Comportement mécanique de planchers diaphragmes en bois : semi-rigidité et résistance pour une situation sismique

Mechanical behavior of timber floor diaphragms : stiffness and strength under seismic situation

• Auteur / Autrice : Sebastian Fuentes
• Direction : Abdelhamid Bouchaïr
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/06/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Gril, Eric Fournely, Patrick Racher, Abdelouahab Khelil, Alvaro Peña
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Perrotin, Hans Joachim Blass

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planchers en bois

Mots clés libres

Plancher bois

Diaphragmes

Modélisation non linéaire

Expérimentation

Timber floors

Diaphragms

Non-linear models

Experimental approach

Losas de madera

Diafragmas

Modelos no-lineales

Experimentación

Résumé

Pour les structures en bois comme pour les autres techniques de construction, les planchers jouent un rôle important dans le comportement global d’un bâtiment soumis à une sollicitation sismique. En plus de la reprise des efforts verticaux, ces planchers assurent le transfert des efforts horizontaux vers les murs de contreventement (fonction diaphragme). Pour cette fonction, le plancher peut être assimilé à une poutre courte disposée horizontalement et supportée par plusieurs appuis semi-rigides (murs de contreventement). En conséquence, la distribution des efforts sur les murs de contreventement est directement liée au rapport entre leurs raideurs et celle du plancher dans son plan.Les planchers en bois traditionnels sont généralement composés par une poutraison (des solives, des entretoises et des poutres de chaînage) et une surface plane composée d’une juxtaposition de panneaux. La connexion panneaux-poutraison est généralement réalisée par des clous. Le dimensionnement de ces planchers est souvent piloté par les charges verticales et les caractéristiques mécaniques dans le plan sont rarement contrôlées.Le comportement mécanique des planchers diaphragmes en bois est peu étudié dans la littérature. La présente thèse aborde ce comportement en s’appuyant sur trois approches : analytique, numérique (M.E.F.) et expérimentale. L’approche analytique s’inspire de celle utilisée par les codes de calcul sismique nord-américains. La modélisation numérique prend en compte la configuration géométrique réelle des diaphragmes ainsi que les effets non-linéaires matériels et géométriques. Deux types de modèles numériques sont proposés : « détaillé » et « simplifié ». Le modèle détaillé, utilisant des éléments de poutres et de coques, permet d’étudier la distribution des contraintes internes au sein du plancher. Le modèle simplifié, moins coûteux, s’appuie sur des éléments poutres et barres. Il permet de réaliser des analyses de sensibilité et il peut être utilisé dans des analyses de structures avec géométries complexes.Une campagne expérimentale est conduite sur des planchers en bois. Deux planchers (2,4x7,2m2), avec et sans entretoises, sont testés en flexion dans leur plan. Une instrumentation riche composée de capteurs de déplacement, d’inclinomètres et d’un système de mesure sans contact, sont utilisés pour suivre le comportement de ces planchers aux niveaux global et local. Les observations expérimentales montrent un comportement fortement non-linéaire avec une influence importante des entretoises sur la raideur et la résistance. La rupture des panneaux est due à la flexion à mi portée ou à la compression près des angles en contact. La comparaison avec les résultats expérimentaux a permis de valider les modèles numériques développés. Ces modèles révèlent une forte participation de la connexion panneaux-poutraison aux comportements mécaniques des planchers aux niveaux global et local.Le modèle numérique simplifié est utilisé pour mener une étude de sensibilité des planchers avec trémies. Ainsi, treize configurations de planchers sont analysées en vue d’identifier les positionnements les plus défavorables des trémies. Par ailleurs, l’application du modèle analytique montre qu’il représente correctement la phase linéaire du comportement des planchers qui est un paramètre utilisable dans les analyses à l’état limite de service. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus constituent une bonne base pour étendre le domaine d’application du modèle analytique.

In timber structures as other, floors play an important role in the overall behaviour of a building subjected to seismic loading. In addition to the vertical forces, these floors transfer horizontal forces to the shear walls (diaphragm function). For this function, the floor can be considered as a short beam placed horizontally and supported by semi-rigid supports (shear walls). Therefore, the force distribution on the shear walls is directly related to the in-plane stiffness ratio between floors and shear walls.Traditional wooden floors are usually composed by joists framing (joist, struts, chords beams) and a surface made by juxtaposed panels. The panel-joist framing connection is usually made by nails. Size of the floors elements is often driven by the vertical loads, thus mechanical properties in the plane are rarely checked.The in-plane behaviour of timber floor is poorly studied in the literature. This thesis studies this behaviour using three approaches: analytical, numerical (FEM) and experimental. The analytical approach is based on that used in North American codes of seismic design. Numerical models take into account the actual geometry of the timber diaphragms and nonlinear effects (material and geometric). Two types of numerical models are proposed: "detailed" and "simplified". The detailed model, based on beams and shell elements, allows studying the distribution of internal stresses in the floor. The simplified model uses beams and bar elements. It allows carrying out sensitivity analysis and can be used to study complex geometries of floors.An experimental campaign is conducted on timber floors. Two floors (2,4 x7,2m2), in blocked or unblocked configuration, are tested in bending in their plane. Displacement transducers, inclinometers and a camera measuring system are used for monitoring the behaviour of floors at global and local levels. The experimental observations show a highly nonlinear behaviour with a significant influence of struts on the stiffness and strength. Panels failure due to bending and compression in the corners were observed. The comparison between experimental and numerical results allows validating the numerical models. These models show a significant participation of the panels-joist framing connection on the global and local mechanical behaviour of floors.The simplified model is used to conduct a sensitivity analysis of floors with hoppers. Thirteen floors configurations are analyzed to identify the most unfavourable configurations of hoppers position. Furthermore, the analytical model represents well the linear phase of floors behaviour. The numerical and experimental results obtained provide a good basis to expand the scope of the analytical model.

Tanto en las estructuras de madera como en otras técnicas de construcción, las losas juegan un importante rol en el comportamiento global de un edificio sometido a una solicitación sísmica. Además de las cargas verticales, las losas deben transmitir las cargas horizontales hacia los muros de corte (función diafragma). En esta función, la losa puede ser tratada como una viga corta puesta horizontalmente y apoyada sobre soportes semi-rígidos (muros de corte). En consecuencia, la distribución de fuerzas entre los distintos muros de corte es determinada por la relación de rigidez entre estos muros y la losa.Las losas tradicionales de madera son generalmente compuestas por un envigado (vigas transversales, canes o separadores, vigas periféricas) y una superficie construida con paneles yuxtapuestos. La conexión entre los paneles y el envigado es generalmente realizada con clavos. El dimensionamiento de estos elementos es habitualmente determinado por las cargas verticales, de esta manera las propiedades mecánicas en el plano de estas losas, son raramente controladas.El comportamiento mecánico de los diafragmas de madera ha sido poco estudiado en la literatura. Esta tesis aborda este comportamiento a partir de tres enfoques: analítico, numérico (Elementos Finitos) y experimental. El método analítico considerado se basa en las ecuaciones propuestas por los códigos de diseño sísmico norteamericanos. La modelización numérica tiene en cuenta la configuración geométrica real de las losas y los efectos no-lineares de origen material y geométrico. Dos tipos de modelos numéricos son propuestos: "detallado" y "simplificado". El modelo detallado, es construido a partir de elementos finitos de tipo vigas y planos. Este modelo es utilizado principalmente para estudiar la distribución de esfuerzos internos en las losas. El modelo simplificado, construido a partir de elementos de vigas y barras, es utilizado para conducir análisis de sensibilidad.Un estudio experimental sobre losas de madera es presentado. Dos losas (2,4 x7, 2m2) con y sin separadores son testeadas en flexión en su plano. Un sistema de instrumentación compuesto por transductores de desplazamiento, inclinómetros y videocámaras, fueron utilizados para monitorear el comportamiento global y local de las losas. Las observaciones experimentales muestran un comportamiento altamente no-lineal con una fuerte influencia de los separadores sobre la rigidez y resistencia de la estructura. Los modos de ruptura observados corresponden a la ruptura de paneles en flexión y a la compresión local debido a transmisión de esfuerzos por contacto. La comparación de resultados experimentales y numéricos permite validar los modelos propuestos. Estos modelos muestran una fuerte participación de la conexión paneles-envigado sobre el comportamiento mecánico global y local de las losas.El modelo numérico simplificado es utilizado para llevar a cabo un análisis de sensibilidad de losas con aberturas de escalera. Trece configuraciones de losas son analizadas para identificar la posición de abertura más desfavorable. Por otra parte, el modelo analítico representa correctamente el comportamiento de las losas en fase lineal. Los resultados numéricos y experimentales obtenidos proporcionan una buena base para ampliar el dominio de aplicación de este modelo analítico.