Comportement des poutres mixtes bois-béton sous sollicitations accidentelles

par Manuel Manthey

Thèse de doctorat en Génie civil (mécanique des structures

Sous la direction de Mohammed Hjiaj.

Soutenue le 03-09-2015

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (COMUE) .


  • Résumé

    Les planchers mixtes bois - béton sont une solution pertinente en construction neuve comme en réhabilitation. Ce travail de recherche s'inscrit dans une volonté de favoriser l'essor de la construction mixte bois - béton en France. Il vise une meilleure connaissance des phénomènes affectant le comportement mécanique ou thermomécanique de la connexion bois - béton. En comparaison de procédés constructifs traditionnels, relativement peu de recherches ont été menées concernant le comportement d'un système de connexion mixte sous conditions accidentelles de séisme et d'incendie. Ces deux points sont ici abordés via une approche expérimentale puis numérique. Dans ce contexte, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées.24 essais Push Out ont été réalisés à température ambiante sur le système de connexion mixte bois-béton par tirefonds métalliques SBB. 12 essais Push Out ont suivi un chargement cyclique alterné et 12 autres ont suivi un chargement statique monotone. Les essais ont montré un comportement ductile de la connexion et une bonne résistance mécanique du système. Les essais sous chargement cyclique ont assuré de la capacité du système à dissiper de l’énergie et de quantifier la perte de résistance de la connexion sous chargement alterné. Des modèles descriptifs ont été adaptés afin de mettre en équation les courbes force-déplacement expérimentales.Afin d’étudier plus précisément les phénomènes locaux intervenant entre le bois et le connecteur, une campagne d’essais complémentaires a été menée. Elle consiste en 16 essais d’arrachement du connecteur mis en place dans du lamellé-collé et 3 séries de 16 essais en enfoncement de différentes parties du connecteur (filet, partie lisse) dans du bois lamellé-collé. La connaissance du comportement de la connexion pour ces phénomènes locaux a permis d’alimenter plusieurs modèles prédictifs (numériques et analytiques) du comportement au cisaillement de la connexion. Ces derniers présentent une bonne corrélation avec les essais Push-Out réalisés précédemment.Afin d’apprécier le comportement sous incendie des planchers mixtes bois-béton, des essais sous feu ISO 834 ont été menés. La base de données sur les essais sous incendie des planchers mixtes SBB est composée d’un essai sur plancher mixte chargé (dimensions 5.35m x 3.5m) et d’une série d’essais au cisaillement sur trois configurations différentes de connexion mixte bois-béton. Ces derniers essais fortement instrumentés en thermocouples ont permis de valider les modèles thermiques numériques également développés dans ce travail. Les modèles thermiques et thermomécaniques couplés réalisés sous Abaqus© ont permis de confirmer l’échauffement limité des connecteurs bois-béton en situation d’incendie ainsi que de quantifier les dégradations de rigidité et de résistance de ces derniers. Ainsi le comportement mixte des planchers mixtes bois-béton peut être assuré en situation d’incendie sous réserves de sections suffisantes.

  • Titre traduit

    Seismic and fire behavior of timber concrete composite structures


  • Résumé

    Timber - concrete composite structures are competitive technical solutions for new building construction as well as in refurbishment. This work aims at promoting timber - concrete construction in France thanks to a better knowledge of mechanical and thermo-mechanical behavior of the fasteners. Regarding more traditional buildings systems, few researches were lead about seismic and fire design of timber concrete structures. Particular emphasis is put on those two points in this study through experimental, analytical and numerical approaches. As a matter of fact, several experimental campaigns were lead. 24 Push Out tests have been carried out at ambient temperature on the SBB timber-concrete composite system. The test program involved 12 Push Out tests under cyclic loading and 12 Push Out tests under monotonic loading. Experimental results brought to light the good mechanical performances as well as the large ductility reserve of SBB timber-concrete connection system. The cyclic tests have revealed the system ability to dissipate energy and allowed quantifying the loss of rigidity and resistance of the system. Descriptive models (Foschi, Dolan, Richard) have been adapted to reproduce to the experimental load-slip curves.In order to get further insight into the local phenomenon taking place between timber and the SBB connector, a second test program was devised. The tests involved 16 Pull Out tests (connector from timber) and 3 series of 16 embedment tests og various parts of the connector in glue laminated timber. Thanks to these experimental results, a better understanding of the SBB behavior has been reached. Predictive models are provided for numerical and analytical modeling of timber - concrete fasteners. Those models show good agreement with the Push Out tests introduced in previous part.In order to assess the fire behavior of timber - concrete composite floor system with the SBB connection system, fire tests were conducted according to ISO 834 standard. Fire results database with SBB timber - concrete connection includes a full-scale fire floor test (floor dimensions are 5.35m x 3.5m) and several fire Push Out tests based on three different timber - concrete composite beam sections. Fire Push Out tests were heavily instrumented with thermocouples in order to allow the validation of thermal models developed in this thesis.Thermal and thermomechanical coupled simulations were conducted with finite element software Abaqus©. These models demonstrate the good performances of timber-concrete composite structures subjected to fire. Heating of the elements and loss in shear resistance and stiffness of the connection system were quantified. Furthermore fire design rules are proposed for timber - concrete structures. Fire behavior analysis pointed out that thermal dilatation of concrete must be considered in fire design of timber-concrete composite structures.



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