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Assemblage par collage d’éléments de structures porteuses en bois de feuillus

 

Pour renforcer la part de bois de feuillus dans les constructions en bois, il faut pouvoir compter sur des assemblages par collage parfaitement fiables. Le fait que le bois de feuillus soit soumis à des contraintes internes nettement supérieures à celles du bois de résineux en cas de variations de l’humidité place la technologie de collage actuelle face à des défis de grande envergure.

Description du projet (projet de recherche terminé)

On constate une recrudescence des dommages au début de la période de chauffage ou suite à un changement d’affectation des bâtiments ayant une structure en bois lamellé-collé. Des planches en bois peuvent ainsi se détacher (se décoller) spontanément – même après plusieurs décennies d’usage – et de ce fait compromettre la force portante de la charpente. Le bois de feuillus gonflant fortement et présentant une rigidité nettement plus élevée, les ouvrages réalisés à partir de ces essences sont exposés à des risques de dommages encore plus importants que les ouvrages en bois de résineux. Comment améliorer les colles, les procédés utilisés et la conception des ouvrages afin de garantir la fiabilité des assemblages par collage sur du bois de feuillus au fil des décennies et prévoir les éventuels dommages ?

Contexte

Une série d’innovations, destinées à des applications dans les constructions en bois, mise sur la supériorité des propriétés mécaniques du bois de feuillus, que le secteur sylvicole fournit en quantités croissantes. Les poutres en bois de hêtre lamellé, ou avec une couche de lamelle de hêtre en parement, en sont des exemples. Comme le hêtre gonfle très fortement et présente une rigidité élevée (module d’élasticité élevé), les assemblages par collage du bois de hêtre sont soumis à des contraintes internes nettement supérieures à celles du bois de résineux, de sorte qu’il est difficile de prouver la qualité du joint de collage selon les normes en vigueur. Ceci est en partie dû au fait que les systèmes de colles disponibles ont été conçus pour des résineux et sont donc inadaptés aux propriétés des bois de feuillus. Par ailleurs, la normalisation actuelle repose sur des essais effectués sur des résineux, dont la transposition sur le bois de feuillus est extrêmement contestable.

Objectif

L’objectif de ce projet de recherche était de mettre au point, en collaboration avec des fabricants suisses, des colles mieux adaptées au bois de hêtre. Ce projet portait à la fois sur des questions de fabrication, des approches pour élaborer des méthodes de détection fiables ainsi que la description circonstanciée des tensions à l’œuvre au niveau des joints de collage en cas de contraintes hygro-mécaniques. En s’appuyant sur la mécanique de la rupture et des évidences numériques, les chercheurs ont déterminé le comportement de décollement à long terme des poutres en lamellé-collé et ont développé une méthode de détection fiable. Contrairement aux rapports de tension sur lesquelles l’on se base actuellement, cette approche présente l’avantage de tenir compte de l’influence de la taille des composants. A cet égard, il a d’abord fallu déterminer les influences de l’humidité sur les indicateurs de rupture mécanique ainsi que leurs interactions. Se basant sur des simulations numériques, les chercheurs ont étudié le comportement des éléments collés en bois de feuillus en considérant l’effet à long terme des changements climatiques au fil des saisons et ont comparé ces données à des expériences réalisées sur le bois lamellé de hêtre exposé à des degrés d’humidité variables de l’air.

Importance

Prouver la sécurité des assemblages par collage est la condition indispensable à une exploitation économique des produits en bois de feuillus, en Suisse et à l’étranger. En outre, une colle suisse spécialement conçue pour le bois de feuillus serait utile à tout un segment de marché qui se développe à une vitesse vertigineuse en Suisse et à l’étranger. Un modèle décrivant concrètement les modifications des propriétés de différentes colles et essences de bois sous l’effet des variations climatiques constitue un prérequis pour développer des configurations en bois hydrides en déterminant le nombre, l’épaisseur et l’orientation des lamelles ainsi que d’autres paramètres de processus tels que la variation du taux d’humidité entre les lamelles. Le transport de l’humidité étant un processus extrêmement lent, seule l’approche numérique permet de prévoir le comportement des composants sur plusieurs décennies.

Résultats

L’influence de l’humidité sur la formation de fissures et sur l’augmentation de leur taille en fonction des différentes colles constructives utilisées a été examinée dans le cadre d’essais de rupture mécanique allant du plan de fibre à la ferme en bois lamellé-collé en hêtre. Il a été ainsi démontré que le taux d’humidité joue un rôle déterminant dans la nature des interactions entre les différentes mécaniques de rupture. Les chercheuses et chercheurs ont élaboré un modèle de colle et de bois non linéaire et dépendant de l’humidité qui tient compte pour la première fois de l’ensemble des déformations et contraintes pertinentes. Son application à un environnement non linéaire d’éléments finis permet aux utilisateurs d’évaluer – en accéléré – l’évolution des profils de tension et d’humidité au niveau des composants. Les résultats montrent que la conjonction des facteurs d’humidité et de contraintes est largement responsable de la rupture spontanée observée au niveau des composants après plusieurs décennies. Le modèle ouvre la voie à un vaste éventail d’applications. Une extension du modèle au moyen d’éléments cohésifs a en outre permis de réaliser des simulations de décollement sur des bois en lamellé-collé de dimension variée et d’établir des prévisions en matière de dommages en cas de variations de l’humidité. Cette approche peut être utilisée directement par les fabricants de bois en lamellé-croisé (CTL) et en placage stratifié pour déterminer le cadre d’utilisation en fonction des conditions climatiques et la diminution de la rigidité des produits qui en résulte.

Titre original

Reliable timber and innovative wood products for structures: adhesive bonding of structural hardwood elements

Responsables du projet

  • Prof. Peter Niemz, Institut für Baustoffe, Ecole polytechnique fédérale de Zurich
  • Prof. Hans Herrmann, Institut für Baustoffe, Ecole polytechnique fédérale de Zurich
  • Dr Falk Wittel, Institut für Baustoffe, Ecole polytechnique fédérale de Zurich

 

 

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 Contacts

Prof. Peter Niemz Institute for Building Materials
ETH Zurich
HIF E 25.2
Schafmattstrasse 6 8093 Zürich +41 44 632 32 26 niemzp@ethz.ch

Dr. Falk Wittel Institut für Baustoffe, ETH Zürich
HIF E 28.2
Stefano-Franscini Platz 3 8093 Zürich +41 44 633 28 71 fwittel@ethz.ch