Amélioration des performances mécaniques des assemblages bois sur bois vissés par préparation des interfaces : application à la réalisation d'éléments de structure

Mechanical performances of screwed timber connections, improvement by mechanical preparation of the interfaces : its application to structural member

• Auteur / Autrice : Stéphane Girardon
• Direction : Pascal Triboulot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 09/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Dubois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Bocquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abdelhamid Bouchair, Robert Collet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Bois

Dimensionnement (ingénierie)

Travail du bois

Assemblages (construction)

Mots clés libres

Bois

Assemblages

Structure

Usinage

Wood

Connection

Structure

Milling

Résumé

L'assemblage de planches par technique de collage est utilisé pour réaliser des éléments de structure en bois performants. Le collage permet d'obtenir des rigidités et des résistances d'assemblages excellentes. Cependant, ces produits sont souvent polluants à différents degrés et ne permettent pas de s'adapter à une cadence industrielle de fabrication, notamment à cause des temps de pressage. Le niveau de performance s'effondre lorsque l'assemblage par collage est remplacé par des organes de type tige, tels que des pointes, vis ou tourillons en bois, mais ils confèrent un temps de mise en oeuvre instantané. Dans ces types d'assemblages mécaniques, la surface de contact entre les planches n'est plus du tout utilisée pour transmettre des efforts. L'objectif de ce travail est de montrer comment la préparation mécanique des interfaces permet de fortement améliorer le comportement de ces assemblages. La finalité étant de produire des éléments de structure sans composés organiques volatiles (COV), dont la fabrication serait réalisable par un robot industriel, de manière flexible et en utilisant des essences mixtes de bois locaux. La première partie de cette étude est consacrée à répertorier et analyser les différents systèmes reconstitués en bois, ainsi que de montrer comment mener un dimensionnement en tenant compte du caractère imparfait de la connexion. Cette partie montre que la prise en compte du caractère non linéaire des liaisons mécaniques dans les systèmes reconstitués est souvent très imprécise et conduit à des écarts de dimensionnement importants. La deuxième partie décrit une méthodologie pour pallier à ce manque, développée à partir de la modélisation non linéaire d'un élément de construction de type poutre. Cette approche conduit à proposer des raideurs sécantes précises de la liaison permettant le calcul linéaire exact pour les ingénieurs. Cette méthodologie permet de caractériser la raideur d'une liaison par une approche liée au comportement plutôt qu'une approche normative générale. Suite à la mise en évidence de la souplesse de la liaison par organes, une troisième partie expose une réflexion sur l'utilisation des surfaces en contact pour transmettre les efforts. Un traitement mécanique de type rainurage est réalisé à l'interface de contact des pièces à assembler. Il permet de transmettre des efforts de cisaillement et de torsion dans le plan de croisement des planches. Le maintien des éléments en contact est également étudié en développant un principe de vis conique en bois. Pour valider ces principes, des campagnes d'essais sont réalisées afin de mesurer les performances obtenues par le rainurage, la vis conique en bois et leurs utilisations simultanées. La dernière partie est consacrée à la mise en oeuvre de l'assemblage amélioré dans des éléments de structure afin d'en confirmer son potentiel. Le premier élément est une poutre ajourée, le second est un élément de mur contreventant. Les résultats d'essais sont comparés à des modèles numériques incluant le comportement non linéaire des assemblages rainurés vissés. Ces réalisations en grandeurs réelles permettent de valider également leur faisabilité par un robot industriel

Plank bonding connection is used to produce efficient structural timber. The bonding achieves excellent rigidity and connection resistance. However, these products are often pollutants and are incompatible with industrial production rates due to the pressing time. Their performances collapse when the adhesive connection is replaced by rodlike fasteners, such as nails, screws or wooden dowels, but these connections allow a quick assembly. In these assemblies the contact surfaces between planks are not used for transmitting loads. The purpose of this study is to point out how mechanical preparation of the interfaces improves the performance of timber connections. The aim is to produce structural members without volatile organic compounds (VOC), achievable by an industrial robot allowing for flexibility, and using mixed wood local species. The first part of this study consists in identifying and analyzing reconstituted wood systems, as well as showing how to conduct a design by taking into account the partial composite action of connectors. This part explains that the chosen behavior of the mechanical connections in reconstituted systems is frequently very imprecise and leads to significant differences in design. The second part describes a methodology to overcome this lack, developed from the nonlinear modeling of a beamtype component. This approach leads to determine the fastener's secant stiffness for an exact linear calculation for engineers. The outcome of this methodology is the quantification of the fastener's secant stiffness by a related behavior rather than a general normative behavior. Due to the flexibility of members, a third part presents a reflection on the use of the contact surfaces for transmitting loads. The plank interfaces were machined in order to obtain grooves. This binding allows the transmission of shear and torsion forces in the intersection plane of the planks. Maintaining the contact is managed by the development of a wooden conical screw. To validate these principles, test campaigns were carried out to measure the performance of the groove, the wooden conical screw and their simultaneous use. The last section deals with the implementation of the improved assembly in structural members in order to confirm its potential. The first element type is a castellated beams and the second one is a bracing wall. Experimental results are compared with numerical models including the nonlinear grooved screwed connection behavior. Furthermore, these full scale elements validate the feasibility by an industrial robot