Développement de modèles éléments finis de types volumique, volume-coque et volume-poutre pour l’analyse du comportement des structures multicouches en bois assemblées par des goujons

Development of solid, solid-shell and solid-beam finite element models for the mechanical study of multilayered timber structures assembled by dowels

• Auteur / Autrice : Jeanne Paroissien
• Direction : Pascal Lardeur, Marc Oudjene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 10/01/2025
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Modélisation prédictive

Réduction de modèle

Poutres

Coques (ingénierie)

Bois comprimé

Goujons (assemblages)

Propriétés mécaniques

Parois multicouches

Construction en bois

Méthode des éléments finis

Mots clés libres

Structures multicouches en bois

Goujons en bois densifié

Modélisation adaptative

Élément volume-coque

Élément volume-poutre

Élément volumique à 32 nœuds

Finite element method

Timber construction

Multilayered timber structures

Compressed wood dowels

Model reduction

Adaptive modelling

Solid-shell element

Solid-beam element

32-node solid element

Résumé

Les structures multicouches en bois, assemblées par des goujons en bois densifié, constituent une solution durable et innovante pour le secteur de la construction. Le développement de modèles prédictifs par éléments finis nécessite une représentation volumique de la géométrie pour modéliser le comportement mécanique complexe de ces structures. Cependant, les modèles volumiques sont couteux, notamment dans le cadre des études de variabilité et d’optimisation. Dans cette thèse, des approches de types volumique, volume-coque et volume-poutre, sont développées pour obtenir des modèles précis et qui peuvent être qualifiés de juste nécessaires. L’étude du comportement mécanique des structures multicouches en bois révèle que les lamelles adoptent un comportement de coque tandis que les goujons se comportent comme des poutres. Des champs de déplacement d’ordre supérieur dans l’épaisseur des lamelles et dans la section des goujons sont identifiés. Pour respecter ces champs de déplacement tout en gardant une représentation volumique, deux méthodes ont été développées. Une première méthode exploite des éléments volumiques standards en appliquant des théories de coque à travers l’épaisseur des lamelles et des théories de poutre à travers les sections des goujons. Une seconde méthode exploite un élément hexaédrique à 32 nœuds et s’inspire des principes des éléments volume-coque et volume-poutre, avec un seul élément dans l’épaisseur des lamelles et un seul élément dans la section des goujons. Les résultats démontrent que les méthodes proposées dans cette thèse mènent à des outils de modélisation efficaces pour les structures multicouches en bois assemblées par des goujons en bois densifié. Ces méthodes ouvrent également de nouvelles pistes de développements futurs et des perspectives d’application à d’autres types de structures.

Multilayered timber structures, assembled using densified wood dowels, represent a sustainable and innovative solution for the construction sector. The development of predictive finite element models requires a solid representation of the geometry for modelling the complex mechanical behaviour of these structures. However, solid models are costly, especially in the context of variability studies and optimization. In this thesis, solid, solid-shell, and solid-beam approaches are developed to obtain accurate models that can be considered as the best compromise. The study of the mechanical behaviour of multilayered timber structures reveals that the layers adopt a shell-like behaviour, while the dowels behave like beams. Higher-order displacement fields through the thickness of the layers and through the cross-section of the dowels are identified. To meet these displacement fields while maintaining a solid representation, two methods have been developed. A first method exploits standard solid elements by applying shell theories through the thickness of the layers and beam theories through the sections of the dowels. A second method uses a 32-node hexahedral element and is inspired by the principle of solid-shell and solid-beam elements, with a single element through the thickness of the layers and a single element through the section of the dowels. The results demonstrate that the methods proposed in this thesis lead to effective modelling tools for multilayered timber structures assembled with densified wood dowels. These methods offer perspectives for future developments and applications to other types of structures.