Comportement thermomécanique des panneaux de façade en bois-béton collé : Étude expérimentale et numérique

Thermo-mechanical behavior of wood/concrete façade panels

• Auteur / Autrice : Roufaida Assal
• Direction : Emmanuel Ferrier, Laurent Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Matériaux Composites pour la Construction (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Chèze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Ferrier, Laurent Michel, Evelyne Toussaint, Firas Al Mahmoud, Sylvain Chataigner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Evelyne Toussaint, Firas Al Mahmoud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Propriétés thermomécaniques

Bois

Assemblages collés

Construction mixte

Mots clés libres

Thermo-Mécanique

Façades bois/béton

Comportement

Thermo-Mechanical

Façade

Wood/concrete

Résumé

L'intégration du bois et du béton dans les éléments de façade représente une avancée technologique majeure dans le domaine de la construction, combinant de manière synergique les propriétés complémentaires de ces matériaux. Cette approche s'inscrit dans un contexte où la réduction des émissions de gaz à effet de serre est une priorité pour le secteur du bâtiment. En incorporant davantage de bois dans les structures, on répond à cette exigence tout en optimisant l'isolation thermique des parois. Cependant, l'assemblage bois-béton par collage adhésif, bien que prometteur, soulève des défis techniques qui doivent être étudiés de manière approfondie, notamment dans le cadre des façades bois-béton. L'une des problématiques clés réside dans la réponse mécanique des matériaux à des variations de température. Lorsqu'une façade est soumise à un gradient thermique, avec une différence marquée entre la température intérieure et extérieure, les matériaux réagissent différemment en raison de leurs coefficients de dilatation thermique distincts. En effet, le bois et le béton peuvent se dilater ou se contracter à des vitesses différentes sous l'effet de la chaleur, ce qui engendre des concentrations de contraintes à l'interface des deux matériaux. Ces phénomènes de dilatation différentielle, s'ils ne sont pas correctement anticipés, peuvent affecter la qualité du collage. Les travaux menés pendant cette thèse ont pour objectifs d’analyser l’influence du gradient thermique sur le comportement mécanique des matériaux constitutifs, ainsi que sur l’intégrité de l’adhérence au niveau du joint de collage ; il se divise en 3 parties : Deux parties expérimentales à différentes échelles sont menées et une partie de modélisation.(1) La première phase de l'étude, à petite échelle, consiste en des tests de cisaillement « Push-Out » pour évaluer la rigidité de l'adhésif. Cette phase inclut la caractérisation du comportement en cisaillement des joints collés en utilisant des bétons fibré et non fibré sous charges statiques. La seconde partie de l'étude se concentre sur la mesure de la résistance à la traction des échantillons, complétée par l'analyse de la rigidité des assemblages à l’aide de la technique de corrélation d'image, permettant de déterminer les caractéristiques de rigidité, de résistance et le comportement mécanique des connexions collées. En outre, l'analyse s'appuie également sur le mode de rupture des assemblages, ce qui permet d'affiner la compréhension des mécanismes de défaillance. (2) La seconde phase expérimentale à grande échelle analyse le comportement thermomécanique de deux configurations de façades en bois-béton collé : l’une destinée aux applications élancées et l’autre comportant une ouverture, en collaboration avec le laboratoire Tipee de La Rochelle. Cette phase a pour but d’évaluer les performances des façades en utilisant divers types de béton et d'explorer des alternatives aux armatures traditionnelles. L'analyse des résultats est structurée en deux volets : d'abord, une évaluation thermique du gradient de température au niveau du joint de colle, suivie d'une étude des dilatations thermiques. Pour la configuration élancée, une attention particulière est portée à la flexion thermique, avec des calculs de courbure des panneaux à l’échelle locale et globale. (3) Un modèle numérique par éléments finis a été validé en comparant les résultats numériques aux données expérimentales. Cette analyse a permis de quantifier les déformations et la réaction mécanique des matériaux. Parallèlement, les essais Push-Out ont été modélisés pour vérifier la résistance au cisaillement des assemblages et les modes de défaillance. Un modèle analytique a été développé pour prédire les contraintes de cisaillement induites par le chargement thermique, et une étude paramétrique a examiné l'impact de la longueur du panneau, de la rigidité de la connexion et du gradient de température.

The integration of wood and concrete in facade elements represents a major technological advancement in the construction field, synergistically combining the complementary properties of these materials. This approach aligns with the sector's priority of reducing greenhouse gas emissions. By incorporating more wood into structures, this requirement is met while optimizing thermal insulation, as wood offers better insulating performance. However, the adhesive bonding of wood and concrete, though promising, poses technical challenges that need to be thoroughly studied, particularly in the context of wood-concrete facades. One of the key issues lies in the mechanical response of the materials to temperature variations. When a facade is subjected to a thermal gradient, with a marked difference between interior and exterior temperatures, the materials react differently due to their distinct thermal expansion coefficients. Indeed, wood and concrete can expand or contract at different rates under heat, leading to stress concentrations at the interface of the two materials. If these differential expansion phenomena are not properly anticipated, they can affect the quality of the bond. Therefore, it is essential to conduct a rigorous analysis of these thermal and mechanical interactions to optimize the design of bonded wood-concrete facades and ensure their durability under varied environmental conditions. The work undertaken during this thesis aims to analyze the influence of thermal gradients on the mechanical behavior of the constituent materials, as well as on the integrity of the adhesive bond. The study is divided into four parts: Two experimental phases at different scales are conducted and A modeling phase(1) The first phase of the study, at a small scale, involves ''Push-Out'' shear tests to evaluate the adhesive stiffness. This phase includes characterizing the shear behavior of bonded joints using fiber-reinforced and non-reinforced concrete under static loads. The second part of the study focuses on measuring the tensile strength of samples, complemented by the analysis of the stiffness of assemblies using image correlation techniques, allowing for the determination of stiffness characteristics, resistance, and mechanical behavior of bonded connections. Additionally, the analysis also considers the mode of failure of the assemblies, which helps refine the understanding of failure mechanisms. (2) The second experimental phase at a large scale analyzes the thermo-mechanical behavior of two wood-concrete bonded facade configurations: one intended for slender applications and the other with an opening, in collaboration with the Tippee Laboratory in La Rochelle. This phase aims to evaluate the performance of facades using various types of concrete and to explore alternatives to traditional reinforcements. The results are analysed in two parts: first, a thermal evaluation of the temperature gradient at the adhesive joint, followed by a study of thermal expansions. For the slender configuration, particular attention is given to thermal bending, with curvature calculations of the panels at both local and global scales. (3) A numerical finite element model has been validated by comparing numerical results with experimental data. This analysis allowed for the quantification of deformations and the mechanical response of materials. Simultaneously, the Push-Out tests were modelled to verify the shear resistance of assemblies and failure modes. An analytical model was developed to predict shear stresses induced by thermal loading, and a parametric study examined the impact of panel length, connection stiffness, and thermal gradient.