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Structure porteuse optimisée pour les constructions en bois à plusieurs étages

 

Une optimisation de la structure porteuse permet d’améliorer la compétitivité des constructions en bois à plusieurs étages. L’équipe de recherche a mené des expériences sur les assemblages, éléments muraux et bâtiments pour étudier leur comportement en cas de séisme et de vents, et mis au point une méthode de calcul adaptée.

Description du projet (projet de recherche terminé)

Les chercheuses et chercheurs ont élaboré un système de structure porteuse pour bâtiments à plusieurs étages spécialement conçu pour la sollicitation horizontale (vent, séismes). La force moyenne des vents et la magnitude faible à modérée des séismes, telles qu’on les connaît en Suisse, faisaient office de références. Les propositions de standardisation des assemblages ainsi que le perfectionnement des méthodes de dimensionnement et de vérification contribuent largement à améliorer la compétitivité de la construction en bois face aux autres modes de construction. Cette meilleure rentabilité s’accompagne également d’une plus grande sécurité de planification et d’une fiabilité accrue. Compte tenu des données issues des expériences réalisées sur les assemblages, les éléments muraux et les bâtiments, les ingénieurs peuvent évaluer avec une plus grande fiabilité la rigidité, la capacité de charge et la capacité de déformation lors du dimensionnement.

Contexte

A l’avenir, de plus en plus de logements, bureaux et écoles de hauteur moyenne (trois à huit étages) seront intégralement construits en bois. Il importe donc de perfectionner les structures porteuses classiques de plusieurs étages, notamment afin d’optimiser le dimensionnement et le comportement des éléments de renforcement horizontaux sous l’effet des sollicitations causées par les séismes et les vents forts. Dans ce cadre, il ne faut pas négliger les autres contraintes que constituent l’adéquation vis-à-vis de l’utilisation, la protection incendie, l’insonorisation et l’exploitation des ressources.

Objectif

L’objectif était de développer une structure porteuse en bois pour des bâtiments à plusieurs étages, spécialement conçue pour la sollicitation horizontale, notamment en cas de séisme ou de vents. La méthode de dimensionnement employée se fonde sur la déformation et repose sur les principes de la méthode de dimensionnement en capacité: elle définit les zones de la structure porteuse qui se déforment de façon inélastique et celles qui restent élastiques en cas d’événement extrême. Le projet s’articulait autour de trois modules. Le module 1 était consacré au comportement des assemblages soumis à une sollicitation cyclique, le module 2 au comportement des éléments muraux et des éléments porteurs voisins pertinents, et le module 3 au comportement de l’ouvrage considéré dans son ensemble ainsi qu’à sa méthode de dimensionnement.

Importance/application

Une structure porteuse pour les constructions en bois à plusieurs étages, laquelle aura été optimisée pour faire face aux sollicitations causées par les séismes et les vents forts, permettra d'améliorer la compétitivité du bois par rapport aux autres matériaux de construction. La standardisation visée des assemblages et le perfectionnement des méthodes de dimensionnement et de vérification contribueront à accroître la fiabilité, la rentabilité et la sécurité de planification des bâtiments en bois de plusieurs étages.

Résultats

Les résultats des essais conduits sur les assemblages ont montré que les règles de calcul, conformes à la norme Eurocode 5 pour les assemblages par pointes et agrafes entre panneaux de particules et le bois, devaient être vérifiées quant à l’incidence de l’angle force-fibres, des écarts longitudinaux et centraux de l’agent liant et du calcul de la capacité de charge. Les tests de vibration effectués sur une construction de plusieurs étages à ossature en bois avec planchers composites bois-béton ont révélé des différences notables de rigidité de la structure porteuse entre l’expérience et le modèle de calcul. Ces différences étaient dues à une sous-estimation de la rigidité des éléments de renforcement et des composants considérés non porteurs. Par ailleurs, le modèle ne prenait pas en compte la friction. Courante dans la pratique, cette approche de dimensionnement n’est pas appropriée à la recherche si l’on veut pouvoir comparer correctement expérience concrète et modèle numérique. Par conséquent, des tests de friction ont été réalisés sur des parties des éléments muraux afin de compléter le modèle numérique avec les coefficients de friction statiques et cinétiques établis. Des protocoles de charge adaptés ont été développés pour les essais cycliques sur les assemblages et éléments muraux. Comparés aux protocoles appliqués aux régions à forte sismicité, ils engendrent un nombre réduit de cycles de charge et des exigences inférieures en ce qui concerne l’accumulation des dégradations. Des solutions plus rentables sont donc envisageables pour les régions à sismicité faible, voire modérée. Grâce à une étude paramétrique réalisée sur les systèmes avec un degré de liberté, les premiers rapports entre le coefficient de comportement et la ductilité ont en outre pu être établis. Ces rapports permettent également d’appliquer la méthode de dimensionnement des constructions en béton armé (méthode N2 selon Eurocode 8) aux structures porteuses en bois.

Titre original

Earthquake resistant wood structures for multi-storey buildings

Responsables du projet

  • Dr. René Steiger, Structural Engineering Research Laboratory, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf
  • Prof. Katrin Beyer, Faculté de l’environnement naturel, architectural et construit (ENAC), École polytechnique fédérale de Lausanne
  • Prof. Andrea Bernasconi, Haute École d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), Yverdon

 

 

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 Contact

René Steiger Laboratoire Ingénierie des structures Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (EMPA) Überlandstrasse 129 8600 Dübendorf +41 58 765 42 15 rene.steiger@empa.ch