SourcePierre (figures) : secobois.com Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Approche qualitative (bois sec sans défauts) 93 ft,0,k > fc,0,k 0,3…0,5ft,0,k Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut Bois « normal » de structure Traction aux fibres : Compression aux fibres : Pour du bois de structure, de taille plus grande que les échantillons de labo, la Comportement Comportement présence de nœuds et les déviations, même légères, des fibres par rapport à Elastique fragile Elasto-plastique l’axe de l’élément provoquent (rupture par une très forte réduction de ft,0,k. Ceci explique que les valeurs de ft,0,k prescrites décollement puis par l’EC5 pour les bois de structure sont flambement des fibres) globalement inférieures aux valeurs de fc,0,k SourcePierre (figures) : secobois.com Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Résistance à la flexion 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 94 La résistance en flexion fm est une résistance fictive découlant d’un comportement global (fibres à la fois en traction et en compression) par définition fm fm,k M rupture Wél Pour la plupart des bois utilisés en structure, on a : ft,0,k < fc,0,k < fm,k 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Comportement en flexion jusqu’à rupture él pl 95 Lorsque le moment M augmente : - él él 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Résistance au cisaillement fv,k 96 Cisaillement longitudinal Cisaillement transversal 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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Peu courant, sauf dans des panneaux fléchis Cisaillement roulant fv,k…0,1…fc,0,k Source (figures) : secobois.com 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 97 en différentes catégories de qualité mécanique croissante 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, …) Notons que le classement visuel, en Belgique, est réputé - L’inclinaison des fibres surestimer les classes C30 et C24 qui sont en réalité plus - L’épaisseur des cernes proche, respectivement, des classes C24 et « C21 » - La courbure de l’élément - Rem : Le poids volumique n’intervient pas 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 ) Le classement visuel « voit » les défauts, …alors que le classement automatique « voit » les qualités… Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 98 en différentes catégories de qualité mécanique croissante 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 Ce classement permet trop d’aubier, …) de répartir les bois sciés en différentes classes de qualité, aussi biendes pour les résineux que pour les feuillus (NBN EN 338) - L’inclinaison fibres - L’épaisseur des cernes Pour les résineux de charpente, on distingue 10 classes de qualité croissante : - La courbure de l’élément C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, (C45, C50 : peu disponibles) - Le poids volumique (mais difficilement Pour les distingue 8 classes : envisageable, même s’ilfeuillus, est trèson représentatif D18, D24, D30, D35, D40, D50, D60, D70 des caractéristiques mécaniques Ce Classement destructif machines) : classementautomatique est effectué non selon la norme(par NBNdes EN384 et les valeurs de chaque classe sontavec garanties pour : de wbois=12%, - Essai mécanique une mesure déformation sousT°=20°C charge air=65%, - Essai ultrasonique (vitesse de propagation liée à E et ) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Valeurs caractéristiques prescrites par la norme NBN EN338: version 2016 (bois sciés et ronds) Mpa fm,k C18 18 C22 22 Résineux C24 C27 C30 24 27 30 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 C35 35 C40 40 D30 30 E0,moyen 9000 10000 11000 11500 12000 13000 14000 Mpa kg/m 3 D35 35 Feuillus D40 D50 40 50 D60 60 D70 70 fm,k 11000 12000 13000 14000 17000 20000 E0,moyen E0,k 6000 6700 7400 7700 8000 8700 9400 9200 10100 10900 11800 14300 16800 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 m E0 : identique en compression, en traction, et donc en flexion E90 : 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 E0,k Evolution des résistances caractéristiques [Mpa] en fonction de la masse volumique caractéristique (kg/m3) Le lamellé-collé (industrialisation au début du 20ème S) 101 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) Les avantages sont nombreux : Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois 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 Quelques ouvrages en lamellé-collé 102 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Valeurs caractéristiques prescrites par la NBN EN 14080 (Bois lamellé collé homogène) Lamellé-collé homogène (BLC) 103 La résistance du BLC est déterminée par la classe du bois constitutif et la résistance des aboutages, qui constituent des zones de faiblesse fm,k Mpa Le BLC homogène est constitué de planches en C24 ou C30 ou C40,…identiques de bas en haut 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) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois GL20h GL24h GL28h GL32h 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 Mpa E90,moyen 300 300 300 300 Gmoyen 650 650 650 650 G0,k 540 540 540 540 k m 340 385 425 440 370 420 460 490 kg/m 3 Influence de l’humidité et du temps sur les fk et E fm,k (MPa) E0,k (MPa) 104 Masse volumique à sec de 440 à 520 kg/m3 Epicéa wbois (%) wbois (%) 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 La durée d’application des charges influence la flèche, mais aussi fk: ufluage/uinstantanée [%] wbois=18% wbois=12% wbois=6% temps (jours) Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Tableau défini dans l'EC5 Classe de durée de charge Permanente Long terme Durée de la charge Exemple >10 ans 6 mois1 an Poids propre Stockage Charges d'exploitation Neige Vent, action accidentelle Moyen terme 1 semaine6 mois Court terme <1 semaine Instantanée Instantanée RAPPEL : 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 : 105 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,… Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Coefficient réducteur kmod pour les résistances caract. Tableau défini dans l'EC5 106 Classe de durée de charge Permanente Long terme Durée de la charge Exemple >10 ans 6 mois1 an Poids propre Stockage Charges d'exploitation Neige Vent, action accidentelle Moyen terme 1 semaine6 mois Court terme <1 semaine Instantanée Instantanée Coefficients kmod associés Classe de service 1 Classe de service 2 Classe de service 3 0,6 0,7 0,6 0,7 0,5 0,55 0,8 0,8 0,65 0,9 0,9 0,7 1,1 1,1 0,9 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 la classe de service (1, 2 ou 3) et du temps d’application de la charge. Il en résulte une valeur plus petite à considérer pour les calculs, donnée par la relation : f d k mod fk m m est le coefficient de sécurité qui englobe les autres incertitudes (modélisation, construction, etc.). (m =1,3 pour le bois brut et 1,25 pour le BLC). Remarque importante : dans le cas d’une combinaison de cas de charges, c’est la charge de plus courte durée qui est considérée pour la détermination de kmod Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Coefficient favorable kh pour des petites hauteurs de section 107 « 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) k h k mod f m ,k f m,d m k h k mod f t , 0,k f t , 0,d m h b Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Coefficients correctifs kdef et y2 pour les flèches à long terme (fluage) (voir partie 2 pour détails) 108 Le 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 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 : Valeurs de y 2 pour les bâtiments Charges d'exploitation (habitations et bureaux) Charges d'exploitations (lieux de rassemblement et magasins) Stockage Charges de véhicules jusqu'à 160 kN Neige Vent Température (hors incendie) Charges Q : ulong terme uinst ucreep uinst y 2 k def uinst Charges G : ulong terme uinst ucreep uinst y 2 k def uinst 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 Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois Y2 Type d'action variable 0,3 0,6 0,8 0,3 ou 0,6 0 0 0 avec y 2 1 avec y 2 1 Valeurs de kdef (EC5) Classe de service 1 Classe de service 2 Classe de service 3 0,6 0,8 2 Influence de la T° sur les caractéristiques du bois 109 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. Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
