Guide Conception Assemblage Bois CSA

Guide de conception des assemblagespour les charpentes en bois

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois

cecobois remercie Ressources naturelles Canada et le ministre des Ressources naturelles

et de la Faune du Qubec pour leur contribution fi nancire la ralisation de ce guide.

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois i

Avant-propos Ce guide technique a pour but dassister les ingnieurs et les architectes dans la conception dassemblages pour le gros bois duvre, le bois de charpente composite et le bois lamell-coll utiliss dans des construc-tions non rsidentielles. On y prsente les gnralits relatives au matriau bois ainsi quaux moyens dassem-blage. Il inclut galement les principes de conception, les diffrentes normes de calcul utilises et plusieurs exemples de calculs.

RemerciementsLes conseillers techniques de cecobois remercient les spcialistes suivants pour leurs commentaires construc-tifs sur les divers aspects techniques de ce guide :

Julie Frappier, ing., Nordic Bois dingnierie

Sbastien Gilbert, Goodlam et Produits de bois dingnierie

Mohammad Mohammad, FPInnovations

Alexander Salenikovich, Universit Laval

Les images techniques ont t ralises laide du logiciel Cadwork.

Responsabilits du lecteurBien que ce guide ait t conu avec la plus grande exactitude conformment la pratique actuelle du calcul des structures en bois, le Centre dexpertise sur la construction commerciale en bois nest nullement respon-sable des erreurs ou des omissions qui peuvent dcouler de lusage du prsent guide. Toute personne utilisant ce guide en assume pleinement tous les risques et les responsabilits. Toute suggestion visant lamlioration de notre documentation sera grandement apprcie et considre dans les versions futures.

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en boisii

Table des matires

Avant-propos i

Remerciements i

Responsabilits du lecteur i

Liste des tableaux iv

Liste des fi gures iv

1 Centre dexpertise sur la construction commerciale en bois 1

2 Avantages environnementaux de la construction en bois 2

3 Proprits du bois 3

3.1 Structure anatomique 3

3.2 Proprits mcaniques 4

Anisotropie 4

Compression et traction parallle au fi l 4

Compression perpendiculaire au fi l 5

Traction perpendiculaire au fi l 5

Rsistance lenfoncement 6

Variabilit 6

Facteurs de modifi cation 6

3.3 Produits 6

Bois duvre 6

Bois dingnierie 7

3.4 Performance au feu 8

3.5 Variations dimensionnelles 8

Hygroscopicit du bois 8

Retrait et gonfl ement 8

Schage du bois 9

3.6 Durabilit 10

4 Proprits de lassemblage 11

4.1 Rsistance mcanique 11

Rsistance et comportement 12

Vrifi cation des lments en acier 13

Gomtrie de lassemblage 13

Performance sismique 16

4.2 Effets de lhumidit 17

4.3 Rsistance la dgradation 18

4.4 Rsistance au feu 19

Assemblages non protgs 19

Assemblages protgs 20

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois iii

4.5 Principes de conception 23

talement des connecteurs 23

Excentricits 23

Rsistance perpendiculaire au fi l 24

Combinaison des moyens dassemblage 24

Facilit de mise en place 25

Simplicit 25

Esthtisme 25

Cots 25

5 Assemblages mcaniques 25

5.1 Boulons et goujons 25

Gnralits 25

Spcifi cits techniques 26

Calcul de la rsistance 27

Exemples 32

5.2 Tire-fonds et vis 53

Gnralits 53



Exemples 55

5.3 Rivets 66

Gnralits 66



Exemples 68

5.4 Clous et pointes 73

Gnralits 73



Exemples 74

5.5 Goujons forcs 79

Gnralits 79



5.6 Nouveaux connecteurs 80

Vis double fi letage 80

Vis et goujons auto-taraudeurs 80

Connecteurs mtalliques intgrs 81

Barres insres colles 83

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en boisiv

6 Assemblages par contact 84

6.1 Embrvements 84

Gnralits 84


7 Exemple de calcul complet 88

8 Rfrences 95

Liste des tableaux

Tableau 1 Teneur en humidit dquilibre (THE) des lments en bois 9

Tableau 2 Teneur en humidit des produits en bois au moment de linstallation 10

Tableau 3 Largeur bst minimale en fonction de la rsistance au feu 20

Tableau 4 Largeurs minimales pour protger les plaques mtalliques 21

Tableau 5 Diamtre des trous 53

Liste des fi gures

Figure 1 www.cecobois.com 1

Figure 2 Cycle de vie des matriaux de construction 2

Figure 3 Comparaison des missions de GES dues la fabrication dune poutre de 7,3 m supportant une charge de 14,4 kN/m 3

Figure 4 Structure microscopique dun bois rsineux 3

Figure 5 Efforts exercs paralllement laxe de larbre 4

Figure 6 Efforts exercs paralllement au fi l 4

Figure 7 Efforts exercs perpendiculairement au fi l 5

Figure 8 Confi gurations propices la traction perpendiculaire au fi l 5

Figure 9 Rsistance lenfoncement du bois 6

Figure 10 Bois lamell-coll gnrique 7

Figure 11 Bois lamell-coll propritaire 7

Figure 12 Bois de placages stratifi s (LVL) 7

Figure 13 Bois de copeaux parallles (PSL) 7

Figure 14 Bois de copeaux longs lamins (LSL) 7

Figure 15 Couche de carbonisation 8

Figure 16 Teneur en humidit dquilibre du bois 8

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois v

Figure 17 Infl uence de la teneur en humidit sur les changements dimensionnels du bois 9

Figure 18 Phnomne de retrait et de gonfl ement selon le sens du bois 9

Figure 19 Retrait des lments en bois d au schage 10

Figure 20 Confi guration des assemblages selon le type deffort 11

Figure 21 Courbe charge dformation pour diffrents types dassemblages 12

Figure 22 lments mtalliques utiliss pour les assemblages 14

Figure 23 Distances minimales 15

Figure 24 Dfi nition du nombre de fi les 16

Figure 25 Courbe dhystrsis reprsentant le comportement ductile dun assemblage acier-bois 17

Figure 26 Courbe dhystrsis dun assemblage 17

Figure 27 Dtail dassemblage permettant de limiter limpact dun ventuel retrait du bois 18

Figure 28 Prvoir un assemblage qui facilite lcoulement de leau et le schage du bois 18

Figure 29 Exigences dimensionnelles relatives la protection des plaques dacier 21

Figure 30 Longueurs dassemblages pour une charge quivalente 23

Figure 31 Situations viter : diffrentes causes dexcentricits dans un assemblage 24

Figure 32 Situations viter : appui en porte--faux, charge sous la poutre ou imprcision dans un joint 24

Figure 33 Goujon et boulon soumis un chargement latral 26

Figure 34 Distances et espacements minimaux pour les boulons et les goujons 27

Figure 35 Modes de ruptures ductile et fragile ncessitant une vrifi cation 27

Figure 36 Modes de rupture ductile dun assemblage par goujons reliant trois membrures de bois 28

Figure 37 Modes de rupture ductile unitaires selon le modle europen 29

Figure 38 paisseurs t1 et t2 selon la disposition 29

Figure 39 Coeffi cient K LS selon les conditions de cisaillement 30

Figure 40 Valeur de a cr 30

Figure 41 Effort de cisaillement induit dans une poutre en fonction de la position de P 31

Figure 42 Utilisation du tire-fond 53

Figure 43 Prperage des vis 54

Figure 44 Profondeur de pntration et paisseur des lments minimaux 54

Figure 45 Modes de rupture ductile unitaires selon le modle europen 54

Figure 46 Rivets 66

Figure 47 Rigidit des rivets vs disques de cisaillement 66

Figure 48 Fibres comprimes dans une membrure aprs linsertion des rivets 66

Figure 49 Squence de positionnement des rivets 67

Figure 50 Diffrents types de clous de construction 73

Figure 51 Goujon forc 79

Figure 52 Usages des vis double fi letage 80

Figure 53 Vis auto-taraudeuses 80

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en boisvi

Figure 54 Goujons auto-taraudeurs 81

Figure 55 Appareils de pose pour vis auto-taraudeuses 81

Figure 56 Systme Bertsche BS 81

Figure 57 Application du systme Bertsche BS Pont dAvoudray et Expo-Dach Hannovre 82

Figure 58 Connecteur In-duo 82

Figure 59 Connecteur NHT 82

Figure 60 Systme IdeFix 82

Figure 61 Assemblages par tiges insres colles Pont de Crest 83

Figure 62 Assemblage rigide par barre insre colle 83

Figure 63 Charpente et joints traditionnels 84

Figure 64 Principaux types dembrvements 84

Figure 65 Embrvement simple Infl uence de langle de coupe 85

Figure 66 Longueur dextrmit rsistant au cisaillement longitudinal 85

Figure 67 Reprise de la composante verticale de la charge 86

Figure 68 Embrvement arrire 86

Figure 69 Traction perpendiculaire au fi l dans un embrvement arrire mal conu 86

Figure 70 Embrvement double 87

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois 1

Le Centre dexpertise sur la construction commerciale en bois (cecobois) est un organisme but non lucratif dont la mission est dappuyer sans frais les promoteurs, les dveloppeurs ainsi que les fi rmes dingnieurs et darchitectes en matire dutilisation du bois dans les constructions non rsidentielles au Qubec.

cecobois est votre ressource premire afi n dobtenir : des rfrences sur les produits du bois, leurs proprits et les fournisseurs ; des conseils techniques en matire de faisabilit dutilisation dans les projets commerciaux ; des renseignements et des services sur des solutions constructives en bois.

Vous tes promoteur, ingnieur ou architecte ? cecobois peut vous renseigner sur : linterprtation du Code du btiment ; la dmarche suivre pour concevoir un btiment en bois ; les possibilits dutilisation du bois en construction commerciale, industrielle ou institutionnelle ; les produits de structure, les bois dapparence et les parements disponibles ; les proprits mcaniques du bois et des bois dingnierie ; les outils et les manuels de calcul des structures disponibles ; les solutions constructives en bois appropries ; les avantages du bois du point de vue des impacts environnementaux ; lanalyse du cycle de vie des matriaux, des btiments ou des systmes de construction.

1 Centre dexpertise sur la construction commerciale en bois

Visitez notre site Internet www.cecobois.com afi n dobtenir une vaste gamme dinformation sur la construction non rsidentielle en bois, des nouvelles, des fi ches techniques et des outils de conception en ligne (fi gure 1).

FIGURE 1 www.cecobois.com

Guide de conception des assemblages pour les charpentes en bois2

Dans un monde sensibilis lenvironnement, le bois est un matriau de premier choix. Il a beaucoup offrir pour amliorer la performance environnementale globale des btiments. Lutilisation du bois permet de rduire la trace environnementale en matire notamment de consommation dnergie, dutilisation des ressources ainsi que de pollution de leau et de lair.

Toutes les activits humaines ont des rpercussions sur notre environnement immdiat et il est pratiquement impossible de construire un btiment nayant aucun impact cologique. Les concepteurs et les construc-teurs de btiments sont cependant de plus en plus conscients de limportance de leurs choix pour rduire lempreinte environnementale des btiments sur le monde qui nous entoure. Cest pourquoi ces dcideurs adoptent majoritairement des concepts de construction cologique et optent pour des solu-tions visant rduire la consommation dnergie, favoriser lemploi de matriaux renouvelables et limi-ter la pollution cause par la fabrication des diffrents produits.

Lanalyse du cycle de vie quantifi e les impacts quun produit, un procd ou une activit a sur lenvironnement au cours de sa vie, laide dune mthode reconnue scientifi quement. Elle considre lensemble des tapes allant de lextraction des matriaux, la transformation, le transport, linstallation, lutilisation, lentretien jusqu llimination fi nale ou la rutilisation (fi gure 2). Lana-lyse du cycle de vie des matriaux est un outil prcieux pour quantifi er le caractre cologique des projets de construction et soutenir les systmes de certifi cation environnementale des btiments.

Lvaluation de lensemble des impacts quont les btiments sur lenvironnement est une tche complexe et un dfi de taille. LInstitut ATHENA a mis au point un outil permettant de calculer les impacts directs sur lenvironnement de diffrentes techniques de construc-tion. Le logiciel ATHENA impact estimator (ATHENA) est un instrument dvaluation environnementale bas sur lanalyse du cycle de vie qui sadresse princi-palement aux professionnels de la construction.

2 Avantages environnementaux de la construction en bois

FIGURE 2 Cycle de vie des matriaux de construction

Le cycle de vie

des produits du bois

CONSTRUCTION

EXTRACTION DES RESSOURCES

TRANSFORMATION

UTILISATION ET ENTRETIEN

DMOLITION

FIN DE VIE

SQUESTRATION


Le bois, de par sa composition cellulaire, prsente des proprits uniques qui le distinguent des autres mat-riaux de construction. Ses proprits anisotropes (qui diffrent selon laxe dobservation) et son hygroscopi-cit (aptitude absorber lhumidit) affectent directe-ment les caractristiques physiques et mcaniques du bois. Quoi quelles soient infl ammables, les construc-tions en gros bois duvre offrent cependant de bon-nes performances en cas dincendie.

Une bonne comprhension de ce matriau et de ses particularits est essentielle la conception des as-semblages afi n de permettre un comportement prvi-sible des structures.

3.1 Structure anatomiqueLe bois est form dun ensemble de cellules principa-lement orientes dans le sens longitudinal du mat-riau. Sa structure interne pourrait tre compare une multitude de petits tubes colls les uns aux autres (fi gure 4). Les conditions de croissance infl uenant la disposition et la densit de ces cellules, les cernes annuels sont forms de cellules plus ares produites

au printemps et de cellules plus denses produites au cours de lt. Sa structure anatomique confre au bois dintressantes proprits mcaniques. Lhygroscopi-cit du bois le rend toutefois sensible leau, proprit qui doit tre prise en considration au moment de la conception pour assurer la longvit des constructions en bois.

Une rcente tude ralise par cecobois a permis de comparer le potentiel de rchauffement climatique dune poutre en bois dingnierie de 7,3 m de porte suppor-tant une charge non pondre de 14,4 kN/m. Dans la fi gure 3, lquivalent dmission de CO2 reprsente le potentiel de rchauffement climatique obtenu lors de lanalyse du cycle de vie laide du logiciel ATHENA. Cette tude dmontre que la poutre en bois dingnierie met prs de 6 fois moins de GES que celle en bton et environ 4 fois moins que celle en acier.

Le procd de fabrication du bois de construction requiert en effet moins dnergie et est beaucoup moins polluant que dautres matriaux ayant davan-tage dimpacts sur lenvironnement. De plus, l'arbre squestrant du CO2 dans le bois au cours de sa croissance, son bilan carbone total peut tre considr comme positif.

Lutilisation du bois en construction contribue aussi leffi cacit nergtique du btiment, car sa faible conductivit thermique permet de rduire effi cacement les ponts thermiques dus la structure.

Respectueux de lenvironnement, les lments en bois dingnierie permettent une meilleure utilisation de la ressource en employant des arbres de plus petits diamtres pour fabriquer un produit de haute qualit.

FIGURE 3 Comparaison des missions de GES dues la fabrication dune poutre1 de 7,3 m supportant une charge de 14,4 kN/m

m

issi

ons

de G

ES

(kg

equ.

CO

2)S

que

stra

tion

de C

O2

1. missions de GES, calcules lors dune analyse du cycle de vie laide du logiciel ATHENA TM 4.1.11

2. Estim en fonction de la composition du bois pour une masse volumique de 500 kg/m3

3 Proprits du bois

Bois de printemps

Bois dt

Directionlongitudinale

(parallle au fil)

Direction tangentielle

Directionradiale

Cerne annuel

Cellules(trachides

longitudinales)

FIGURE 4 Structure microscopique dun bois rsineux


3.2 Proprits mcaniquesGrandement infl uences par la structure interne du bois, les proprits mcaniques varient selon la direc-tion dapplication de la charge par rapport son fi l (sens des fi bres). Cette anisotropie est cause prin-cipalement par des modes de rupture qui diffrent selon le type de chargement et son orientation. Les proprits mcaniques du bois sont aussi lies sa densit, sa teneur en humidit, la dure de char-gement ainsi quaux diffrents traitements du bois.

Anisotropie

Pour bien rsister aux principaux efforts au cours de sa croissance dans larbre, le bois est form dun ensemble de cellules orientes dans le sens longitu-dinal du matriau (fi gure 5). Du fait de cet alignement des fi bres, le bois est un matriau qui offre une rsis-tance diffrente selon la direction de chargement. La rsistance parallle au fi l, en compression comme en traction, est considrablement suprieure la rsis-tance perpendiculaire au fi l. La rsistance au char-gement oblique se situe entre la rsistance parallle et la rsistance perpendiculaire. De plus, le mode de rupture associ chaque type de chargement varie en fonction de son sens dapplication. On considre globalement quune sollicitation en traction ou en ci-saillement mnera une rupture fragile alors quune sollicitation en compression offrira un comportement plus ductile, en raison de lenfoncement du bois.

Compression et traction parallle au fi l

En raison de lorientation de ses fi bres, le bois offre une trs bonne rsistance aux contraintes de com-pression et de traction parallles au fi l (fi gure 6). La possibilit de fl ambage dun lment long et mince peut toutefois rduire la rsistance en compression et doit tre considre dans le calcul des lments porteurs. Pour les structures en gros bois duvre ou dingnierie, les efforts en compression sont habituel-lement prfrables aux efforts en traction, en raison des assemblages.

COMPRESSION PARALLLE AU FIL

CELLULEDE BOIS(GROSSIE)

TRACTION PARALLLE AU FIL

CELLULEDE BOIS(GROSSIE)D(G

FIGURE 5 Efforts exercs paralllement laxe de larbre

FIGURE 6 Efforts exercs paralllement au fi l


Compression perpendiculaire au fi l

La compression perpendiculaire au fi l, souvent cause par des charges concentres aux appuis, est inf-rieure la rsistance parallle car elle tente dcra-ser les petits tubes que sont les cellules du bois. La rsistance en compression perpendiculaire est sou-vent sollicite dans les assemblages, aux points de jonction dune structure. Des plaques en acier ou en bois peuvent tre utilises pour augmenter la surface dappui et ainsi diminuer les contraintes de compres-sion perpendiculaire au fi l (fi gure 7).

Le comportement du bois soumis une charge per-pendiculaire au fi l varie cependant dune situation lautre selon des critres de disposition prcis. Plu-sieurs investigations ont mis en vidence linfl uence de diffrents facteurs, dont le nombre de bordures mises contribution, la longueur dappui, le facteur de surface et limportance de la direction du grain (Madsen, 2000). Il a t dmontr que la simple quation effort/aire dappui ne reprsentait pas tou-jours le comportement vritable et des facteurs de modifi cations ont t inclus dans la norme de calcul de charpentes en bois cet effet (CSA O86, 2009).

Traction perpendiculaire au fi l

La traction exerce perpendiculairement au fi l cherche dcoller les fi bres du bois les unes des autres (fi gure 7). Les contraintes en traction perpendiculaire au fi l peuvent entraner le fendage du bois et pro-voquer une rupture brusque et imprvisible qui se produit le plus souvent proximit des systmes de connexion (fi gure 8). Une bonne comprhension du phnomne aidera le concepteur viter les dtails risque, tels que la prsence dune charge suspendue dans la partie infrieure dune poutre, une attache soumise au retrait diffrentiel, lexcentricit dun effort

sur un encorbellement, etc. Une conception adapte de lassemblage permettra donc de limiter la prsence de traction perpendiculaire, ou de prvoir des mthodes pour renforcer les zones sollicites. Plusieurs exemples sont prsents dans le Guide de bonnes pratiques pour la construction commerciale en gros bois duvre ou dingnierie produit par cecobois.

TRACTION PERPENDICULAIRE AU FIL

CELLULESDE BOIS

(GROSSIES)

COMPRESSION PERPENDICULAIRE AU FIL

CELLULEDE BOIS(GROSSIE)

FIGURE 7 Efforts exercs perpendiculairement au fi l

FIGURE 8 Confi gurations propices la traction perpendiculaire au fi l

Fissure


Rsistance lenfoncement

La rsistance lenfoncement, aussi appele rsis-tance la pression latrale, est la rsistance quoffre le bois lenfoncement dune tige mtallique qui le traverse lorsquun effort latral est appliqu (fi gure 9). La rsistance lenfoncement dpend de la densit du bois, du diamtre et de la rigidit de la tige, ainsi que de langle de chargement par rapport au fi l.

Cette proprit est utilise pour dterminer la rsis-tance la rupture ductile dun assemblage boulonn ou avec goujons. Dans un tel assemblage, linteraction complexe entre la dformation plastique de lacier et lenfoncement du bois est dcrite par les formules labores du modle europen de rupture ductile par Johansen (1949) et raffi ne par Larsen (1973) (CCB 2007). Ces quations mettent en relation les trois principaux paramtres de ce mode de rupture : la rsistance lenfoncement du bois, la limite dlas-ticit de lacier et la gomtrie de lassemblage (paisseur des lments, nombre de plans de cisaille-ment, etc.). Lorsquil gouverne, il sagit du principal mode de rupture du bois prsentant un comporte-ment ductile.

Variabilit

Le bois tant un matriau naturel, ses caractristiques sont moins homognes que celles dun matriau pro-duit industriellement. La variabilit de ses caractris-tiques physiques et de ses proprits mcaniques a conduit vers ladoption de diffrentes classes de bois tablies selon des donnes empiriques. On re-trouve le bois class visuellement, qui regroupe la plus grande part de la production actuelle, et le bois class par contrainte ou rsistance mcanique. Le classement mcanique permet de mieux valuer les proprits mcaniques du matriau et, donc, dtablir des classes de rsistance plus prcises telles quon les retrouve dans la norme CSA O86.

Facteurs de modifi cation

Les proprits mcaniques du bois varient en fonc-tion de plusieurs facteurs tels que la dure de char-gement, la teneur en humidit et les traitements chimiques. Leurs effets sont considrs dans les coeffi cients de calcul K D (CSA O86, art. 4.3.2), K SF (CSA O86, tableau 10.2.1.5 pour les attaches) et K T (CSA O86, art. 5.4.3). Ces paramtres modifi ent la r-sistance fi nale du matriau par rapport aux conditions normales dutilisation. Linfl uence de lessence utilise et de la variabilit du bois est dj incluse dans les diffrents tableaux de rsistance ou de densit de la norme CSA O86.

3.3 Produits Bois duvre

Le bois duvre est obtenu du sciage de la matire brute, suivi de certaines manipulations telles que le schage, le rabotage ou le chanfreinage. Au Canada, la norme CSA O141 rgularise les mthodes et les agences de classement du bois de sciage. Le bois dbit canadien se commercialise principalement sous quatre combinaisons dessences diffrentes : Douglas-mlze, pruche-sapin, pinette-pin-sapin et essences nordiques. Les rsistances prvues et les modules dlasticit du matriau devant tre utiliss pour le calcul sont prsents pour chaque catgorie dessence dans la norme CSA O86. Ces proprits mcaniques ont gnralement t obtenues par des tests de rsistance sur lessence la moins performante de chaque combinaison et par des ajustements lis certains facteurs pnalisants susceptibles de dimi-nuer sa fi abilit.

FIGURE 9 Rsistance lenfoncement du bois


Bois dingnierie

Les bois dingnierie sont des produits valeur ajou-te fabriqus partir de petites sections de bois. Ils permettent une optimisation de la matire et un meilleur contrle du produit fi ni. On trouve plusieurs types de gros bois dingnierie au Qubec, dont le bois lamell-coll (BLC) et le bois de charpente com-posite (SCL). Ces produits allient lesthtique aux proprits structurales. Leur utilisation est permise lorsquune construction en gros bois duvre est autorise dans le Code national du btiment. Leur usage est maintenant rpandu et les dtails techniques sont inclus dans les normes de calcul.

Le bois lamell-coll et le bois de charpente com-posite sont dcrits brivement dans les prochaines sections. Plus dinformation sur leurs spcifi cits de fabrication et leur utilisation est disponible dans le Guide technique sur la conception de poutres et colonnes en gros bois publi par cecobois.

Bois lamell-collLe bois lamell-coll (BLC) (glued-laminated timber ou glulam) est compos dun empilage de pices de bois rabotes et aboutes, puis colles sous presse avec un adhsif hydrofuge. Il permet des sections droites ou courbes au dimensionnement prcis et quasi infi ni. Le BLC possde une meilleure stabilit dimensionnelle que les pices en gros bois duvre. Il est utilis comme poutre, colonne ou arche dans des longueurs limites principalement par le transport.

Le bois lamell-coll se divise en deux catgories, soit les produits traditionnels ou gnriques , conformes la norme CSA O122 Bois de charpente lamell-

coll, et les produits innovateurs ou propritaires qui doivent tre pralablement valus par le Centre canadien des matriaux de construction (CCMC) (respectivement fi gure 10 et fi gure 11).

Bois de charpente compositeLes bois de charpente composites (structural compo-site lumber ou SCL) sont une famille de bois ding-nierie structuraux fabriqus partir de collage de pla-cages ou de copeaux de bois au moyen dun adhsif hydrofuge formant des lments pleins, semblables au bois de sciage traditionnel. Ces produits servent substituer lutilisation dlments de bois tradition-nels comme les solives, poutres, longerons, linteaux et colonnes.

Les bois de charpente composites doivent tre fabriqus et valus conformment la norme amricaine ASTM D5456 et se divisent en trois principales catgories : bois de placages stratifi s

(Laminated Veneer Lumber ou LVL) (fi gure 12) ;

bois copeaux parallles (Parallel Strand Lumber ou PSL) (fi gure 13) ;

bois de longs copeaux lamins (Laminated Strand Lumber ou LSL) (fi gure 14).

FIGURE 11 Bois lamell-coll propritaire (Nordic LamTM)Rapport dvaluation CCMC 13216-R

FIGURE 13 Bois copeaux parallles (PSL)

FIGURE 14 Bois de longs copeaux lamins (LSL)

FIGURE 10 Bois lamell-coll gnrique (GoodlamTM)Conforme la norme CSA O122

FIGURE 12 Bois de placages stratifi s (LVL)


Dans les trois catgories, lorientation du fi l (grain de bois) des placages et des copeaux est parallle au sens de la longueur de llment afi n dutiliser la r-sistance maximale des fi bres. Ces bois de charpente composites sont fabriqus en pices rectilignes et doivent tre uniquement utiliss dans un milieu sec conformment lesprit de la norme de calcul CSA O86. Ces produits sont plus stables dimensionnel-lement que les bois de sciage traditionnels puisque leurs constituants ont t schs avant la fabrication.

3.4 Performance au feu Les charpentes en gros bois duvre et dingnierie offrent une bonne rsistance au feu. Le bois ne perd en effet que de 10 15 % de sa rsistance totale sous leffet de tempratures extrmes gnres par un in-cendie (Lie, 1977). De plus, au moment dun incendie, une couche de carbonisation se forme autour des larges lments de bois et protge le matriau central de la chaleur dgage par les fl ammes (fi gure 15). Ce phnomne rduit la vitesse de carbonisation envi-ron 0,65 mm/min. Aprs 45 minutes de combustion, une pice de bois naura donc brl que denviron 29 mm et le centre de la pice gardera sa rsistance. Le concepteur peut donc effectuer le dimensionne-ment des lments porteurs en consquence afi n de fournir la rsistance incendie recherche. Plus la pice sera grosse, plus elle supportera les charges longtemps.

3.5 Variations dimensionnellesHygroscopicit du bois

Lhygroscopicit, soit laptitude absorber lhumidit, est une proprit importante du bois quil convient de bien comprendre pour assurer la prennit des rali-sations en bois.

La teneur en humidit (TH), exprime en pourcentage, est le rapport de la masse deau prsente dans le bois sur la masse du bois anhydre ou sec. Le bois perd ou absorbe lhumidit jusqu ce que sa teneur en humidit soit en quilibre avec celle de lair am-biant. Cette teneur en humidit dquilibre du bois est fonction de la temprature et de lhumidit relative de lair, comme lillustre la fi gure 16.

Retrait et gonfl ement

Le matriau bois peut contenir de leau sous deux formes : leau libre dans les vides lintrieur des cellules et leau absorbe par les parois cellulaires. Lorsque la teneur en humidit du bois est maximale, leau est prsente sous ces deux formes. En schant, le bois perd dabord leau libre lintrieur des cavits et, ensuite, leau absorbe par les parois cellulaires. Le point de saturation des fi bres (PSF) est la teneur en humidit limite pour laquelle il ny a plus deau libre dans les vides alors que leau absorbe dans les pa-rois cellulaires est maximale. Le PSF se situe une teneur en humidit autour de 30 % pour la plupart des essences de bois.

FIGURE 15 Couche de carbonisationSource : adapte de CSA O177.

Couche de carbonisation

Limite de carbonisation

Zone de pyrolyse

Limite de la zone de pyrolyse

Bois intact

FIGURE 16 Teneur en humidit dquilibre du bois

10 C

21 C

50 C

75 C

Humidit relative (%)

Tene

ur e

n hu

mid

it d

u bo

is (%

)


Au-dessus du PSF (TH > 30 %), lvaporation deau libre se trouvant lintrieur des cellules ne produit donc pas de changements dimensionnels du bois (fi gure 17). Par contre, sous le PSF (TH < 30 %), lva-poration de leau contenue dans les parois cellulaires engendre en effet un retrait du matriau proportionnel la perte dhumidit.

Le retrait longitudinal est pratiquement ngligeable alors que le retrait perpendiculaire (radial et tangentiel) est beaucoup plus important (fi gure 18).

Schage du bois

La meilleure faon de minimiser leffet du retrait aprs linstallation est dutiliser des matriaux ayant une te-neur en humidit la plus prs possible de celle prvue en service. Les lments en bois peuvent tre schs naturellement ou au schoir. En Amrique du Nord, la teneur en humidit des lments bois en service se situe habituellement entre 8 et 12 % et varie selon les saisons et les conditions dutilisation (tableau 1).

FIGURE 17 Infl uence de la teneur en humidit sur les changements dimensionnels du bois

Note: Le bois utilis dans ces rgions se stabilise ventuellement prs de la THE moyenne.

Les concepteurs devraient cependant sattendre un certain retrait ou gonfl ement jusqu ce que la THE ait t atteinte.

Source : CCB, 2005.

TABLEAU 1 Teneur en humidit dquilibre (THE) des lments en bois

FIGURE 18 Phnomne de retrait et de gonfl ement selon le sens du bois

Rgion du CanadaCondition

dutilisationTHE moyenne

Cte Ouestintrieur 10-11 %

extrieur 15-16 %

Prairiesintrieur 6-7 %

extrieur 11-12 %

Canada centralintrieur 7-8 %

extrieur 13-14 %

Cte Estintrieur 8-9 %

extrieur 14-15 %

Cellulesdu bois

Eau libreMembrane

sature

Retrait d auschage

Membranesche

Sous le PSFTH < 30 %

Au point de saturationdes fi bres (PSF)TH ~ 30 %

Au-dessus du PSFTH > 30 %

Longitudinal

Radial

Transversal


La partie 9 du Code national du btiment exige que la teneur en humidit des lments dossature en bois nexcde pas 19 % au moment de leur mise en u-vre. Les gros bois duvre sont cependant rarement secs au cours de la pose, en raison de la diffi cult de scher rapidement de grosses sections de bois. Inversement, les bois dingnierie sont habituellement schs des teneurs en humidit autour de 12 % afi n dassurer un collage adquat des diffrents l-ments et minimiser le retrait (tableau 2). Lutilisation des produits de bois dingnierie rduit donc consi-drablement le retrait total puisque leur procd de fabrication leur donne une teneur en humidit prs de celle dutilisation. Ces produits peuvent cependant subir un lger effet de retrait et de gonfl ement selon les changements dhumidit saisonniers et les condi-tions dentreposage et de montage.

Le bois de sciage et les bois dingnierie nayant habituellement pas la mme teneur en humidit au moment de linstallation, il est prfrable ne pas les mlanger dans un mme systme constructif pour lequel un retrait diffrentiel ne serait pas souhaitable (fi gure 19).

3.6 DurabilitLe bois peut tre sensible aux problmes de dtrio-ration et de pourriture lorsquil est en contact direct avec leau ou quil se trouve dans des conditions dhumidit relative trs leves pour une priode pro-longe. La pourriture est cause par la prsence de champignons qui dtruisent le bois.

Quatre conditions sont essentielles pour que la pour-riture survienne, soit : la prsence doxygne,

une temprature favorable (entre 20 et 30 C ou moins, selon lhumidit relative),

une teneur en humidit du bois au-del de 20 % sur une priode prolonge,

laliment : le bois.

Les deux premires conditions ne peuvent tre ex-clues des btiments. Il est par contre possible dagir sur la teneur en humidit en concevant des dtails de construction qui limitent le contact direct des l-ments de bois avec leau ou une source dhumidit. Lorsquil est impossible dliminer compltement le contact direct du bois avec leau, il est important de prvoir des assemblages qui faciliteront lcoule-ment de leau et le schage rapide du bois. Plusieurs exemples sont prsents dans le Guide de bonnes pratiques pour la construction commerciale en gros bois duvre ou dingnierie de cecobois.

TABLEAU 2 Teneur en humidit des produits en bois au moment de linstallation

ProduitTeneur en humidit du bois estime

linstallation

Bois de charpente sec 13 % 19 %

Bois dingnierie (poutrelles en I, SCL) 4 % 12 %

Bois lamell-coll 7 % 15 %

Panneaux (OSB, contreplaqu) 4 % 8 %

1/2 7/

16

1/81/163 9/16(91 mm) (1,7 mm) (3,4 mm)

(5,5

mm

)

(291

mm

)

(11

mm

)

3 1/8

11 1/

4

11 1/

16

(1,2

mm

)

TH linstallation = 19 %TH en service = 10 %

Retrait diffrentiel = 6,4 mm ( po)

TH linstallation = 12 %TH en service = 10 %

Retrait diffrentiel = 2,6 mm (1/16 po)

Bois de sciage Bois lamell-coll

FIGURE 19 Retrait des lments en bois d au schage

Vert28 %

l'installation (sch)19 %

l'installation12 %

En service10 %

En service10 %


Les assemblages jouent un rle essentiel dans le comportement des charpentes en bois. Lexprience lors dimportants sismes ou de forts ouragans a d-montr leur importance. Dune part, les assemblages peuvent tre la cause de ruptures structurales, en rai-son dune conception inadquate ou dune erreur de fabrication. Dautre part, la ductilit des assemblages assurent le bon comportement des structures en bois soumises de fortes charges sismiques.

La performance dun assemblage est tout dabord caractrise par sa rsistance mcanique, sa rigidit et sa ductilit qui assurent un comportement adquat sous les charges statiques ou dynamiques. De plus, la stabilit dimensionnelle et la rsistance la dgra-dation des assemblages garantissent la prennit des constructions en bois. Le comportement au feu est aussi un attribut important qui infl uence la stabilit de louvrage en cas dincendie. Dautres critres de conception comme la facilit de mise en uvre, la simplicit, lesthtisme et le cot peuvent galement guider le choix dun assemblage.

4.1 Rsistance mcaniqueOn exige dun assemblage idal quil transmette les efforts de faon satisfaisante, sans dformation exces-sive, tout en conservant assez de souplesse pour

que la dformation maximale en service soit atteinte avant la rupture fragile de llment en bois (Herzog, Thomas et al., 2005). Dans le calcul de structures en bois, la dimension des membrures tant souvent lie la gomtrie des assemblages, il convient de porter une attention particulire cette tape de la concep-tion. La norme canadienne de calcul des charpentes en bois nonce les rgles de calcul assurant une rsistance minimale de lassemblage et dtermine les rgles de disposition des attaches (CSA O86, 2009). Une bonne conception dun assemblage adapt chaque situation doit aussi considrer un ensemble de facteurs varis.

Le choix dun assemblage est fait en fonction du type et de lintensit du chargement auquel il sera soumis. Selon le cas, un assemblage doit tre en mesure de transmettre des efforts de compression, de traction, de cisaillement et/ou de fl exion. La fi gure 20 prsente diffrentes confi gurations dassemblages adaptes au type deffort et la gomtrie envisage. Quoique ces diffrentes options soient possibles, il est recommand pour les structures en bois de favoriser les assemblages en compression pour obtenir un comportement ductile. Lusage des assemblages en fl exion est viter autant que possible, car ils gnrent frquemment des contraintes en traction perpendiculaire au fi l du bois qui risquent de causer de la fi ssuration.

4 Proprits de lassemblage

FIGURE 20 Confi guration des assemblages selon le type deffort (adapt de Natterer et al., 2004)

TYPEDEFFORT

GOMTRIECompression Traction Cisaillement Flextion


Rsistance et comportement

RsistanceAu Canada, la rsistance dun assemblage doit tre calcule selon la section 10 de la rgle de calcul des charpentes en bois (CSA O86-09). Les facteurs de modifi cation infl uenant les proprits mcaniques du bois, K D (CSA O86, art. 4.3.2), K SF (CSA O86, ta-bleau 10.2.1.5 pour les attaches) et K T (CSA O86, art. 5.4.3), doivent tre intgrs au calcul de la rsistance dun assemblage. Pour les sollicitations latrales ou le soulvement, la rsistance de lassemblage une inversion des efforts doit aussi tre considre.

Lorsque lassemblage requiert un perage ou un dcoupage de la membrure en bois, celle-ci est affai-blie par rapport sa section pleine, il faudra donc faire la vrifi cation en deux parties : la rsistance de lassemblage et celle des membrures de bois selon leur section nette. Dans les cas o un assemblage induit un effort tranchant dans une membrure, il fau-dra vrifi er la rsistance au cisaillement de la pice avec une profondeur d e plutt que d ; la profondeur d e reprsente la section de la membrure charge en cisaillement (CSA O86-09, art. 10.2.1.4).

Une bonne comprhension du mode de transmission des forces impliques permet dviter que des lieux de concentration de contraintes crent des efforts en trac-tion perpendiculaire au fi l qui pourraient ventuellement occasionner une rupture fragile par fendage du bois.

Enfi n, la rsistance des plaques dacier, des soudures ou de toute attache mtallique sollicite en traction ou en cisaillement doit tre vrifi e avec les Rgles de calcul des charpentes en acier (CSA S16, 2009).

Rigidit et mode de rupture

La dformation des assemblages infl uence direc-tement le comportement global dune structure. La fi gure 21 prsente les courbes charge dformation dtermine exprimentalement pour plusieurs types dassemblages. Ces donnes indiquent que le jeu initial et la rigidit globale dun assemblage dpen-dent du choix des connecteurs. Plusieurs clous de petits diamtres permettent une meilleure distribution de leffort dans le bois et offrent donc plus de rigidit quun assemblage utilisant des boulons de larges diamtres.

Une bonne conception permet de contrler le mode de rupture le plus probable. Dans bien des cas et pour des raisons de scurit, on cherchera vi-ter une rupture fragile qui se produit subitement. Au contraire, un comportement ductile est gnralement considr comme un atout, dune part parce quil donne un avertissement avant la rupture et, dautre part, en raison de sa capacit diffuser lnergie en cas de sismes. Ce dernier point sera mieux dve-lopp dans la section sur laspect sismique.

Les connecteurs mcaniques qui sont utiliss de nos jours peuvent tre diviss en deux catgories : les connecteurs de type tige (boulons, tire-fonds, clous, vis, goujons, etc.) et les connecteurs de surface (an-neaux fendus, disques de cisaillement, connecteurs mtalliques). Ces deux catgories de connecteurs se distinguent par leur faon de transfrer leffort, soit sur lpaisseur de llment pour les premiers, soit par distribution sur la surface de contact pour les se-conds. Diffrents essais exprimentaux ont permis de dmontrer que les assemblages par clous, par vis ou par boulons de petite dimension offraient une bonne ductilit alors que les tiges de plus grande dimension taient trs rsistantes mais peu ductiles lorsquelles mnent une rupture fragile du bois. Les connecteurs

FIGURE 21 Courbe charge dformation pour diffrents types dassemblages (adapt de Natterer et al., 2004)

Charge

Dformation

Coll

Plusieurspetits clous ou vis

Anneaux fendus

Jeu initial

Gros boulons


de surface sont aussi trs performants, mais ils sont gnralement lorigine de ruptures fragiles par ci-saillement du bois. Certaines combinaisons ou cer-tains compromis permettent cependant de contrler le comportement de lassemblage, tout en prservant de bonnes capacits de chargement.

Effet de groupe Un assemblage fait de connecteurs placs en fi les ou en groupe est normalement moins rsistant que la somme des rsistances de chaque connecteur en raison dune distribution ingale des efforts entre les connecteurs. Cest ce quon appelle leffet de groupe. Le rapport de rigidit entre lacier et le bois, le nombre de connecteurs par fi le, le nombre de fi les, les espa-cements, le diamtre et llancement des connecteurs sont tous des facteurs dterminants dans lestimation de leffet de groupe. Si aucune rupture fragile ne se produit, leffet de groupe diminue lorsque la plastifi cation des attaches les plus sollicites dbute, amenant une meilleure distribution de leffort entre les connecteurs. Les assemblages plus ductiles, faits de tiges dacier de petits diamtres, sont dailleurs moins sensibles cet effet.

Plusieurs rgles de calcul des charpentes en bois compensent cet effet par une limitation du nombre de connecteurs utilisables par fi le ou par une diminution du nombre de connecteurs effectifs au moment du calcul. Il est noter que les quations de calcul de leffet de groupe qui taient incluses dans les coef-fi cients J G et J R de lancienne norme CSA O86-01 pour les boulons sont remplaces dans la norme CSA O86-09 par un calcul plus dtaill qui tient compte des possibilits de ruptures fragiles responsables de la baisse de rsistance dun groupe dattaches.

Vrifi cation des lments en acier

Les valeurs de rsistance dun assemblage, calcules selon la norme CSA O86, ne considrent que les pos-sibilits de rupture dans le bois. Elles prsument que les lments en acier seront suffi samment rsistants pour transmettre effi cacement les efforts sans dfaillir. Le concepteur doit donc sen assurer en vrifi ant les lments mtalliques laide de la norme CSA S16 Rgles de calcul des charpentes en acier. Le calcul de la rsistance des boulons, des plaques de trans-fert, des plaques dappui, des triers et des soudures doit faire partie de ces vrifi cations (fi gure 22).

Les boulons peuvent tre sollicits en traction axiale, en cisaillement ou selon une combinaison de ces deux types defforts. Dans ce dernier cas, une qua-tion dinteraction est utilise pour le calcul.

Les plaques de transfert en acier sont soumises plu-sieurs types defforts : compression, traction, cisaille-ment ou fl exion. Les plaques qui doivent rsister de la compression dans leur plan peuvent ncessiter des raidisseurs pour viter les problmes de voilement. Pour les efforts de traction, la rsistance ultime de la section brute et la plastifi cation de la section nette sont vrifi er. La rsistance lenfoncement des boulons dans la plaque ainsi que les espacements et les distances de rive et dextrmit devront aussi tre respects.

Les plaques dassise transmettent une charge jusquau sol ou jusqu un lment porteur et re-prennent en gnral des efforts de compression ou de fl exion. Il existe aussi une grande varit dtriers mtalliques qui transmettent les efforts dune poutre, solive ou panne un lment principal. Chaque plaque les composant doit tre dimensionne selon son effort respectif. Lexcentricit des forces dans las-semblage peut causer des efforts supplmentaires dans les plaques. Une excentricit en traction peut crer un effet de levier qui accentue leffort dans les connecteurs.

Plusieurs assemblages requirent la prsence de soudures pour joindre deux plaques places angle ou mises bout bout. La rsistance de la soudure ainsi que celle du mtal de base doivent tre vrifi es.

Gomtrie de lassemblage

La disposition des connecteurs formant un assem-blage doit rpondre certaines rgles permettant dassurer une bonne distribution des efforts et dviter une rupture fragile cause par de la traction perpendi-culaire au fi l du bois. La rsistance dun assemblage, calcule selon les quations de calculs du CSA O86-09, est tributaire du respect des distances de rive et des espacements minimaux dans chaque direction. Ces distances minimales sont indiques dans la norme pour chaque type de connecteur et dpendent la fois de lorientation du fi l et de la direction des forces (fi gure 23). Si la force est transmise selon un angle oblique par rapport au fi l du bois, il est possible de calculer ces distances sparment et dutiliser la plus grande valeur obtenue.


FIGURE 22 lments mtalliques utiliss pour les assemblages

(a) Boulons et tiges fi letesSource : A. Salenikovich

(c) Plaque dassise

(e) Soudures

(b) Plaque de transfert Source : A. Salenikovich

(d) triers

(f) Excentricit des efforts


a L : distance de lextrmit charge

a : distance de lextrmit non charge

e Q : distance de la rive charge

e P : distance de la rive non charge

S C : espacement des fi les

S R : espacement des connecteurs dans une fi le

FIGURE 23 Distances minimales

Pour le calcul dun assemblage, une fi le est dfi nie comme une srie dattaches qui se suivent dans le sens dapplication de la charge, indpendamment du fi l du bois (CSA O86-09, art.10.2.2.3.3). Si les attaches sont disposes en quinconce, il faut dterminer si elles forment des fi les distinctes ou si elles doivent tre considres comme faisant partie dune mme fi le (fi gure 24). Les attaches sont considres sur une mme fi le si la distance entre deux attaches est plus grande que quatre fois lespacement entre les fi les. Dans le cas dun nombre impair de fi les, le choix du nombre dattaches par fi le se fera selon lagencement ayant la plus faible rsistance pondre.

Dans le cas des connecteurs qui ne traversent pas toute la pice (clous, vis, rivets, tire-fonds), la profon-deur minimale de pntration doit aussi tre respecte.

Nombre pair de fi les multiples :Si S > 4a, deux fi les de six attaches

Si S < 4a, quatre fi les de trois attaches

a a

eP

eP

SC

SR

aL

eP eP

eP

eQ

SC

SR

a

eP eP

eQ

eP

SC

SR

S > 4a

S < 4a

a

a

a

a

a

a

aL aL

ePSC

SR

eP


Performance sismique

Grce la ductilit de leurs assemblages, les struc-tures en bois performent assez bien au moment de secousses sismiques (Frenette, 1997). Leur lgret ainsi que leur faible frquence naturelle contribuent aussi leur bon comportement. Les forces horizontales qui agissent au cours dun tremblement de terre doivent idalement tre reprises par des systmes latraux semi-rigides, qui dissipent un maximum dnergie par une grande dformation plastique afi n de diminuer les risques deffondrement de la structure. Les murs de cisaillement et les cadres contrevents sont actuellement les options les plus rpandues. Lvaluation des dommages la suite de tremblements de terre a permis dobserver que les dfaillances des structures taient rarement dues la rupture des poutres et des poteaux, mais mettaient en cause les jonctions entre les lments structuraux. Le bon comportement sismique dune structure en bois dbute donc par une attention particulire apporte aux moyens dassemblage.

La ductilit caractrise un systme qui accepte de grandes dformations plastiques avant datteindre la rupture. Elle est calcule par le rapport entre

la dformation ultime sur celle mesure au moment de la plastifi cation. De plus, lenveloppe de la courbe dhystrsis (fi gure 26) permet dvaluer le compor-tement global dun assemblage sous charge cyclique, telle que les sismes. Dans un assemblage acier-bois, la ductilit est obtenue par la dformation plastique du goujon mtallique et par son enfoncement dans le bois (fi gure 25). Pour les cycles subsquents, la rigidit plastique du goujon mtallique permet que la courbe ne soit pas trop aplatie et continue dissiper de lnergie.

Lutilisation de clous ou de goujons de faible diamtre permet de bien rpartir les efforts dans le bois et favo-rise une grande ductilit de lassemblage. Un autre type dassemblage, par exemple coll, qui engendrerait un mode de rupture fragile du bois est plutt viter puisque peu dnergie est absorbe avant la rupture. De plus, il est important que le comportement global de la structure permette aux assemblages datteindre leur comportement ductile avant quun lment en bois ne subisse une rupture fragile, que ce soit par fendage, en traction ou par cisaillement.

Nombre impair de fi les multiples :Si S > 4a, on choisit lagencement ayant la plus faible rsistance pondre :une fi le de six attaches et une fi le de trois attaches

outrois fi les de trois attaches

Si S < 4a, trois fi les de trois attaches

FIGURE 24 Dfi nition du nombre de fi les

S > 4a

S > 4a

S < 4a

a

a

a

a

a

a


4.2 Effets de lhumiditComme la dcrit la section 3.5, lhygroscopicit peut causer des variations dimensionnelles dun lment en bois en fonction de sa teneur en humidit. Au contraire, les connecteurs et autres pices mtal-liques sont relativement insensibles aux variations dhumidit, mais pourraient varier selon le change-ment de temprature.

Une bonne conception devrait respecter certains prin-cipes pour prvenir les contraintes parasites dues au retrait du bois. Premirement, il est prfrable de scher pralablement les pices de bois une teneur en humidit la plus prs possible de celle en service. De plus, les assemblages ne doivent pas entraver le retrait qui pourrait causer le fendage de llment en bois. Ceci est particulirement important pour les assemblages en gros bois duvre ou dingnierie de grandes dimensions en raison de la grande surface de connexion.

Perte de rigidit dueau jeu dassemblage

Dplacement

ChargeCharge initiale

FIGURE 26 Courbe dhystrsis dun assemblage (adapte de Herzog, Thomas et al., 2005)

1. 4.

2. 5.

3. 6.

FIGURE 25 Courbe dhystrsis reprsentant le comportement ductile dun assemblage acier-bois (adapte de Frenette, 1997)

Boulon

Plaqueinterne Charge

Char

geCh

arge

Char

geCh

arge

Char

geCh

arge

Char

ge

Dplacement

Dplacement

DplacementDplacement

Dplacement

Dplacement

Dplacement

Au premier chargement, la rsistance provient de la dformation du boulon et de lcrasement du bois.

Lorsque la charge est inverse, elle est reprise principalement par la dformation du boulon car le bois est dj cras.

De retour au centre, le boulon adhre de nouveau au bois non endommag et la rsistance augmente.

Lorsque le boulon revient dans la zone endommage, la rsistance est plus faible.

Au deuxime cycle, la rsistance reprend la courbe initiale quand le boulon retrouve le bois non-endommag.

Ainsi, la courbe dhystrisis montre le comportement ductile dun assemblage acier-bois soumis un chargement cyclique.


Pour soutenir une poutre, par exemple, il est habituel-lement plus appropri dutiliser un trier qui reprend les efforts en compression plutt que des cornires latrales et une fi le de boulons qui risquent dentra-ver le mouvement du bois perpendiculairement au fi l (fi gure 27).

4.3 Rsistance la dgradationLes lments en bois et les pices mtalliques for-mant les assemblages peuvent subirent de la dgra-dation cause par la prsence deau. La faon la plus facile et la plus effi cace de lutter contre la dgradation consiste limiter, sinon viter compltement, la pr-sence de leau sur lassemblage.

Si lassemblage se trouve en milieu extrieur, il doit donc tre bien protg contre la pluie. Il est important aussi de permettre un bon drainage du systme et dviter les dtails qui favorisent laccumulation de leau. La base des poteaux, les triers ferms et tous les points de jonction susceptibles de recevoir de leau devront tre vrifi s en consquence. Finale-ment, une bonne circulation de lair est essentielle afi n de permettre le schage rapide du bois en cas dhumidifi cation. Des cales despacement aux appuis ou des plaques de transfert insres plutt quext-rieures sont des exemples de solutions visant permettre une bonne ventilation (fi gure 28). Plusieurs

exemples permettant dassurer une bonne rsistance la dgradation sont prsents dans le Guide de bonnes pratiques pour la construction commerciale en gros bois duvre ou dingnierie de cecobois.

Pour viter la corrosion des pices mtalliques dun assemblage soumis des conditions humides, il est recommand dutiliser des attaches, plaques et quin-cailleries rsistantes la rouille ou de leur ajouter des placages ou des couches de fi nition protectrices. Plu-sieurs solutions peuvent tre envisages. Les clous, par exemple, peuvent tre fabriqus en aluminium, en acier inoxydable ou plaqus dun mtal offrant une couche de protection. La galvanisation des plaques et attaches est gnralement le moyen le plus conomique et rpandu de protger lacier contre la rouille. Lacier est alors recouvert dune couche de zinc qui, en soxy-dant, forme une couche rsistante. On pourra ajuster lpaisseur de cette couche en fonction des conditions climatiques auxquelles lassemblage sera soumis.

Les environnements corrosifs peuvent galement tre dommageables aux connecteurs en acier usuel. Il est important dutiliser de lacier inoxydable ou dautres mtaux appropris ces milieux. Dans certains cas, lutilisation de bois trait chimiquement peut crer un environnement ncessitant lutilisation de tels connecteurs (Mohammad et Salenikovich, 2010).

FIGURE 27 Dtail dassemblage permettant de limiter limpact dun ventuel retrait du bois

FIGURE 28 Prvoir un assemblage qui facilite lcoulement de leau et le schage du bois


4.4 Rsistance au feuBien que le bois soit un matriau combustible, on attribue gnralement lapparition et les caractris-tiques de propagation dun incendie au contenu du btiment plutt quaux matriaux de structure. Le comportement des lments structuraux la chaleur intensive doit cependant tre vrifi afi n de prser-ver la stabilit du btiment au moment dun incendie. La partie 3 du Code national du btiment du Canada (CNBC) indique le degr de performance demand la structure dun btiment en cas dincendie.

Les avantages que procure la construction en gros bois quant la rsistance au feu des lments por-teurs sont reconnus dans le CNBC. En effet, si le bti-ment est protg par des gicleurs automatiques et si les dimensions minimales des lments porteurs sont respectes, le CNBC considre quil est peu probable quun incendie gagne assez dampleur pour menacer lintgrit structurale des lments en gros bois, quils soient en bois duvre ou en bois ding-nierie, et autorise donc ce type de construction dans plusieurs cas o une construction incombustible est exige (CNBC, article 3.2.2.16).

Le degr de rsistance au feu (DRF) en minutes dune charpente en gros bois duvre ou en bois lamell-coll est obtenu par ltablissement de dimensions minimales pour les membrures. Comme dcrit la section 3.4, lorsquune pice de bois est soumise un feu, sa surface se carbonise et forme une couche qui protge lintrieur de la pice et ralentit la pro-gression de la combustion. Les qualits structurales de la partie intacte du bois sont ainsi prserves et la section transversale rduite continue de supporter les charges. On attribue par consquent un DRF de base de 45 minutes une charpente en gros bois duvre si ses membrures excdent les dimensions minimales exiges au tableau 3.1.4.6 du CNBC. Le CNBC ne traite pas clairement de la rsistance au feu des attaches dune construction en gros bois duvre. Il est implicitement prsum que les attaches couramment utilises dans ce type de construction sont juges accep-tables l o un DRF maximale de 45 minutes est exig.

Au-del de ces exigences, le concepteur doit cepen-dant sassurer que les assemblages rsisteront aussi la chaleur produite en cas dincendie. Bien que le matriau bois conserve sa capacit structurale en cas dincendie, les proprits mcaniques des pices mtalliques composant les assemblages peuvent tre considrablement rduites sous leffet des hautes tempratures gnres durant un incendie. De plus, lacier tant un excellent conducteur thermique, il aura

tendance transmettre la chaleur trs rapidement au bois qui lentoure et lendommager par lintrieur. Pour obtenir un DRF adquat, une attention particu-lire doit donc tre accorde aux lieux de jonctions de la structure.

Assemblages non protgs

On considre comme un assemblage non protg une jonction comprenant des pices mtalliques ap-parentes. Lutilisation de plaques mtalliques externes ou dune plaque mtallique interne avec les ttes de boulons exposes sont des exemples dassem-blages non protgs. On attribue aux assemblages non protgs conus selon lEurocode 5 : partie 1-2, similairement la norme CSA O86, une rsistance au feu de base de 15 minutes. Les mthodes de calcul suggres dans lEurocode 5 permettront toutefois daugmenter cette rsistance au feu par lajout dat-taches supplmentaires ou laccroissement des dis-tances dextrmit ou de rive et laugmentation des dimensions des membrures.

Assemblages boulonns non protgsUne nouvelle mthode de conception a t dve-loppe rcemment pour les assemblages boulonns non protgs (Peng et al., 2010). Cette mthode est valide pour les assemblages en cisaillement double comportant trois lments en bois ou une plaque mtallique insre.

Lpaisseur des lments latraux en bois, le diamtre des boulons et le taux de sollicitation de lassembla-ge sont incorpors dans cette nouvelle mthode tel quindiqu lquation 1. Cette dernire permet aux concepteurs dvaluer la rsistance au feu (t feu ) de leurs assemblages en faisant varier trois paramtres.

(1)

o

t feu est la rsistance au feu de lassemblage (minutes)

t1 est lpaisseur des lments latraux en bois (mm)

est la vitesse ajuste de carbonisation du bois (mm/min)

= 0,70 mm / min pour un assemblage 3 lments de bois (pour t 60 min)

= 0,65 mm / min pour un assemblage 3 lments de bois (pour t > 60 min)

= 0,80 mm / min pour un assemblage plaque mtallique insre (pour t 60 min)


= 0,70 mm / min pour un assemblage plaque mtallique insre (pour t > 60 min)

est le taux de sollicitation de lassemblage

= Rfeu / 3,3 Rd

Rfeu est le cisaillement appliqu lassemblage en situation dincendie (kN)

Rd est la rsistance de lassemblage en conditions ambiantes selon CSA O86 (kN)

d est le diamtre des boulons (mm)

Assemblages protgs

Les lments mtalliques exposs la chaleur perdent leur rsistance et risquent dendommager le bois en lui transmettant la chaleur. Il est donc avantageux disoler les pices mtalliques afi n de prolonger la rsistance au feu de lassemblage. On parlera alors dun assemblage protg.

Des matriaux isolants comme le bois ou le gypse peuvent tre utiliss comme plaque de recouvrement sur lensemble de lassemblage ou encore comme bouchon individuel sur chaque connecteur afi n que les lments de lassemblage non protg ne soient exposs la chaleur, retardant ainsi le dbut de la carbonisation des pices de bois et la rduction des rsistances des attaches mtalliques. Cette solution permet ainsi dobtenir un DRF suprieur celui obtenu pour les assemblages non protgs. Cette protection doit toutefois tre bien fi xe afi n quelle ne se dtache pas prmaturment de llment quelle doit protger.

Le temps additionnel (tch) que procura une couche protectrice en bois est obtenue par le quotient de lpaisseur de la couche protectrice et de sa vitesse de carbonisation unidimensionnelle ( o est gnrale-ment fi x 0,65 pour le bois rsineux). Ainsi, une planche de bois de 19 mm ( ) retardera de 30 minutes la combustion des lments porteurs en bois. Lorsque des bouchons de bois sont utiliss pour protger les ttes des boulons, lpaisseur minimale du bouchon (af ) est obtenue partir de lquation 2.

(2)o : t feu, req = rsistance au feu requise, en minutes (15 60 minutes)

n = taux de carbonisation (habituellement 0,70 mm / minute, selon le type de bois utilis)

Une couche protectrice en gypse de Type X peut ga-lement retarder la combustion des lments porteurs en bois (t ch) laide de lquation 3. Cette mthode est valide uniquement si les joints sont moins de 2 mm et quils sont entirement remplis. Lpaisseur quivalente de 2 couches protectrices en gypse Type X peut tre considre comme gale lpaisseur de la couche expose additionne de la moiti de la 2e couche (hgypse = hexpos + 0,5 hintrieur). Ainsi, un panneau de gypse Type X de 15,9 mm dpaisseur retardera de 30 minutes la combustion des lments porteurs en bois.

(3)

La somme des temps allous aux divers lments, couches protectrices et assemblage non protg, donnera la rsistance au feu de lassemblage protg.

bst

Rives non protges

en gnral sur un ou deux cts

DRF 30 min 200 mm 120 mm

DRF 60 min 280 mm 280 mm

TABLEAU 3 Largeur bst minimale en fonction de la rsistance au feu (EN 1995-1-2:2004)

bst

A-A

A-A

bstbst

bst


Plaques insresLes assemblages utilisant des plaques insres pr-sentent le meilleur comportement au feu puisque celles-ci sont isoles par le bois qui les entoure. Ils permettent dobtenir un DRF au-del de 30 minutes si les dimensions de la plaque sont suffi santes. Si les rives ne sont pas protges, la largeur de la plaque dacier doit tre dau moins bst (tableau 3).

Lorsque les plaques sont protges sur leurs rives, il ny a pas de largeur bst minimale respecter (tableau 4).

Plaques externesBien que les plaques mtalliques externes soient incombustibles, cela ne signifi e pas pour autant quelles sont rsistantes au feu. Cependant, il est possible datteindre un DRF lev laide de plaques mtalliques externes la condition que lon puisse dmontrer que leffet des tempratures leves nem-pche pas lassemblage de rpondre ses fonctions prvues. La norme CSA S16-09 ainsi que lEurocode 3 : partie 1-2 procure des lignes directrices pour dterminer la rsistance des pices mtalliques en fonction de la temprature.

Si elles sont recouvertes dun panneau de bois ou de gypse Type X, ces plaques pourront tre considres comme protges la condition que lpaisseur du recouvrement dpasse les valeurs minimales dfi nies prcdemment.

paisseur plaque mtallique DRF

a) Plaque dissimule dans intersticedg 20 mmdg 60 mm

30 min

60 min

b) Bande colledg 10 mmdg 30 mm

30 min

60 min

c) Panneaux de protection en boishp 10 mmhp 30 mm

30 min

60 min

TABLEAU 4 Largeurs minimales pour protger les plaques mtalliques

FIGURE 29 Exigences dimensionnelles relatives la protection des plaques dacier (EN 1995-1-2: 2004)

Exemple de calcul de rsistance au feu pour les assemblages

Assemblage en traction : bois lamell-coll pinette-pin 14t-E de 80 mm x 175 mm

9 boulons dun diamtre de 12,7 mm (1/2 po)

rsistance souhaite de lassemblage en situation dincendie Tf = 45,5 kN

rsistance de lassemblage temprature ambiante Tr = 68,8 kN

190

65

45

45

60

60

Tf/2

Tf

80 x 190

130 x 190

Tf/2

dg dghp

hpdg dg


Mthode 1 Taux de sollicitation ( ) = 45,5 / 68,8 = 0,66

paisseur des lments latraux (t1) = 80 mm

Diamtre des boulons (d) = 12,7 mm

Selon les paramtres de cet exemple, il faudra prvoir protger lassemblage pour une dure de 30 minutes afi n dobtenir un DRF de 45 minutes.

Mthode 2Protger lassemblage

Il faut protger les ttes de boulons par une plaque ou des bouchons de bois dau moins 31,5 mm afi n dobtenir une rsistance au feu de 45 minutes.

Mthode 3Utiliser une plaque mtallique interne

Cette solution permet dobtenir une rsistance au feu de 60 minutes tout en conservant les dimensions initiales des lments en bois, si la plaque interne est protge aux rives par une paisseur dau moins 30 mm de bois. Lutilisation de plaques mtalliques internes savre la solution la plus conomique, tout en procurant les meilleures rsistances au feu et temprature ambiante.

OU

af af

19040

402530

30

30


4.5 Principes de conceptionDevant la grande diversit des moyens dassemblage, il peut parfois tre diffi cile de slectionner celui qui sera le mieux adapt au type de chargement que lon dsire transmettre, son intensit ainsi qu les-pace disponible. Le concepteur qui veut optimiser un assemblage et lui assurer un bon comportement doit connatre les caractristiques gnrales de chaque type dassemblage et matriser quelques principes de conception lui permettant la fois de gagner du temps et dviter les effets nfastes dune disposition inapproprie.

talement des connecteurs

La premire faon doptimiser un assemblage est de bien utiliser la surface disponible sur la pice princi-pale. La superfi cie ncessaire pour transmettre une charge donne est souvent proportionnelle au dia-mtre de lattache utilise. Plus on utilise de gros connecteurs, plus la surface requise sera grande (fi gure 30). De plus, la mise en place dun grand nombre dattaches plus petites augmente gnralement

la rigidit globale de lassemblage. Ces principes peuvent toutefois varier selon la gomtrie des mem-brures et de lassemblage. Les cots, limpact visuel et les consquences de linstallation dun plus grand nombre dattaches sont aussi considrer.

Excentricits

Le processus de conception est bas sur une com-prhension schmatise du mode de transmission des charges dans un assemblage. Pour que le chargement puisse se transmettre selon le comportement anticip, il faut sassurer que la disposition de lassemblage nengendre pas dexcentricits qui causeraient des contraintes parasites. Lexcentricit dans un assem-blage provoque habituellement des efforts de fl exion qui sajoutent aux charges de dimensionnement.

Cette excentricit peut provenir dune disposition dcale des membrures ou dune rpartition asym-trique des attaches sur la surface dun assemblage. De plus, il est important de faire concider les axes des membrures un seul point dintersection et de positionner les attaches galement de part et dautre de ce point (fi gure 31).

FIGURE 30 Longueurs dassemblages pour une charge quivalente

Pr[kN]

122 clous 3 po

104 kN

15 boulons 1/2 po

101 kN

14 boulons 3/4 po

100 kN

5 disques de cisaillement

4 po109 kN

Disques Petits boulonsGros boulons Clous

425

540

1280

1400


Rsistance perpendiculaire au fi l

Comme il a t mentionn la section 3.2, le concepteur doit veiller ce que les dtails dassemblage favo-risent la compression plutt que la traction perpen-diculaire au fi l du bois qui peut causer une rupture fragile par fendage. Les appuis en porte--faux, les efforts excentrs ou les charges suspendues sous une poutre causent de la traction perpendiculaire au fi l et sont viter. Les imprcisions dans les joints, particulirement dans la construction en bois, peuvent aussi tre la cause deffets nuisibles et imprvus (fi gure 32).

Combinaison des moyens dassemblage

Dans lobjectif de raliser des assemblages au com-portement prvisible et stable, il est prfrable dviter de combiner dans un mme joint diffrents moyens dassemblage. La diffrence de rigidit provoquerait une rpartition ingale de la charge en raison de la compatibilit des dformations. Les attaches les plus rigides seraient sollicites plus rapidement et pourraient se trouver prs de ltat de rupture alors que les attaches les plus souples ne supporteraient quune fraction de leffort. La rsistance totale ne peut donc pas tre value comme laddition des rsistances respectives.

FIGURE 31 Situations viter : diffrentes causes dexcentricits dans un assemblage (adapt de Natterer et al., 2004)

FIGURE 32 Situations viter : appui en porte--faux, charge sous la poutre ou imprcision dans un joint (adapt de Madsen 2000)

Des axes non concourants crent de la fl exion dans la membrure.

Des axes dans des plans diffrents crent de la torsion dans la membrure

Des connecteurs asymtriques crent de la fl exion dans la diagonale

Bras de levier


Facilit de mise en place

La conception dun assemblage doit tenir compte des conditions de mise en uvre. Les assemblages ayant un maximum de composantes prfabriques, simples mettre en place sur le chantier, permettent deffectuer un montage rapide. Par exemple, toutes les oprations de soudure ne devraient pas tre effec-tues sur le chantier mais en usine, l o les condi-tions sont mieux contrles. La prfabrication permet aussi de mieux contrler la qualit de lassemblage. Il faut toutefois prvoir une certaine capacit dajus-tement des assemblages pour permettre de rgler la structure aux alas du chantier et de tenir compte du possible retrait ou gonfl ement du bois.

Simplicit

Un assemblage simple et rapidement comprhensible est profi table plusieurs points de vue. Il permet de sassurer que le transfert des charges est valu ad-quatement au moment de sa conception et facilite une ventuelle valuation de la structure durant la dure de vie du btiment. De plus, la simplicit de mise en place rduit le temps de main-duvre et les complications sur le terrain, lusine ainsi que sur la planche dessin.

Esthtisme

Lune des grandes qualits dune structure en bois est sa beaut naturelle. Il est avantageux de prser-ver cet atout par un souci esthtique au moment de la conception dun assemblage. Plusieurs projets de-mandent des moyens de connexion invisible qui int-grent les pices dacier lintrieur de la membrure de bois. Dans dautres cas, les pices mtalliques ou les attaches peuvent suivre une confi guration raffi ne pour rpondre aux demandes architecturales.

Cots

On estime le cot des assemblages environ de 20 30 % celui dune structure en bois lamell-coll. Le choix dassemblages simples qui sollicitent le bois en compression permet gnralement doptimiser les cots de la structure. De plus, la rptition de confi -gurations dassemblages standards et la prfabrication des lments en usine peuvent permettre une cono-mie et limiter la manipulation en chantier. La concep-tion dassemblages performants peut aussi diminuer le cot global de la structure en permettant de rduire la dimension des membrures principales.

5 Assemblages mcaniques

Les systmes dassemblage qui font appel des attaches mtalliques afi n de transmettre les charges sont inclus dans cette section. Les plus rpandus au Canada, soit les boulons, goujons, tire-fonds, vis, rivets, clous, pointes et goujons forcs, sont prsents en dtails, incluant leurs mthodes de calcul. Des exemples sont proposs afi n de faciliter la compr-hension de la norme CSA O86 et les tapes de calcul. Les systmes qui ne sont pas encore inclus dans la norme canadienne mais qui prsentent un intrt ont t rassembls dans la section 5.6 Nouveaux connecteurs.

5.1 Boulons et goujonsGnralits

Les boulons et les goujons sont des tiges dacier qui servent assembler plusieurs lments en les traver-sant sur toute leur largeur.

Les boulons sont fi xs laide dcrous et utilisent gnralement des rondelles. Lorsque utiliss dans les charpentes de bois, ils peuvent tre chargs en trac-tion selon laxe de la tige, latralement ou selon une combinaison de ces deux types de chargement. Un boulon soumis un effort latral se comportera comme une poutre totalement ou partiellement encastre ses extrmits (fi gure 33). La dformation de la tige en fl exion et lcrasement du bois procurent un com-portement ductile de lassemblage. Il faut cependant que le diamtre du boulon soit suffi samment petit et que les distances de rive et dextrmit soient respectes afi n dviter une rupture fragile du bois par fendage ou par cisaillement.

Les goujons, appels broches en France, sont des tiges sans ttes ni crous, qui reprennent les charges latrales selon un mcanisme semblable aux boulons. Ils ne rsistent cependant pas au chargement axial et ne peuvent pas profi ter du moment rsistant cr aux extrmits du boulon par les rondelles qui empchent la rotation de la tige. Les goujons tant assembls sans jeu entre la tige et le trou, ils prsentent une rigidit su-prieure celle des boulons et sont mieux adapts aux structures exigeant un minimum de dformation initiale (glissement). Dans certaines situations, la traction de la plaque interne et la dformation des goujons peuvent risquer de causer lcartement des lments en bois. Il est alors recommand dajouter un ou deux boulons lassemblage par goujons pour prvenir ce phnomne.


Les boulons et goujons de petit diamtre sont gn-ralement favoriser. Ils offrent un bon comportement aux sismes et aux chargements cycliques en rai-son de leur ductilit. De plus, les tiges lances et de faible diamtre, qui permettent une dformation combine du bois et de lacier, assurent une meilleure distribution de la charge et rduisent par le fait mme leffet de groupe.

Il est possible de raliser des assemblages boulon-ns ou avec des goujons qui sont trs intressants du point de vue esthtique, en utilisant des plaques de transfert internes ou dessines pour rpondre aux exigences architecturales.

Spcifi cits techniques

La norme CSA O86 requiert lutilisation de boulons ou de tiges fi letes conformes aux exigences de la norme ASTM A307. Les dimensions des boulons disponibles varient gnralement de 8 25 mm (5/16 1 po) en diamtre et de 75 405 mm (3 16 po) en longueur.

Certaines rgles de bonnes pratiques permettent de profi ter dun maximum de rsistance des attaches. Pour les boulons, lusage de rondelles ou de plaques de rpartition permet de distribuer la pression sur le bois et assure la cration dun moment dencastrement

aux extrmits de la tige. Un bon serrage des boulons doit maintenir les pices de bois en contact, sans trop comprimer les fi bres superfi cielles du bois. En raison du retrait du bois, un resserrage est habituellement nces-saire six douze mois aprs la pose ou lorsque le bois a atteint sa teneur en humidit dquilibre.

Les trous pour les boulons sont prvus de 1 2 mm plus grands que le diamtre du boulon afi n de per-mettre leur mise en place. Au contraire, les goujons sont entrs de force dans des trous ne dpassant pas le diamtre de la tige pour assurer un assem-blage sans jeu.

Lorsque des plaques mtalliques sont utilises, celles-ci devront tre dimensionnes pour rsister la charge pondre et respecter la norme CSA S16.

Les distances minimales prescrites doivent tre res-pectes pour sassurer que lassemblage ait le compor-tement prvu. Ces exigences touchent lespacement des connecteurs dans une fi le, lespacement entre les fi les, les distances dextrmits et les distances de rives. Les distances minimales sont dtermines en fonction du diamtre des connecteurs, dF, dans larticle 10.4.3 de la norme CSA O86-09 et varient selon lorientation du fi l du bois et laxe dapplication des charges (fi gure 34).

FIGURE 33 Goujon et boulon soumis un chargement latral (adapt de Madsen 2000)

Goujon Boulon


Calcul de la rsistance

La rsistance pondre de lassemblage doit tre suprieure ou gale la charge prvue pondre. La nouvelle norme de calcul CSA O86-09 permet de prvoir et de contrler le mode de rupture par une tude plus dtaille du comportement lultime. Le calcul de rsistance prvoit donc la vrifi cation du mode de rupture ductile, de trois modes de rupture fragile pour un chargement parallle au fi l du bois, soit le cisaillement par fi les, le dchirement de groupe et la rupture par traction nette, ainsi que dun mode de

rupture fragile pour un chargement perpendiculaire-ment au fi l du bois, soit le fendage (fi gure 35). De plus, une vrifi cation du cisaillement doit tre effec-tue si lassemblage cre un effort tranchant tout en rduisant la section effi cace de la poutre.

Cette nouvelle mthode de calcul permet de mieux va-luer les rsistances des diffrents modes de rupture. Elle offre donc la possibilit au concepteur de modifi er les diffrents paramtres de lassemblage pour contrler son comportement lultime et, ventuellement, dviter quun mode de rupture fragile soit prdominant.

FIGURE 34 Distances et espacements minimaux pour les boulons et les goujons (CSA O86-09, fi gure 10.4.3.1)

FIGURE 35 Modes de ruptures ductile et fragile ncessitant une vrifi cation (adapte de CSA O86-09, fi gure 10.4.4.1)

FendageRupture ductile

3 fi les de 2 boulons

Charge perpendiculaire au fi l

Charge applique sur le groupe de boulons

Cisaillement par fi le Dchirement de groupe Traction nette

dF : diamtre des boulons

aL : distance de lextrmit charge

a : distance de lextrmit non charge

eQ : distance de la rive charge

eP : distance de la rive non charge

SC : espacement des fi les

SR : espacement des boulons dans une fi le

eQ > 4dF

SR > 3dF

ep > 1,5dF

SC > 3dF

a > 4dF ou 50 mm

Charge applique sur la membrure

2 fi les de 3 boulons

Charge parallle au fi lep > 1,5dF

ou 0,5SC

SR > 4dF

SC > 3dF

aL > 5dF ou 50 mm a > 4dF ou 50 mm

ep


Rupture ductile La rupture ductile (CSA O86, art.10.4.4.3) survient lorsque lcrasement local du bois intervient seul ou se combine la plastifi cation de la tige dacier pour pro-voquer un dplacement excessif dans lassemblage (fi gure 36). On la qualifi e de ductile en raison de limpor-tante dformation plastique quelle permet datteindre avant la rupture. Comme la rsistance lenfoncement du bois varie selon lorientation de la charge par rapport au fi l, la vrifi cation de la rupture ductile doit tre faite la fois pour les chargements parallles, perpendiculaires ou un angle par rapport au fi l.

Llancement du boulon et la densit du bois jouent un grand rle dans la dtermination de la rsistance duc-tile dun assemblage. La norme CSA O86 fournit les quations qui permettent dvaluer leffort requis pour obtenir chacun des types de dformation possible (art. 10.4.4.3.2). Les quations (a), (b), (c) et (f) supposent que seule la rsistance lenfoncement du bois est sollicite, alors que les quations (d), (e) et (g) tiennent aussi compte de la cration d'une ou de plusieurs rotu-les plastiques dans la tige dacier (fi gure 37).

Les modes (a), (b), (d), (e), (f) et (g) doivent tre vrifi s pour un assemblage liant deux membrures en simple cisaillement, alors que les modes (a), (c), (d) et (g) sont possibles pour les assemblages liant trois membrures en cisaillement double. Le mode de dformation le plus probable dpend de la confi guration de lassemblage et est dtermin par lquation donnant la moins grande rsistance. La plus faible valeur obtenue peut donc tre considre comme la rsistance unitaire de lattache en rupture ductile par plan de cisaillement.

La rsistance lenfoncement des diffrents mat-riaux utilise dans lassemblage est indique dans la norme CSA O86, larticle 10.4.4.3.3.1 pour le bois et larticle 10.4.4.3.3.2 pour les autres matriaux (acier ou bton).

Les paisseurs t1 et t2 devront tre dtermines, conformment la fi gure 10.4.2.2 de la norme CSA O86 (fi gure 38).

Cisaillement par fi les

Le calcul de la rsistance au cisaillement par fi les (CSA O86, art.10.4.4.4) est ncessaire en cas de chargement en traction parallle au fi l. Si un effort angle est appliqu, seule la composante parallle au fi l sera utilise pour ce calcul. Le cisaillement par fi les implique que chaque fi le de boulons cde de faon indpendante en se dtachant de la pice principale. Ce mode de rupture fragile dpend de lessence utili-se et de la disposition gomtrique de lassemblage (nombre de boulons, distances dextrmit, entraxe, paisseur de llment). Un coeffi cient K ls est utilis pour tenir compte du nombre de faces charges (figure 39). La distance critique a cr est dfi nie comme la plus petite valeur entre la distance dextrmit charge (a L ) et lespacement entre les connecteurs dans une fi le (S R ) (fi gure 40).

FIGURE 36 Modes de rupture ductile dun assemblage par goujons reliant trois membrures de bois


FIGURE 37 Modes de rupture ductile unitaires selon le modle europen (Adapte de CSA O86-09)

FIGURE 38 paisseurs t1 et t2 selon la disposition (adapte de CSA O86-09, fi gure 10.4.2.2)

t1

t1

t1a

t1a

t = minimum ( t1a t1b )

t1b

t1bt1

t1

t2

t2

t2t1

t2

t1

a) e)

b) f)

c) g)

d)


Dchirement de groupe

Le dchirement de groupe peut tre considr comme la combinaison dune rupture en cisaillement de fi les et dune rupture en traction nette. Ce type de rupture fragile ne peut se produire quen cas de chargement en traction parallle au fi l. On calcule la rsistance dun assemblage au dchirement de groupe en utilisant la rsistance au cisaillement des deux fi les dextr-mits, ainsi que celle en traction de laire nette (A PGi) (CSA O86, art.10.4.4.5).

Laire nette (APGi ) est obtenue en multipliant lpais-seur de llment par la longueur du bout de la section boulonne, rduite en fonction du nombre de boulons quelle contient (quation 4).

(4)

o : t = paisseur de la membrure (en mm)

nR = le nombre de fi les (en mm)

SC = distance entre les fi les (en mm)

dF = diamtre du boulon (en mm)

File 1 :

File 2 :

Files du bord :

File du centre :

FIGURE 39 Coeffi cient KLS selon les conditions de cisaillement (adapte de CSA O86-09, fi gure 10.4.4.4)

FIGURE 40 Valeur de acr

KLS = 0,65 KLS = 1,0KLS = 0,65

KLS = 0,65

SR SR acr SR

SR

SR

SR

aL1

aL2

SR

SR

SR aL1

aL2


Traction nette

La rsistance la traction dune membrure au niveau de lassemblage est affaiblie par la prsence des trous de boulons (CSA O86, art.10.4.4.6). La rsistance la traction doit tre rvise en fonction de laire nette laide des quations de larticle 5.5.9 pour le bois de sciage ou de larticle 6.5.11 pour le bois lamell-coll. Laire nette ne doit jamais reprsenter une rduction de plus de 25 % de laire de la section brute. La rup-ture du bois en traction tant brusque et fragile, il est souhaitable quelle ne gouverne pas la rsistance de lassemblage.

Fendage

Lorsquun assemblage sollicite une membrure per-pendiculairement au fi l du bois, le concepteur doit sassurer que les attaches soient places de faon viter une rupture fragile en traction perpendiculaire. La rsistance au fendage est fonction de la gom-trie de lassemblage car laugmentation du rapport de la hauteur effective sur la hauteur totale (de /d) dimi-nuera proportionnellement les risques de fendage (CSA O86, art.10.4.4.7). La rsistance au fendage doit tre plus grande que la charge pondre applique perpendiculairement au fi l du bois.

Cisaillement netLeffort de cisaillement transmis perpendiculairement une poutre par un assemblage doit tre repris par la hauteur effective (de ) et non par la hauteur totale (d) (CSA O86, art.10.2.1.4). La rsistance en cisaillement doit donc tre revue en fonction de la hauteur effective (de ) laide des quations des articles 5.5.5 et 6.5.7.

La rsistance au cisaillement nette doit tre suprieure aux efforts de cisaillement prvus pondrs. Ces efforts de cisaillement dpendent de la position de lassemblage sur la longueur de la poutre. Par exemple, comme lindique la fi gure 41, leffort de cisaillement maximal sera de P/2 si la charge P est situe au centre de la poutre, ou 3P/4 si elle est situe au quart de la poutre.

Boulon charg axialementSi les boulons sont chargs axialement (ou une compo-sante de la force est parallle laxe du boulon), la rsis-tance de ces boulons doit tre value en deux tapes : la rsistance du boulon en traction et la rsistance du bois lcrasement. Cette dernire vrifi cation est pro-portionnelle la surface comprime, qui se calcule, par exemple, comme laire de la rondelle moins celle du trou. Les rondelles ou les plaques doivent respecter la taille et lpaisseur spcifi e (CSA O86,

Documents

Guide Conception Assemblage Bois CSA