Contribution à l'étude du comportement mécanique des structures bois-béton avec joints collés

Contribution to the study of mechanical behaviour and the durability of multi-material wood-concrete structures with glued joints

• Auteur / Autrice : Mohammed Shehada
• Direction : Frédéric Duprat, Zakaria Ilyes Djamai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Toussaint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesca Lanata, Yannick Sieffert, Anaclet Turatsinze
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Bigaud, Abdelhamid Bouchaïr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Durée de vie (ingénierie)

Propriétés mécaniques

Bois -- Collage

Mots clés libres

Bois

Comportement mécanique

Collage

Durabilité

Béton

Structures hybrides et composites

Concrete

Composites structures

Mechanical behaviour

Wood

Durability

Gluing

Résumé

Cette thèse explore le comportement mécanique des joints et des poutres en composite bois-béton (TCC) collés par adhésif à travers des investigations expérimentales et numériques.Le comportement mécanique des joints collés par adhésif entre le bois (GL24h) et le béton auto-plaçant (SCC) formés par un processus de collage à sec ou humide est étudié. À cette fin, des essais de cisaillement double push-out ont été réalisés sur des joints TCC collés par de la résine époxy. Les résultats ont montré que le collage semble être une alternative réalisable aux moyens mécaniques pour produire des joints TCC secs et humides. Dans des conditions de bois sec, la résistance au cisaillement peut être considérée comme très satisfaisante, avec une plage de valeurs moyennes de 6 à 8 MPa. Le mode de rupture est principalement influencé par la rupture du béton et du bois.Une investigation expérimentale des caractéristiques de rupture, du glissement de l'interface, de la distribution des contraintes et de la réponse charge-déformation des poutres en composite bois-béton collées par adhésif, fabriquées selon des procédés humides ou secs, a été menée. Six poutres en composite bois-béton collées par adhésif à échelle réelle ont été produites avec une portée de 3,2 mètres et soumises à des essais de flexion à quatre points. Les poutres en composite bois-béton fabriquées par voie humide ou sèche ont révélé des modes de rupture distincts. Les résultats ont souligné le rôle critique de l'intégrité du collage pour garantir une action composite efficace et un mécanisme de contribution partagée. Les poutres en composite bois-béton fabriquées par voie humide ont présenté un collage rigide caractérisé par un alignement neutre et une distribution de charge uniformes le long de la portée de la poutre, tandis que les poutres fabriquées par voie sèche ont connu une séparation d'interface et une contribution de charge compromise, entraînant une réduction significative de la capacité de flexion ultime des poutres en composite bois-béton. Les résultats ont montré que les poutres en composite bois-béton fabriquées par voie humide et sèche présentaient des réponses de déflexion charge-mi-portée comparables avant la rupture, mettant en évidence un comportement uniforme et un alignement avec des caractéristiques totalement composites sous les charges imposées.De plus, un modèle analytique pour le calcul des poutres en composite bois-béton est présenté et validé. La base du modèle analytique est établie sur la méthode γ dérivée de l'Eurocode 5. Le modèle analytique est comparé aux résultats expérimentaux, mettant en évidence sa fiabilité et sa précision. Les réponses charge-déflexion, les distributions des contraintes de flexion et les charges de rupture ultimes sont capturées avec précision, affirmant la capacité du modèle à anticiper le comportement des poutres en composite bois-béton.En outre, un modèle d'éléments finis non linéaire tridimensionnel (FE) pour les poutres en composite bois-béton collées par adhésif est présenté. Le modèle analyse le comportement de déformation, la distribution des contraintes de flexion, la capacité ultime et les caractéristiques de rupture des poutres en composite bois-béton. Le modèle FE a prédit avec précision le degré d'action composite. Notamment, le modèle FE et le modèle analytique basé sur la méthode γ présentent une performance prédictive comparable en termes de déformation. Les résultats de la distribution des contraintes de flexion ont mis en évidence une correspondance étroite entre les simulations FE et les données expérimentales. De plus, le modèle FE a démontré son efficacité dans la prédiction de la capacité ultime des poutres en composite bois-béton et a capturé de manière cohérente les modes de rupture, indiquant sa fiabilité dans la simulation du comportement complexe des poutres en composite bois-béton.

This thesis explores the mechanical behaviour of adhesively bonded TCC joints and beams Through experimental and numerical investigations.The mechanical behaviour of the adhesive bonded joints between timber (GL24h) and self-compacting concrete (SCC) set by the dry or wet bonding process is investigated. For this purpose, double push-out shear tests on TCC joints bonded by epoxy resin of adhesives were performed. The role of several variables was considered for both fabrication processes. These parameters were: variation of moisture content (m.c.) of timber, adhesive type, adhesive thickness, sand addition, concrete surface treatment, and scale of bonding length. The results showed that glueing seems to be a feasible alternative instead of mechanical means for producing dry and wet TCC joints. Under dry conditions of timber elements, the shear strength can be considered highly satisfactory, with a mean value range of 6-8MPa. The failure mode is primarily affected by concrete and timber failure. However, the findings confirm the hypothesis that increasing the moisture content of the timber before the glueing process significantly reduces the shear strength of adhesively bonded TCC joints by approximately 30% in certain instances.An experimental investigation of the failure characteristics, interface slip, strain distribution, and load-deflection response of adhesively bonded timber-concrete composite (TCC) beams fabricated using wet or dry processes was conducted. A total of six full-scale adhesively bonded TCC beams were produced with a span of 3.2 m and subjected to four-point bending tests. Wet and dry fabricated TCC beams revealed distinct failure modes. The results emphasized the critical role of bonding integrity in ensuring effective composite action and shared contribution mechanism. Wet-fabricated TCC beams exhibited a rigid bonding characterized by a consistent neutral axis alignment and load distribution along the beam span, while dry-fabricated beams experienced interface separation and compromised load-shared contribution, resulting in a significant reduction of the ultimate bending capacity of TCC beams. The outcomes showed that wet and dry TCC beams exhibited comparable load-to-mid-span deflection responses before failure, highlighting uniform behaviour and alignment with fully composite characteristics under the imposed loads.Furthermore, an analytical model for calculating TCC beams is presented and validated. The foundation of the analytical model is established upon the γ-method derived from Eurocode 5. The analytical model is compared with experimental results, highlighting its reliability and precision. Load-deflection responses, bending strain distributions, and ultimate failure loads are accurately captured, affirming the model's capability to anticipate the TCC beam behaviour.Additionally, a 3D non-linear Finite Element (FE) model for adhesively bonded Timber-Concrete Composite (TCC) beams is presented. The model analyzes the deformation behaviour, bending stress distribution, ultimate capacity, and failure characteristics of TCC beams. Despite the challenges that arose in cases of bonding failure, leading to exceptional deviations in behaviour, the results revealed a remarkable agreement between the predictions of the FE model and the outcomes of experimental tests. The FE model accurately predicted the degree of composite action. Notably, the FE model and analytical model based on the γ-method exhibit comparable predictive performance in terms of deformation. Bending stress distribution findings highlighted a strong correspondence between FE simulations and experimental data. Furthermore, the FE model demonstrated efficacy in predicting the ultimate capacity of TCC beams and consistently captured failure modes, indicating its reliability in simulating the complex behaviour of TCC beams.