Etude de l'influence des transferts thermo-hydriques sur les composants d'assemblages bois sous incendie

Thermo-hydric transfer within dowelled and bolted timber connections under fire exposure

• Auteur / Autrice : Abdoulaye Samake
• Direction : Mustapha Taazount
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 01/06/2016
• 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) - Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Amziane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Taazount, Philippe Audebert, Driss Boutat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dhionis Dhima, Lakhdar Taleb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assemblages (technologie)

Constructions en bois

Mots clés libres

Bois

Organes métalliques

Assemblages

Feu ISO 834

Four à gaz

Champs thermiques

Flux hydrique

Modélisation numérique

Laine de roche

Timber

Fasteners

Fire

Connections

Temperature

Stone wool

Résumé

Les structures en bois sont de plus en plus utilisées de nos jours dans les constructions de génie civil. Cette utilisation massive du bois s’explique notamment par le caractère écologique du matériau et son attrait esthétique. Ces structures sont composées d’éléments en bois assemblés entre eux à l’aide d’organes métalliques tels que des boulons, broches, plaques métalliques,...etc. La résistance globale de la structure est étroitement liée aux capacités résistantes de ses liaisons. Ces zones constituent donc des endroits vulnérables lors d’un incendie. La compréhension de leur comportement sous sollicitation thermique de type incendie nécessite donc une attention particulière. Le bois est connu comme matériau anisotrope et relativement humide. La grande variabilité de ses propriétés mécaniques et la présence d’organes métalliques dans les assemblages rendent l’étude de ceux-ci beaucoup plus complexe. C’est notamment le cas en situation extrême d’incendie où la connaissance des valeurs de certains paramètres en fonction de la température est plus ou moins approchée. Lorsque l’assemblage est sollicité par des hautes températures, des flux thermiques et hydriques se manifestent et agissent sur les caractéristiques mécaniques et physiques des matériaux. Les méthodes actuelles de calcul technique de ces structures restent très sécuritaires et tendent à être simplificatrices dans certains cas. Une meilleure caractérisation de la réponse de ces assemblages sous action thermique s’impose si l’on veut optimiser les structures. Pour étudier les transferts thermiques et hydriques dans les éléments d’assemblages bois, deux approches ont été adoptées : expérimentale et numérique. L’approche expérimentale qui débute par l’étude d’un assemblage mono-tige soumis à l’action du feu ISO 834. L’étude des transferts thermiques à différents endroits des assemblages est réalisée ainsi que l’influence de la présence de la plaque métallique et le choix du type d’organes métalliques. Les résultats obtenus ont conduit à l’étude des deux éléments principaux de l’assemblage que sont le bois et les tiges métalliques. Les résultats obtenus permettent à la fois une meilleure compréhension et quantification de l’influence du choix de la tige métallique, de la présence de l’eau dans le bois. L’étude numérique a consisté à la mise en place de différents modèles. Un premier modèle simplifié basé sur les différences finies est réalisé. Il permet l’étude des transferts thermiques dans les organes métalliques. Ensuite deux modèles utilisant les éléments finis sont réalisés : le premier utilisé sous le code de calcul Msc.Marc et le second a été programmé ave des éléments finis surfaciques. Ce dernier modèle permet la prise en compte du comportement thermo-hydrique dans le matériau. Ils rentrent dans le cadre de la calibration des paramètres thermomécaniques du bois sous hautes températures et permettent d’aborder différentes configurations d’assemblages bois. Enfin une étude comparative et de discussion est réalisée entre les résultats réels et les résultats numériques. Les résultats obtenus sont satisfaisants.

Nowadays, timber structures are well on the way to democratization as regards building uses. They, indeed, present many advantages including light weight, speed of implementation and contribution to sustainable development. These structures are made of timber elements connected together using metal components such as bolts, dowels and nails forming the mechanical joints, which is sometimes reinforced with metal plates. Consequently, the joints are vulnerable areas when exposed to fire. Understanding their mechanical behavior, therefore, is essential, not only as regards fire exposure, but also as regards the coupling of the thermal and hydric fluxes within the connections. As we know, wood is an anisotropic material and relatively humid. The combination of the architectural demand and the material mechanical resistance requires wood materials to cohabit with other materials like steel fasteners. With the presence of steel members, thermo -hydric heat transfer phenomena within joints under fire exposure increase in speed and complexity [4 e7].This complexity comes from the difference between the materials regarding mechanical rigidity and thermo -hydric permeability. It affects the mechanical and thermo-physical properties of the materials eventually, in particular, thermal conductivity and specific heat subjected to the thermal action of fire. With this aim in view, the present research provides important experimental and numerical data, which are needed in the field of understanding and quantifying thermos-hydric transfer phenomenon within timber-steel connections. The objective of this thesis is to present the findings of the investigations carried out to study experimental and numerical thermo-hydric transfer of timber connections subjected to the ISO-834 standard conditions of fire exposure. The experimental part starts by the study of a sin gle bolt or single dowel timber-timber connections under fire. The temperature-time evolutions are measured at different places of the connections. Then two studies are carried out about the main two components of connections (wood and metal rods). The results obtained allow a good comprehension and quantification about the choice of the metal rods (bolt or dowel). A good comprehension is also obtained about the water contained in timber. The simulation model is reached in many ways: first, through the thermal study of the steel fasteners using the Finite Differences Method and another model using the Finite Element Method. Second, through the modeling of thermal behavior of the connection using the finite element method with the Msc-marc software is carried out. The last model is about the thermos-hydric behavior of the timber. The comparison between experimental and numerical results is satisfactory.