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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
LGCIV2043 : Structures en boisPierre Latteur
Version Septembre 2017
Partie 1 :Le matériau bois
Je tiens à remercier vivement les personnes suivantes qui ont contribué directement ou indirectement à la rédaction de ce support de cours :
Dominique Langendries (CSTC et ex-UCL), qui a mis à ma disposition ses excellentes notes de cours et slides (Cours AMCO2386, UCL et KUL, Architecture avec le bois, de 2001 à 2005)
Catherine Doneux (UCL), qui a mis à ma disposition les slides qu’elle utilisait lorsqu’elle donnait ce même cours avant moi (jusqu’en 2013-2014), et qui ont inspiré certaines parties
Thierry Decamps (UMons), qui a mis à ma disposition son syllabus très complet et très pédagogique (Dimensionnement et technologie des structures en bois, introduction à l’EC5, volumes 1 et 2, janvier 2014, Faculté Polytechnique de Mons), ainsi que ses transparents de cours, qui ont inspiré certaines parties
Hugues Frère, et Emmanuel Defays, respectivement directeurs des incontournables Houtinfobois et Office économique wallon du bois, qui ont grandement contribué à améliorer ma « culture bois » pendant de longues années de collaborations sporadiques
Albert Mahy, professeur retraité à l’ECAM, pour avoir également grandement contribué, à travers les séminaires qu’il a donné à mes étudiants bioingénieurs de l’Ulg pendant de longues années, à améliorer mes connaissances dans le vaste domaine de la construction en bois
Le CSTC, en particulier Gauthier Zarmati et Audrey Skowron pour les échanges concernant l’EC5
Alexandre Rossignon du bureau WOW pour la transmission de ses connaissances « FEU » et « CLT »
Michel Monhonval, infatigable retraité passionné et l’un des plus fins connaisseurs de l’Eurocode 5 en Belgique selon moi, qui a relu et corrigé minutieusement l’ensemble de ce cours. Je tiens à souligner ici l’inestimable aide qu’il m’a apportée, qui a grandement contribué à en faire un document de qualité
Jacques Hébert, professeur à l’Ulg/Agro-Bio Tech, qui a relu la partie 1 de ce cours et contribué à la rendre plus rigoureuse
Pierre Latteur, Janvier 2016
Avertissement : le cours de Mécanique des structures
LGCIV1022, dispensé en BAC13, est un prérequis indispensable à
ce cours de structures en bois(Si vous ne l’avez pas suivi, veuillez en informer le professeur)
Avertissement : l’auteur de ce document (transparents des parties 1 à 5) décline toute
responsabilité quant aux conséquences directes ou indirectes, quelle qu’en soit la nature, qui
résulteraient de l’utilisation de son contenu, qui n’a pas la prétention de se substituer aux
normes en vigueur
Table des matières du cours
PARTIE 1 : LE MATÉRIAU BOIS
Chapitre 1 : Les arbres, la forêt, le contexte de la production du boisChapitre 2 : Bref historique de la construction en boisChapitre 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la constructionChapitre 4 : Anatomie du boisChapitre 5 : Le bois, la température et l’eauChapitre 6 : Durabilité du bois : préservation, finition, conceptionChapitre 7 : Caractéristiques mécaniques du bois
PARTIE 2 : CALCUL ELU ET ELS DES ÉLÉMENTS STRUCTURAUX
Chapitre 8 : Eléments structuraux en bois massifChapitre 9 : Eléments structuraux en bois lamellé-colléChapitre 10 : Actions, cas de charges, combinaisons de (cas de) chargesChapitre 11 : Calcul des flèches selon les critères définis par l’EC5Chapitre 12 : Résistance en section : critère de dimensionnementChapitre 13 : Intégration du flambement dans les critères de dimensionnementChapitre 14 : Intégration du déversement dans les critères de dimensionnementChapitre 15 : Eléments courbes en BLCChapitre 16 : Poutres à inertie variable
PARTIE 3 : SYSTÈMES PORTEURS
Chapitre 17 : Eléments structuraux dérivés du boisChapitre 18 : Systèmes porteurs des bâtimentsChapitre 19 : TreillisChapitre 20 : Poutres sous-tenduesChapitre 21 : Poutres continues, poutres cantileverChapitre 22 : ArcsChapitre 23 : PortiquesChapitre 24 : Autres systèmes constructifsChapitre 25 : Contreventement
PARTIE 4 : ASSEMBLAGES
Chapitre 26 : GénéralitésChapitre 27 : Assemblages traditionnels (bois-bois)Chapitre 28 : Description des types de tiges et connecteurs métalliquesChapitre 29 : Théorie de Johansen, calcul des assemblages à tiges selon l’EC5Chapitre 30 : Assemblages boulonnésChapitre 31 : Assemblages brochés, cloués et vissésChapitre 32 : Rigidité des assemblages, calculs ELS
PARTIE 5 : LE BOIS ET LE FEU
Chapitre 33 : Généralités et réglementation belgeChapitre 34 : Calcul des aspects REI selon l’EC5-partie1-2
PARTIE 6 : THÈMES COMPLÉMENTAIRES
Chapitre 35 : Calcul des panneaux d’OSBChapitre 36 : Calcul des panneaux de contreplaqué
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours
Dimensionnement et technologie des structures en bois, introduction à l’EC5, volumes 1 et 2, février 2015, Faculté Polytechnique de Mons, Prof. Thierry Descamps
L’ouvrage est très détaillé et couvre la plupart des aspects liés à la construction en bois
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours
Calcul des structures en bois,Guide d'application del'Eurocode 5 (structures bois)et de l'Eurocode 8 (séismes),Yves Benoit et al,Afnor éditions/Eyrolles3ème édition 2014
Sommaire :
Pour aborder l'eurocode 5Vérifier les sectionsVérifier les assemblages par contact direct, ou à entaillevérifier la section du bois autour de l'assemblageAssemblage par tigesAssemblage par pointes et agrafesAssemblage par boulons et brochesAssemblage par tire-fonds, anneaux et cramponsComposant et assembleurJustification des structures au feuEffet du séisme sur les structuresTableaux de synthèse
Du même auteur, un autre ouvrage très complémentaire avec de nombreux exercices résolus et commentés : « Construction bois : l’Eurocode 5 par l’exemple. Le dimensionnement des barres et des assemblages en 30 applications »
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Autre ouvrage conseillé dans le cadre de ce cours
De nombreuses figures présentes dans les transparents de ce cours proviennent de cet ouvrage. Toutefois, il est davantage axé sur la norme suisse et n’est pas exhaustif ou détaillé concernant de nombreux aspects liés à la construction en bois
Construction en bois,J. Natterer, J.-L. Sandoz et M. Rey,Traité de génie civil de l’EPFL, Vol. 13, Presses polytechniques et universitaires romandes,2ème édition 2004
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Autre référence intéressante
L’une des très nombreuses publications remarquables du cstc : « Cstc contact, Edition spéciale : la construction en bois » (2013).
Essentiellement axé sur les ossatures bois, il passe en revue les problèmes essentiels de ce type de construction : feu, acoustique, détails constructifs, assemblages, …
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
…La masse volumique est utilisée dans certains cas, avec comme unités les kg/m3
…Le poids volumique est aussi utilisé avec comme unités les kN/m3 (en particulier pour les calculs de résistance pour lesquels le Newton est utilisé (N))
Avertissement : dans ce cours…
Facteurs de conversion :
1 kg/m3 = 9,81 N/m3 = 9,81.10-3 kN/m3 10-2 kN/m3
1 kN/m3 = 1000 N/m3 = 101,9 kg/m3 100 kg/m3
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 1 : Les arbres, la forêt,le contexte de la production du bois
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le bois compense l’effet de serre
IN : H2O+ sels minéraux
IN : CO2
OUT : O2
+ H2O(transpiration)
1,5 t de CO2 1 t de bois + 1,1 t de O2
Cette fonction est capitale pour l’environnement : les océans (phytoplancton) et les forêts sont les deux “stockeurs” principaux de CO2
Un hêtre de 25 m de hauteur libère chaque jour la quantité d’O2 que respirent 3 personnes (par jour)
Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse)
Le bois utilisé dans la construction constitue un stockage utile de CO2 (après démolition de l’ouvrage en fin de vie, le CO2 est restitué à l’atmosphère par différents processus)
Non exploité, le bois pourrit sur place et restitue le CO2 à l’atmosphère, sauf une partie de celui enfoui dans le sol (racines) qui est en partie minéralisé par dégradation anaérobie et constitue aussi un stockage utile de CO2
+H2O
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le bois compense l’effet de serre
IN : H2O+ sels minéraux
IN : CO2
OUT : O2
+ H2O(transpiration)
1,6 t de CO2 1 t de bois + 1,1 t de O2
Cette fonction est capitale pour l’environnement : les océans (phytoplancton) et les forêts sont les deux “stockeurs” principaux de CO2
Un hêtre de 25 m de hauteur libère chaque jour la quantité d’O2 que respirent 3 personnes
Pour pousser, l’arbre stocke le carbone provenant du CO2 de l’air (photosynthèse)
Le bois utilisé dans la construction constitue un stockage utile de CO2 (après démolition de l’ouvrage en fin de vie, le CO2 est restitué à l’atmosphère par différents processus)
Non exploité, le bois pourrit sur place et restitue le CO2 à l’atmosphère, sauf une partie de celui enfoui dans le sol (racines) qui est minéralisé par dégradation anaérobie et constitue aussi un stockage utile de C02.
+H2O
Il faut empêcher la déforestation car les arbres sont :- Une source de production d’O2
- Un moyen de stockage permanent de CO2 dans le bois- Un moyen de stockage permanent de C dans le sol
L’utilisation du bois, notamment dans la construction, est pertinente car il constitue aussi un moyen de stockage du CO2. Ceci ne peut s’envisager que si les forêts sont gérées et replantées afin de maintenir ou mieux, augmenter la surface mondiale de forêts.
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
La gestion des forêts
Réflexion démarrée dans les années 1970 et développée/planifiée à un niveau international (crise pétrolière, catastrophes écologiques, exploitation abusive des forêts tropicales..) :
1987: rapport Brundtland (Nations Unies), « Répondre aux besoins du présent sans pour autant compromettre la capacité des générations futures de répondre à leurs propres besoins »
1992: sommet « Planète Terre » à Rio
1993 et 1998: Helsinki et Lisbonne (protection des forêts européennes)
1997: conférence de Kyoto
2002: sommet de Johannesburg
…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
La certification par écolabels
Garantir que le bois acheté est bien originaire d’une forêt gérée de manière “durable”. Ces écolabels n’ont pas tous le même degré d’exigence
Création en 1993 de l’ONG “FSC=Forest Stewardship Council”, qui a permis de donner un cadre commun
applicable tant aux grandes forêts tempérées que tropicales ou
boréales, en définissant 10 grands principes de gestion
Création en 1997 d’un label plus adapté au mode de production de
forêts plus morcelées et diversifiées, que l’on rencontre davantage en
Europe et en Belgique : PEFC=Pan European Forest Certification Scheme
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les forêts du monde
Source : adefc-cartographie.fr
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Répartition des forêts dans le monde
Ci-contre : superficie de forêts, en millions de km2), par continent, avec pourcentage de couverture du territoire (FAO 2010/Houtinfobois)
Ci-contre : 8 pays possèdent chacun plus de cent millions d'ha de forêts et ensemble plus de 63 % des forêts du monde (Houtinfobois, 2014)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Répartition des forêts en Wallonie (Chiffres 2015)
En Wallonie, 32.3 % de la superficie totale est couverte de forêts, contre 11% en Flandre
En Wallonie, le pourcentage de feuillus s’élève à 57 % et 43 % de résineux
En Wallonie, 53% des forêts sont privées et on dénombre 100.000 propriétaires, possédant une superficie moyenne très faible inférieure à 3 Ha.
Tous les jours en Wallonie, 6 ha d’épicéas disparaissent
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Résineux
Les essences principales en Wallonie
Hêtre(100 à 150 ans)
(400 ans)
Peuplier(25 ans)
(200 ans)
Chêne(150 à 250 ans)
(500 à 1000 ans)
En Belgique et ailleurs, ce sont principalement les résineux, et en particulier l’Epicéa, qui est utilisé dans le domaine de la construction. Il possède en effet 2 avantages : croissance rapide, troncs droits et longs (sciage facile)
Feuillus
Mélèze(50 à 80
ans)(800 ans)
pin Sylvestre
(80 à 100 ans)(300 ans)
Douglas(50 à 80 ans)
(600 ans)
Épicéa(50 à 120 ans)
(200 ans…)
25 m
Entre parenthèses : âge d’exploitation idéal (***) et ordre de grandeur de la durée de vie en l’absence de sylviculture (***)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le hêtre
Utilisation :Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage,objets cintrés ou tournés, jouets, traverses,…et de plus en plus en structure
6…10 cm
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le chêne
Utilisation :Menuiserie intérieure, parquets, planchers, placage,charpente, tonnellerie, piquets, bateaux, traverses, bardage,…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le peuplier
Utilisation :Menuiserie intérieure, charpente (fermettes industrielles),placage, caisserie/palettes et emballages,jouets,lamellé-collé, allumettes
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
L’épicéa(Sapin de Nöel)
Utilisation :Charpente,structure/ossatures,mobilier,plancher,contreplaqué,Lambris,bardages extérieurs (si traitement),bateaux, piquets (si traitement),terrasses (si traitement),lutherie,palettes/emballages,…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,structures et ouvrages d’art,châssis,bardages extérieurs,…
Le mélèze (meilleure durabilité que l’épicéa)
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Le pin sylvestre(=sapin rouge du nord)
Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,châssis,bardages,…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le douglas (=Oregon Pine)
Utilisation :charpentes,menuiserie intérieure,planchers,parquets,placage,structures et ouvrages d’art,châssis,bardages,objets divers,…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Un peu de vocabulaire…
Grume : tronc abattu, ébranché, écimé
Houppier : ensemble des branches, des rameaux, du feuillage au-dessus de la première couronne de grosses branches
Charpentière : une branche principale de grosse taille
Tronc : partie d'un arbre comprise entre les racines et la naissance des branches maîtresses
Nœud : partie de la branche englobée dans le bois
Souche : base de l’arbre, y compris ses racines. C’est ce qui reste dans le sol quand l’arbre a été abattu et évacué
Billon : morceau de grume
On trouvera dans le guide « Bois-guide pour le bon usage » publié en 2012 par Houtinfobois.be un lexique complet (Chapitre 6)
Rondin : billon de petit diamètre
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
La filière bois dans la construction
Francy Simon, 1999
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les organismes en lien avec la filière bois en Belgique (liste non exhaustive)
Association belge pour la protection du bois (ABPB) : organisme d’homologation des produits de protection du bois
Artexis - Bois et habitat (bois-habitat.com) : organisateur, entre autres, du salon annuel « Bois et habitat »
Centre national d’information du bois (Woodforum.be) : organisme dépendant du commerce du bois et faisant la promotion du matériau bois
Centre de formation bois (och-cfb.be) : soutient, accompagne et conseille les entreprises et (futurs) salariés des secteurs bois en leur offrant des formations adaptées
Centre technique et scientifique de la construction (cstc.be) : mène des recherches scientifiques et techniques dans de nombreux domaines, dont le bois, fournit une assistance à ses membres, contribue au développement du secteur de la construction
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
(Suite)
Houtinfobois (Houtinfobois.be) : centre d’information technique sur le matériau bois. Leur site web comporte une multitude d’informations utiles, ainsi que des programmes de calcul
FOREM-Wallonie bois (formation-wallonie-bois.be) : offre de nombreuses formations professionnelles dans le domaine du bois
Département de l’Etude du Milieu Naturel et Agricole (DEMNA) : centre de recherche de la Région wallonne, spécialisé, entre autres, dans la protection du bois
Centre technique de l’industrie du bois (CTIB, ctib-tchn.be) : centre de recherche, de certification et d’assistance technique du secteur de la seconde transformation du bois
Institut belge de normalisation (IBN) : édite l’ensemble des normes à considérer dans le domaine du bois, en particulier l’EC5
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
(Suite)
De nombreux autres acteurs existent, dont la liste est reprise sur le site de l’OEWB : www.oewb.be
Union belge pour l’agrément technique dans la construction (UBatc) : L'UBAtc est un institut qui délivre des agréments techniques pour des matériaux, produits, systèmes de construction et pour des installateurs
UCL – formation continue post-universitaire « Bois dans la construction » (sites.uclouvain.be/formation-continue-bois) : formation annuelle organisée par l’UCL, très complète, proposant différents modules à la carte
L’office économique wallon du bois (oewb.be) : organisme ayant pour mission la stimulation du développement économique de la filière bois
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques sites web intéressants
http://www.woodskyscrapers.com/projects.html : site reprenant une liste importante (mais non exhaustive) des bâtiments en bois multi-étagésde par le monde
http://www.ted.com/talks/michael_green_why_we_should_build_wooden_skyscrapers
http://www.lignatec.fr/references/bureaux-et-logements-r5-a-strasbourg-67 : Ensemble de logements avec bureaux sur 6 niveaux, zone sismique, bois visible
http://www.ib-miebach.de/cms/front_content.php?client=1&idcat=0http://www.schaffitzel-miebach.com/en/index.html :Deux bureaux d’études allemands avec de très belles réalisations en bois
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 2 : Bref historique de la construction en bois
Pont de Lucerne en Suisse : construit en 1333, il est le plus vieux pont en bois couvert d’Europe. Il a une longueur de 204 m. Dans la nuit du 17
au 18 août 1993, un incendie probablement dû à une cigarette le détruit. Les habitants,
incrédules, observent la destruction du symbole de leur ville. Il sera reconstruit à l’identique.
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
1ères habitations nomades en bois à partir de -35.000 ans.
1ers villages sédentaires de huttes en bois à partir de -9000 ans
1 cm = 20 millénaires
400 millénaires
- 400 M
Invention de la roue (-6.500)
Exploitation du feu(-400.000 ans)
Homo Sapiens(-150.000 ans)
5.000 ans
5millénaires
Jésus-Christ 1 cm = 250 ans
250 500 750 1000 1250 1500 1750-2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250-3000 -2750 -2500 -2250 20000
Galilée 16e S,Précurseur de la Résistance
des matériaux
Khéops
Pont du Gard
Temples Maya
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
1 cm = 250 ans
250 500 750 1000 1250 1500 1750-2000 -1750 -1500 -1250 -1000 -750 -500 -250-3000 -2750 -2500 -2250 20000
Galilée 16e S,Précurseur de la Résistance
des matériaux
Khéops
Pont du Gard
Temples Maya
Les formes rectangulaires remplacent les
huttes circulaires
(Moyen-Orient, puis Europe)
1er siècle après J-C : le grec
Pline l’Ancien donne une description précise des
essences forestières, des
outils et des colles utilisés
dans la construction
Jésus-Christ
Les temples grecs utilisent abondamment le bois pour les charpentes de
couverture, associé à la
pierre
1er siècle après J-C : les romains excellent déjà dans la maîtrise des charpentes triangulées en
bois, avec des portées probables jusqu’à 30 m (ex : palais de
Domitien)
Basilique de Saint-Paul à Rome (450) : longueur 131 m, largeur 65 m, hauteur 30 m. Poutres principales probablement aboutées par trait de Jupiter. Le fer est utilisé dans les
assemblages
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
1 cm = 50 ans
1700 1800 19001200 1300 1400 15001000 1100 20001600
Galilée :naissance de la résistance
des matériaux
Cathédrales gothiques
Tour de Pise
Début de la construction de Notre-Dame de
Paris et sa charpente en chêne (1300
chênes – 21 Ha de forêt)
Charpente du château de Sully
(France), en parfait état de conservation
depuis 600 ans
Plusieurs centaines d’églises en bois construites en Scandinavie,
dont plusieurs dizaines sont encore visibles aujourd’hui
Pont de Lucerne (Suisse)
Palladio (Italie) construit des ponts et invente la poutre
treillis en bois
Naissance des Ecoles
d’ingénieurs en France (Pont et
Chaussées : 1747)
Révolution industrielle
l’acier supplante le bois
Le béton s’impose partout
19ème et 20ème siècles : le bois est relégué au second plan par l’acier et le béton, bien que de
nombreux ponts de chemins de fer sont construits au 19ème
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Des années 60 à nos jours : de la renaissance au renouveau
Les colles performantes, l’essor du lamellé-collé, l’invention de nouveaux assemblages, les
possibilités de préfabrication, l’image « durable » du bois, ainsi que
quelques réalisations marquantes d’architectes et d’ingénieurs font
germer un nouveau souffle au bois dans la construction
Sea Ranch Houses (USA, 1968, MLTW)
Marché couvert à Gand - 1964Portée de 98m!
Halles de Courtrai 1968
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques réalisations contemporainesparmi beaucoup d’autres…
Delphinarium à Bruges - 1990 (ingénieur Van Wetter)
Coupole de 64m de diamètre
Comptoir forestierà Marche-en-Famenne - 1995
(architecte: Ph.Samyn,ingénieurs: Setesco)
51 arcs de rayon identique43mx27mx12,5m
Libramont Exhibitions & Congress -2014 (arcs de portée 60m). Architecte : Synergy International, ingénieurs : MC² sprl
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
(Suite du transparent précédent)
En Belgique, les immeubles de plus de 2 étages se font encore
quasiment exclusivement en béton. Le bois ne reste encore utilisé que pour la construction
des maisons unifamiliales ou des petits ouvrages
Pont Leonardo (Norvège, 2001)
Immeuble Rez+3 entièrement en bois construit à Molenbeek en 2008
(Entreprise De Graeve)
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 3 : Avantages et inconvénients du bois dans la construction
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les avantages du bois
Renouvelable naturellement : la graine plantée, la nature fait le reste…
Recyclable : réutilisation des éléments, compostage, brulage
Bon rapport (résistance)/(poids propre)
Ecobilan positif : source d’oxygène et permet un stockage de CO2
Peu énergivore : sa production ainsi que sa transformation consomment relativement peu d'énergie (30 fois moins que l'acier. Si le bois est transformé (lamellé-collé par exemple), il est relativement équivalent au béton armé ).
Aspect chaleureux, surtout en intérieur
Plus résistant au feu que l’acier…mais moins que le béton : la vitesse de carbonisation étant lente, le bois intact sous la couche de charbon de bois conserve ses propriétés mécaniques et continue à assurer sa fonction portante
Isolant thermiquement : une cloison à ossature bois de 16 cm équivaut en isolation à un mur en briques d'un mètre d'épaisseur.
Maniable, léger et préfabricable
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les inconvénients du bois
Sensible au pourrissement, à certaines maladies, à certains insectes. Sa mise en œuvre doit être bien réfléchie et maîtrisée : donc, nécessité d’une construction avec des détails d’architecture et de structure soignés, accompagnée de bonnes prescriptions de préservation, sous peine d’être peu durable dans le temps
Les caractéristiques mécaniques sont très anisotropes, ce qui en fait un matériau particulièrement difficile à maîtriser d’un point de vue du calcul et conception…peu de bureaux d’études maîtrisent le domaine !
Les assemblages sont souvent mixtes, avec de l’acier : ils sont complexes à calculer et leur conception est délicate
Le bois possède des défauts naturels, comme les nœuds et les fentes, qui doivent soit être pris en compte dans la conception et le calcul, soit être éliminés ou mieux répartis, par exemple en utilisant du lamellé-collé
Le bois peut être aussi glissant que la glace (en plancher extérieur par exemple)
Aspect visuel parfois mauvais lorsque le bois est mal mis en œuvre (coulées, teintes, mousses,…)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les inconvénients du bois
Sensible au pourrissement, à certaines maladies, à certains insectes. Sa mise en œuvre doit être bien réfléchie et maîtrisée (elle ne l’est pas toujours, même par ceux qui prétendent maîtriser ce vaste domaine!) : donc, nécessité d’une construction avec des détails d’architecture et de structure soignés, accompagnée de bonnes prescriptions de préservation, sous peine d’être peu durable dans le temps
Les caractéristiques mécaniques sont très anisotropes, ce qui en fait un matériau particulièrement difficile à maîtriser d’un point de vue du calcul…peu de bureaux d’études s’y risquent!
Les assemblages sont souvent mixtes, avec de l’acier : ils sont complexes à calculer et leur conception est délicate
Le bois possède des défauts naturels de structure, comme les nœuds, qui doivent soit être pris en compte dans la conception et le calcul, soit éliminés ou mieux répartis, par exemple en utilisant du lamellé-collé
Le bois peu être glissant (en plancher extérieur)
Le bois peu être laid quand il est mal mis en œuvre (coulées sur bardages)
On l’aura compris, le bois est un matériau fantastique, mais il ne peut être durable dans le temps QUE s’il est accompagné d’une
conception irréprochable (géométrie, détails d’assemblage,
liaisons avec les fondations, évacuation des eaux,…), d’un calcul précis, de prescriptions
adéquates (protection, imprégnation, finition,…), d’une mise en œuvre irréprochable…et
d’un entretien régulier!
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 4 :Anatomie du bois
FILM
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Coupe transversale dans un tronc ou une brancheDuramen (s’il est coloré), bois dit « parfait » (terme général): rôle de soutien mécanique. C’est la zone ayant les meilleures caractéristiques de durabilité
Liber (=écorce interne) : par où circule la sève descendante.
Cambium : tissu très fin (quelques microns) permettant la croissance en épaisseur. Vers l’intérieur, il produit l’aubier. Vers l’extérieur, il produit le liber
Aubier (bois fonctionnel) : épais de quelques cm, constitué de cellules vivantes récemment formées. Sensible aux champignons et insectes mais facilement imprégnable. La sève ascendante y circule.
Sur certains arbres, les différentes zones sont clairement visibles. Sur d’autres comme l’épicéa, elles le sont moins.
Ecorce (=écorce externe) : bois mort protégeant l’intérieur
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
L’âge réel de l’arbre est identifiable seulement à la base du tronc
Croissance de l’arbre et composition chimique
La composition varie très peu d’une essence à l’autre :- C : 50%- O : 43%- H : 6%- N, minéraux divers : 1%
Ces éléments se combinent pour former 3 types de “macropolymères” :- Cellulose : 40…50%- Hémi-cellulose : 25…40%- Lignine : 20…35%
49
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les résineux(= conifères)
Canal avec résine
Direction radialeDirection
longitudinale
Direction tangentielle
Rayons ligneux (=parenchyme)
Cellules appelées trachéides, à l’axe de l’arbre (longueur de quelques mm, largeur de 0,05 mm, section carrée).Elles sont discontinues et placées en recouvrement les unes au dessus des autres
Bois initial (printemps), servant de transport de sève
Bois final (été), servant
de support mécanique
Ponctuations aréolées = ouvertures transversales reliant les fibres verticales et permettant par exemple l’imprégnation avec des produits de préservation
1 cerne (=1 an de croissance)
Trachéides (fibres) dans les résineux
Coupe verticale dans une trachéide
1 à
5 m
m
51
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
1 c
ern
e
Coupe horizontale
( tronc)
Coupe verticale
tangentielle (tangente aux
cernes)
Epicéa (résineux) : vues au microscope électronique
52
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les feuillus
Les rayons ligneux sont plus abondants chez les
feuillus, ce qui leur confère de meilleures
caractéristiques mécaniques
transversales
Direction longitudinale
Rayons ligneux (=parenchime)
1 cerne (=1 an de croissance)
Cellules appelées vaisseaux, à l’axe de l’arbre et mises bout à bout, les unes après les autres (longueur de 1 mm, section ronde).
Direction radiale
Direction tangentielle
Trachéides, comme pour les résineux (appelée fibre pour les feuillus)
53
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Chêne : vues au microscope électronique
1 c
ern
e
Coupe horizontale
( tronc)
Coupe verticale
tangentielle (tangente aux
cernes)
Vaisseau (vertical)
Trachéides pleines
(verticales)
Parenchyme (radial)
54
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelles différences entre le résineux et le feuillus ?
Les résineux comptent un nombre assez limité d’espèces (500), alors que la diversité est beaucoup plus grande (500x) chez les feuillus
Les résineux sont apparus il y a 350 millions d’années, alors que les feuillus sont plus récents et datent d’il y a 150 millions d’années
Poids volumique : celui des résineux est globalement inférieur à celui des feuillus (sauf quelques exceptions comme le peuplier, le balsa, l’if), chez qui il varie très fort d’une espèce à l’autre, alors qu’il est uniforme pour les résineux
Chez les résineux, les fonctions de transport de sève et de soutien mécanique sont assurés par les mêmes cellules (trachéides), alors que chez les feuillus, ces 2 fonctions sont assurées par 2 types de cellules : des vaisseaux, s’étendant des racines aux feuilles, pour le transport de sève, et des trachéides, mais pleines, pour le soutien mécanique
56
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Vues microscopiques comparéesrésineux-feuillus (coupes tronc)
Epicéa (résineux)
Hêtre, érable, tilleul,… (feuillus à porosité diffuse : vaisseaux
uniformément répartis)
Chêne, frêne,… (feuillu à porosité annulaire : vaisseaux
concentrés dans le bois de printemps)
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 5 :Le bois, la température et l’eau
58
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Rappels : humidité de l’air
Humidité absolue de saturation [g/m3] = masse de vapeur d’eau maximale que peut contenir 1 m3
d’air humide. Elle dépend à la fois de la pression atmosphérique et de la température ambiante. A saturation, un léger refroidissement ou une légère augmentation de pression liquéfie une certaine quantité de vapeur
Humidité absolue [g/m3] = masse de vapeur d’eau par m3 d’air humide
[%]]/[
]/[3
3
mgsaturationdeabsolueHumidité
mgabsolueHumidité
Humidité relative [%] = rapport entre l’humidité absolue et l’humidité absolue de saturation pour une T° et une pression atmosphérique donnée :
Teneur en eau (ou rapport de mélange) [g/kg] : rapport entre la masse de vapeur d’eau et la masse d’air sec
59
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Rappel : diagramme de l’air humide (diagramme de Mollier)(ci-dessous : valable pour patm=101325 Pa)
Remarque : sur un diagramme de Mollier
(parfois appelé diagramme de Carrier),
l’ordonnée représente la teneur en eau et non
l’humidité absolue
Teneur en eau(en g/kg d’air sec !)
Température (°C)
A 25°, un kg d’air peut contenir au maximum 20 g
de vapeur d’eau Courbes d’humidité relative [%]
Cet air que l’on refroidit de 20° à 2° va commencer à condenser une
partie de sa vapeur d’eau
60
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les 3 eaux du bois
Le bois sur pied est constitué en majorité :
De lignine, hémicellulose et surtout de cellulose, ayant une forte propension à se lier aux molécules d’eau (groupements hydroxydes OH). Cette eau s’appelle eau liée. On peut l’extraire par séchage sans altérer les propriétés intrinsèques du bois
D’eau libre, contenue à l’intérieur des pores (= trachéides pour les résineux et vaisseaux pour les feuillus)
D’eau de constitution, chimiquement liée et appartenant à la matière organique elle-même. Elle ne peut en sortir sans altération et destruction du bois
On appelle MASSE ANHYDRE (M0) la masse d’un bois dont on a extrait l’entièreté de l’eau libre et de l’eau liée
Coupe transversale dans du balsa : nombreux pores
61
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Taux d’hygroscopie w du bois (=teneur en eau)
Au moment de l’abattage :
La plupart des feuillus : w=80…100%Résineux : w=100…150%Peuplier : w jusqu’à 200%Balsa : w jusqu’à 500%
%0
0
ManhydreMasse
ManhydreMassehumideMassew
w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois secw=100% masse d’eau = masse de bois sec
w=200% masse d’eau = 2 x masse de bois sec
Etapes de séchage (naturel ou forcé) du bois après abattage :
Perte de l’eau libre, (on atteint w=30% pour quasiment toutes les essences). L’évacuation n’a pratiquement aucune incidence ni sur les propriétés mécaniques ni sur le volume
Ensuite, perte de l’eau liée (w=30…15…0%), jusqu’à une stabilisation à un w d’équilibre hygroscopique qui dépend de l’humidité de l’air et de la T°, mais peu du type de bois. Ici, grandes variations de volume (retrait ou gonflement)!
62
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
%0
0
ManhydreMasse
ManhydreMassehumideMassew
w=30% masse d’eau = 0,3 x masse de bois secw=100% masse d’eau = masse de bois sec
w=200% masse d’eau = 2 x masse de bois sec
Taux d’hygroscopie w du bois, processus de séchage
Au moment de l’abattage :
Résineux : w=100…150%La plupart des feuillus : w=80…100%Peuplier : w jusqu’à 200%Balsa : w jusqu’à 500%
Etapes de séchage (naturel ou forcé) du bois après abattage :
Perte de l’eau libre, qui correspond à w=30% pour quasiment toutes les essences. L’évacuation n’a pratiquement aucune incidence ni sur les propriétés mécaniques ni sur le volume (mais le poids volumique diminue de l’ordre de 30%)
Ensuite, perte de l’eau liée (w=30…0%), jusqu’à une stabilisation à un w d’équilibre hygroscopique qui dépend de l’humidité et de la T° ambiante, mais peu du type de bois. Ici, grandes variations de volume (retrait ou gonflement)!
Un bois sur pied (hypothèse : w=100%) pèse deux fois plus que le même bois anhydre :
0
0
0 2)(
1 MMBSPM
MMBSPpiedsurboisduMasse
0
0
0 15,1)(
15,0 MMBMOM
MMBMOoeuvreenmisboisduMasse
MBSPMBMO 57,0Donc, entre l’abattage et la mise en
œuvre, le bois perd 43% de sa masse :
Un bois mis en œuvre (hypothèse : w=15%) pèse 15% en plus que le même bois anhydre :
63
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
L’équilibre hygroscopique entre le bois et l’air ambiant
Température ambiante
Humidité relative de l’air ambiant
Teneur en eau d’équilibre du bois
La température influence(un) peu l’équilibre
Le taux d’hygroscopie du bois peut se mesurer au moyen d’un hygromètre, qui mesure la résistivité du bois entre 2 électrodes qui y sont enfoncées
Valeurs usuelles de en Belgique à l'EXTERIEUR
Eté : T°=20°C, =70% w=13 %
Hiver : T°=0°C, =85% w=19 %
Mise en œuvre
du bois
conseillée à
w=16%
Valeurs usuelles de en Belgique à l'INTERIEUR
Eté : T°=20°C, =70% w=13 %
Hiver : T°=20°C, =35% w=7 %
Mise en œuvre
du bois
conseillée à
w=10%
64
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règles de bonne pratique
Sachant que plus la différence entre le w du bois et le de l’air, lors de la construction, est importante, plus les variations dimensionnelles seront grandes , il convient de :
Ne mettre en œuvre que du bois pour lequel l’eau libre a été totalement évacuée (w<30%) par séchage naturel ou en autoclave (ci-contre)
Mesurer le taux hygrométrique du bois lors de la mise en œuvre, de manière à ce qu’il soit le plus en équilibre possible avec le ambiant moyen (voir page suivante)
Concevoir les détails d’assemblage et d’architecture de manière à autoriser les variations dimensionnelles
Evaluer par calcul la valeur des variations dimensionnelles
Entreposer le bois sur le lieu de la construction pendant plusieurs mois afin que l’équilibre se crée avant mise en œuvre
65
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règles de bonne pratique (suite)
La colonne « valeur moyenne » du tableau ci-contre donne les valeurs recommandées du taux hygroscopique w du bois lors de sa mise en œuvre
Le marquage CE des bois sciés à usage structural assure que, pour un taux hygrométrique de 20 %, la classe de résistance (C24, D30, …) sera celle qui est annoncée
Autre source :
66
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Plus un bois est dense, plus il contient de la matière cellulosique, plus il est susceptible de fixer (ou libérer) de l’eau, plus les variations dimensionnelles seront grandes
Les variations longitudinales sont toujours négligeables, alors que les variations radiales et tangentielles sont très grandes
Axe longitudinal
Axe tangentiel
En séchant, les variations de longueur des cercles concentriques sont 2x plus importantes que celles des rayons apparition de contraintes interneset fentes radiales
Axe radial
Quantification des variations dimensionnelles
67
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quantification des variations dimensionnelles (suite)
Exemple : parquet en chêne constitué de lamelles parallèles placées entre 2 murs espacés de 5m :
Mise en œuvre du parquet à w=10%
Valeurs usuelles de en Belgique à l'INTERIEUR
Eté : T°=20°C, =70% w=13 %
Hiver : T°=20°C, =35% w=7 %
Mise en œuvre
du bois
conseillée à
w=10%
En été : w=13%, en hiver : w=7%, soit des écarts de 3% par rapport à la situation de pose.
Les variation de longueur sont donc de :
!5,2850003100
19,0:)(1 mmLradialCas
!4850003100
32,0:)(2 mmLtangCas
LwL 100
tangentiel radial longitudinal
Epicéa 0,37 0,19 0,01
Pin 0,32 0,19 0,01
Mélèze 0,44 0,24 0,01
Hêtre 0,38 0,22 0,01
Chêne 0,32 0,19 0,01
Coefficient de retrait ou gonflement moyen [%/%]
68
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Influence du type de débitage (sciage) : petites planches
Retrait Forme initiale Gonflement
69
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Influence du type de débitage (sciage) : gros éléments
Ci-contre : pratiquer des entailles de retrait pour éviter une fissuration anarchique (dès l’abattage, avant que le bois ne commence à sécher)
70
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Poids volumique du bois (à sec (w=0%) : 0, humide : w)
Le poids volumique spécifique de la matière qui compose le bois sec (w=0%) est invariableselon les espèces (15 kN/m3)
+ le poids volumique est élevé, plus les caractéristiques mécaniques sont bonnes
Le poids volumique est soit exprimé à sec (0 pour w=0%) soit, souvent, pour w=12…15%. Ils sont peu différents, car, si le bois humide est plus lourd, il est aussi plus volumineux (5 à 7% d’écart)
Figure ci-contre pour l’épicéa suisse : grande distribution
des valeurs du poids volumique (w=0%),
dépendant du climat et de nombreux autres facteurs
Selon la nature des cellules, la porosité et l’hygroscopie, le poids volumique réel varie, surtout pour les feuillus, entre 1 kN/m3 (balsa) et 13 kN/m3 pour les bois les plus lourds (bois exotiques comme l’amourette)
Poids volumique apparent 0
[kN/m3] (bois sec, w=0%)
Peuplier 2,7…3,5…4,5
Epicéa 3,5…4,2…5,0
Douglas 3,2…4,7…7,3
Pin 4,4…5,1…5,8
Mélèze 6,1…6,4…6,7
Hêtre 6,4…6,8…7,2
Chêne 6,0…7,0…7,7
71
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Dilatation thermique du bois
Variation dimensionnelle d’un élément de longueur L soumis à un T : ][mmLTL
[mm/mm/°C]
Sens tangentiel : 25.10-6…60.10-6
Sens radial : 15.10-6…45.10-6
Sens longitudinal : 3.10-6…6.10-6
Acier 12.10-6
béton 12.10-6
Bois
Souvent, on néglige les dilatations thermiques du bois car Les variations dimensionnelles sont souvent absorbées dans les jeux des assemblages
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 6 : Durabilité du boisPréservation, finition, conception
73
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les organismes xylophages : les champignons
Très nombreuses variétés parfois difficiles à diagnostiquer : mérule, Poriade Vaillant, Coniophora,…
Deux grandes catégories : - ceux qui détruisent le bois et qui altèrent ses propriétés mécaniques
- ceux qui décolorent le bois et altèrent son esthétique (bleuissement)
L’apparition et le développement nécessitent plusieurs conditions :
- infection par des spores amenés par l’air, par des chaussures,…- taux d’hygroscopie du bois supérieur à w=22% (c-à-d >85%). Le bois présent à l’intérieur d’un bâtiment bien construit et entretenu n’est donc en principe pas exposé au développement des champignons
- apport en O2 suffisant (champignons=organismes aérobies) : le bois totalement immergé n’est pas sensible aux champignons (Venise)
- températures favorables (mais déjà à partir de 5° pour la mérule)
La redoutable mérule peut anéantir une structure en bois en quelques mois
74
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Un cas de pourriture du bois : la Tour de Gedinne
Construite en 2001, démolie en 2008 à cause de la
pourriture du douglas qui contenait de l’aubier,
reconstruite en 2012 en acier
76
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les organismes xylophages : les larves d’insectes
Nombreuses espèces : capricorne, petite vrillette (qui attaque les meubles et le papier des livres), grande vrillette (appelée aussi « horloge de la mort), Lyctus, termites (pas signalées en Belgique mais bien en France), …
3 catégories :
- celles qui s’attaquent au bois sur pied- celles qui ne s’attaquent qu’au bois (mort)humide et/ou déjà attaqué par un champignon,et qui jouent un rôle important dans le cycle naturel des forêts
- celles qui s’attaquent au bois sec, donc les plus dangereuses : en particulier capricorne (s’attaquant surtout à l’aubier des résineux) et petite vrillette
Le développement du capricorne et de la petite vrillette est favorisé si :
- t° moyennes > 10° (idéal à 23° pour petite vrillette et 30° pour capricorne)- taux d’hygroscopie w du bois > 10% et le pire à 25…35%
Larve de capricorne, pouvant vivre + de 10 ans dans un bois sec et le dévorer sans signe visible à
l’extérieur (uniquement les résineux)
10…30 mm
77
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
La durabilité naturelle de certaines essences de bois
Quelle que soit l’essence de bois, l’aubier est peu durable
Par contre, le duramen (hors cœur) de certaines essences peut naturellement présenter, grâce à sa composition chimique, une grande durabilité (voir tableau ci-dessous, pour les bois de régions tempérées). Cette propriété s’associe généralement à une différence de couleur marquée entre aubier et duramen
Certaines essences tropicales (azobé, padouk, …) peuvent présenter des durabilités exceptionnelles (> 50 ans, même exposées aux intempéries)
Durabilité Au contact du solSans contact avec le sol,
exposé aux intempéries
Sans contact avec le sol,
partiellement exposé aux
intempéries
durabilité
jusqu'à 10 ansrobinier, chêne, chataigner
robinier, chêne, chataigner,
thuya géant, cèdre, douglas
robinier, chêne, chataigner,
thuya géant, cèdre, mélèze,
douglas, pins
durabilité
jusqu'à 20 ansrobinier idem sauf douglas idem sauf pins
durabilité > 20
ans- idem sauf douglas idem sauf douglas et pins
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les traitements chimiques pour la préservation du bois
La durabilité du bois peut-être très fortement augmentée par un traitement chimique
Il existe de nombreux produits pouvant être appliquéspar des procédés très différents :
- les produits : sels métalliques ou dérivés organiques - les procédés : badigeonnage, pulvérisation,
trempage, autoclavage, injectionBois recouvert d’une
lasure de finition Un produit de finition (lasure ou peinture) est un boncomplément aux bois ayant une durabilité naturelle élevée et permet :
- de conserver l’aspect du bois et/ou le mettre en valeur (pigments, produits de protection contre les UV,…)
- de limiter les échanges d’humidité avec l’air et les variations dimensionnelles (liants résineux, produits hydrofuges,…)
- de limiter (mais pas supprimer!) les attaques des champignons et insectes (fongicides et anti-bleuissement)
Un produit de préservation doit être prévu, en plus, pour les bois moins durables.Il est introduit en profondeur et protège durablement contre les champignons et insectes. Sa pénétration dépend de nombreux facteurs, dont la porosité du bois
79
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Classes de service définies par l’Eurocode 5
Une classe de service “croissante” correspond à des ouvrages de plus en plus susceptibles d’être exposés à des attaques d’organismes xylophages :
Classe 1 : ouvrages protégés des intempéries (ni eau, ni vapeur d’eau). Structure internes des habitations ou bâtiments (sauf salles de bain et
douches). T°>20°C et >65% ne sont dépassés que quelques semaines par an
Classe 2 : ouvrages partiellement protégés des intempéries (contact exceptionnel avec eau et
vapeur d’eau). Hangars ouverts, entrepôts, abris de bus,…. T°>20°C et >85% ne sont dépassés
que quelques semaines par an
Classe 3 : ouvrages exposés aux intempéries (contact avec eau et vapeur d’eau). Ponts,
passerelles, terrasses, garde-corps,…
80
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Homologation belge des produits de préservation (2012)
Produits :
Procédés possibles, associés à un type de produit :
Source : ABPB, 2012
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Homologation belge des produits de préservation (2012)
Classe de service
Source : ABPB, 2012
83
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règles élémentairesde conception Utiliser du bois sec et sain et rédiger correctement les cahiers des charges (classe de service et code d’homologation appropriés)
Choisir des sections de bois suffisantes
Eviter des éléments en bois deboutexposés à la pluie, protéger les assemblages, bien réfléchir l’évacuation des eaux de pluie
Eviter tout contact du bois avec le sol, détacher du sol les pieds de poteaux
Pied de poteau avec pied métallique
Aérer les sous-sols, prévoir une lame d’air ventilée derrière les bardages et placer des grilles anti-insectes aux entrées et sorties des espaces ventilés
Grille de ventilation pour bardage
Prévoir une barrière d’étanchéité pour éviter les remontées d’eau par capillarité et les stagnations d’eau
Barrière d’étanchéité
84
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règles élémentaires de conception :protection du bois debout
85
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règles élémentaires de conception :protection du bois debout (suite)
En débord de toiture
En angle de bardagerentrant
En angle de bardagesaillant
86
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques règlesélémentaires de conception :parois en ossature bois
Pierre LatteurCours de : Structures en bois
Chap. 7 :Caractéristiques mécaniques du bois
88
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Les défauts dans le bois
Les nœuds
Les fentes dues à : séchage naturel ou forcé, gel lorsque les arbres sont sur pied,
tronçonnage et abatage, tempêtes, débitage des grumes dans des bois avec contraintes internes (hêtre, robinier,…)
Les contraintes internes dues à une croissance
particulière dans certains arbres
(hêtre, robinier,...) Ci-contre : tranche de
robinier ouverte lors du sciage, à
cause des contraintes
internes
89
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Rappel : notion de résistance caractéristique fk
Lors d’une campagne d’essais (de traction ou de compression ou…) en laboratoire sur un grand nombre d’échantillons, les résultats peuvent être représentés par une courbe de Gauss
La résistance caractéristique est celle qui est dépassée par 95% des échantillons
Résistance f obtenue par essai en laboratoire
Nombre d’occurrences/nombre total
d’essais
fk : résistance caractéristique : seuls 5% des échantillons ont
une résistance inférieure
Aire = 95%
Aire = 5%
Si la disparité des résultats est grande (courbe très étalée), la résistance caractéristique peut être bien inférieure à la résistance moyenne (pour l’acier, par exemple, la disparité est très faible, contrairement au bois)
fmoyenne De nombreuses expériences en laboratoire montrent que pour le bois, les courbes ne sont pas symétriques
90
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Traction aux fibres :
Comportement Elastique fragile
Compression aux fibres :
ComportementElasto-plastique
(rupture par décollement puis
flambement des fibres)
Compression aux fibres :
ComportementElasto-plastique
(rupture par écrasement des
fibres)
Traction aux fibres :
ComportementFragile
(rupture par décollement des fibres)
ft,0,k fc,0,k fc,90,k ft,90,k0> > >>
0,3…0,5ft,0,k
…0,25…fc,0,k
Source (figures) : secobois.com
Approche qualitative (bois sec sans défauts)
91
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
A
NEd
Compression ou traction oblique
La Résistance en compression ou traction dans une direction oblique par rapport au sens des fibres est donnée par la formule de [Hagen, Hankinson et Kollmann] :
Compression oblique :
0,0,
90,0,
90,
,90,²cos²sin
tt
tt
t
tt ffff
fff
Traction oblique :(déjà une diminution de 50% pour =10° !!) :
0,0,
90,0,
90,
,90,²cos²sin
cc
cc
c
cc ffff
fff
92
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Traction aux fibres :
Comportement Elastique fragile
ft,0,k fc,0,k
0,3…0,5ft,0,k
Source (figures) : secobois.com
Approche qualitative (bois sec sans défauts)
>
Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut
Compression aux fibres :
ComportementElasto-plastique
(rupture par décollement puis
flambement des fibres)
93
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Compression aux fibres :
ComportementElasto-plastique
(rupture par décollement puis
flambement des fibres)
Traction aux fibres :
Comportement Elastique fragile
ft,0,k fc,0,k
0,3…0,5ft,0,k
Source (figures) : secobois.com
Approche qualitative (bois sec sans défauts)
Pour du bois de structure, de taille plus grande que les échantillons de labo, la présence de nœuds et les déviations, même légères, des fibres par rapport à l’axe de l’élément provoquent une très forte réduction de ft,0,k. Ceci explique
que les valeurs de ft,0,k prescrites par l’EC5 pour les bois de structure sont globalement inférieures aux valeurs de fc,0,k
>
Résultats d’essai sur éprouvettes sans défaut
Bois « normal » de
structure
94
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Résistance à la flexion fm,k
La résistance en flexion fm est une résistance fictive découlant d’un comportement global (fibres à la fois en traction et en compression)
fm,kél
rupturedéfinitionpar
mW
Mf
Pour la plupart des bois utilisés en structure, on a : ft,0,k < fc,0,k < fm,k
On supposera que les fibres sont placées selon l’axe de la poutre, écartant la situation peu pertinente d’une poutre constituée de fibres à l’axe de la poutre
Etant donné la variation triangulaire des contraintes en flexion, la présence des nœuds est moins préjudiciable en flexion qu’en traction pure : les
contraintes peuvent être déviées (et donc augmenter localement près des noeuds) sans préjudice pour la résistance. Ceci explique pourquoi la
résistance à la flexion est plus grande que la résistance à la traction du même élément s’il était tendu sur toute sa section
95
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Comportement en flexion jusqu’à rupture
él
él
pl
él
Lorsque le moment M augmente :
- Début de plastification de la zone comprimée, impliquant :- Une augmentation de la hauteur comprimée, afin de compenser la contrainte
maximale qui stagne et d’augmenter l’effort de compression résultant- Descente de l’axe neutre et diminution de la zone en traction- Augmentation des contraintes de traction jusqu’à rupture fragile
96
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Résistance au cisaillement fv,k
Cisaillement longitudinal
Cisaillement transversal
Cisaillement roulant
Peu courant, sauf dans des panneaux fléchis
La résistance au cisaillement longitudinal est plus faible que la résistance au cisaillement transversal et sera donc la seule considérée (cf principe de réciprocité des contraintes tangentielles, cours de mécanique des structures : l’une ne peut exister sans l’autre)
fv,k…0,1…fc,0,k
Source (figures) : secobois.com
97
Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Classement (=tri) du bois de structure après sciage
La grande dispersion des caractéristiques mécaniques des bois sciés nécessite un classement, un tri, dont l’objectif est de répartir les éléments en différentes catégories de qualité mécanique croissante
Classement automatique non destructif (par des machines) :
- Essai mécanique avec une mesure de déformation sous charge- Essai ultrasonique (vitesse de propagation liée à E et )
Classement visuel (par des hommes, donc ne garantit pas un classement convenable), en fonction de paramètres observables, comme :
- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Le mode de débit (bois de cœur, bois avec
trop d’aubier, …)- L’inclinaison des fibres- L’épaisseur des cernes- La courbure de l’élément- Rem : Le poids volumique n’intervient pas
Notons que le classement visuel, en Belgique, est réputé surestimer les classes C30 et C24 qui sont en réalité plus proche, respectivement, des classes C24 et « C21 »
Le classement visuel « voit » les défauts, …alors que le classement automatique « voit » les qualités…
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
La grande dispersion des caractéristiques mécaniques des bois sciés nécessite un classement, un tri, dont l’objectif est de répartir les éléments en différentes catégories de qualité mécanique croissante
Classement (=tri) du bois de structure après sciage
Classement visuel (par des hommes, donc ne garanti pas un classement convenable), en fonction de paramètres observables, comme :
- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Le mode de débit (bois de cœur, bois avec
trop d’aubier, …)- L’inclinaison des fibres- L’épaisseur des cernes- La courbure de l’élément- Le poids volumique (mais difficilement
envisageable, même s’il est très représentatifdes caractéristiques mécaniques
Classement automatique non destructif (par des machines) :
- Essai mécanique avec une mesure de déformation sous charge- Essai ultrasonique (vitesse de propagation liée à E et )
Ce classement permet de répartir les bois sciés en différentes classes de qualité, aussi bien pour les résineux que pour les feuillus (NBN EN 338)
Pour les résineux de charpente, on distingue 10 classes de qualité croissante :C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, (C45, C50 : peu disponibles)
Pour les feuillus, on distingue 8 classes :D18, D24, D30, D35, D40, D50, D60, D70
Ce classement est effectué selon la norme NBN EN384 et les valeurs de chaque classe sont garanties pour : air=65%, wbois=12%, T°=20°C
Valeurs caractéristiques prescrites par la normeNBN EN338: version 2016 (bois sciés et ronds)
E0 : identique en compression, en traction, et donc en flexionE90 : en compression uniquement (car non pertinent en traction car quasiment nul)G0,k : introuvable dans les normes, mais plusieurs document concèdent que G0,k = E0,k/16
C18 C22 C24 C27 C30 C35 C40 D30 D35 D40 D50 D60 D70
fm,k 18 22 24 27 30 35 40 30 35 40 50 60 70 fm,k
ft,0,k 10 13 14,5 16,5 19 22,5 26 18 21 24 30 36 42 ft,0,k
ft,90,k 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 ft,90,k
fc,0,k 18 20 21 22 24 25 27 24 25 27 30 33 36 fc,0,k
fc,90,k 2,2 2,4 2,5 2,5 2,7 2,7 2,8 5,3 5,4 5,5 6,2 10,5 12 fc,90,k
fv,k 3,4 3,8 4 4 4 4 4 3,9 4,1 4,2 4,5 4,8 5 fv,k
E0,moyen 9000 10000 11000 11500 12000 13000 14000 11000 12000 13000 14000 17000 20000 E0,moyen
E0,k 6000 6700 7400 7700 8000 8700 9400 9200 10100 10900 11800 14300 16800 E0,k
E90,moyen 300 330 370 380 400 430 470 730 800 870 930 1130 1330 E90,moyen
Gmoyen 560 630 690 720 750 810 880 690 750 810 880 1060 1250 Gmoyen
k 320 340 350 360 380 390 400 530 540 550 620 700 800 k
moyen 380 410 420 430 460 470 480 640 650 660 740 840 960 mkg/m
3
Mpa
Mpa
Résineux Feuillus
Evolution des résistances caractéristiques [Mpa] en fonction de la masse volumique caractéristique (kg/m3)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Le lamellé-collé (industrialisation au début du 20ème S)
Les avantages sont nombreux :
- Les nœuds (taille, répartition, quantité,…)- Caractéristiques mécaniques plus homogènes- Formes quelconques- Grandes longueurs (…30m…60m)- Grandes hauteurs (…2m…2,5m)- Moins de gaspillage du bois
Le bois lamellé-collé est constitué de planches sechées (w<15%), purgées de leurs défauts, puis rabotées, aboutées et collées par pressage (…1m…5m… de longueur)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Quelques ouvrages en lamellé-collé
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
GL20h GL24h GL28h GL32h
fm,k 20 24 28 32
ft,0,k 16 19,2 22,4 25,6
ft,90,k 0,5 0,5 0,5 0,5
fc,0,k 20 24 28 32
fc,90,k 2,5 2,5 2,5 2,5
fv,k 3,5 3,5 3,5 3,5
E0,moyen 8400 11500 12600 14200
E0,k 7000 9600 10500 11800
E90,moyen 300 300 300 300
Gmoyen 650 650 650 650
G0,k 540 540 540 540
k 340 385 425 440
m 370 420 460 490
Lamellé-collé homogène (BLC)
Mpa
kg/m3
Mpa
Valeurs caractéristiques prescrites par la NBN EN 14080 (Bois lamellé collé homogène)
Le BLC panaché est une variante dans laquelle on place des planches de meilleure qualité au niveau des fibres inférieures et supérieures (GL24c à GL36c, dont les valeurs caractéristiques sont aussi bonnes en flexion)
La résistance du BLC est déterminée par la classe du bois constitutif et la résistance des aboutages, qui constituent des zones de faiblesse
Le BLC homogène est constitué de planches en C24 ou C30 ou C40,…identiques de bas en haut
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Influence de l’humidité et du temps sur les fk et E
wbois (%)
E0,k (MPa)
Masse volumique à sec de 440 à 520 kg/m3
wbois (%)
fm,k (MPa)
Epicéa
L’humidité (et donc la classe de service) a une influence importante à la fois sur les résistances caractéristiques fk et les modules d’élasticité E du bois
Classe de
durée de
charge
Durée de la charge Exemple
Permanente >10 ans Poids propre
Long terme 6 mois1 an Stockage
Moyen terme 1 semaine6 moisCharges
d'exploitation
Court terme <1 semaine Neige
Instantanée InstantanéeVent,
action accidentelle
Tableau défini dans l'EC5
temps (jours)
ufluage/uinstantanée [%]
wbois=6%
wbois=12%
wbois=18%
La durée d’application des charges influence la flèche, mais aussi fk:
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
RAPPEL : Classes de service définies par l’Eurocode 5
Classe 1 : ouvrages protégés des intempéries (ni eau, ni vapeur d’eau). Structure internes des habitations ou bâtiments (sauf salles de bain et
douches). T°>20°C et >65% ne sont dépassés que quelques semaines par an
Classe 2 : ouvrages partiellement protégés des intempéries (contact exceptionnel avec eau et
vapeur d’eau). Hangars ouverts, entrepôts, abris de bus,…. T°>20°C et >85% ne sont dépassés
que quelques semaines par an
Classe 3 : ouvrages exposés aux intempéries (contact avec eau et vapeur d’eau). Ponts,
passerelles, terrasses, garde-corps,…
Une classe de service “croissante” correspond à des ouvrages de plus en plus susceptibles d’être exposés à des attaques d’organismes xylophages :
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Coefficient réducteur kmod pour les résistances caract.
Le tableau ci-dessus, extrait de l’EC5, donne les valeurs du coefficient réducteur kmod
à appliquer sur les résistances caractéristiques (bois brut et BLC) en fonction de laclasse de service (1, 2 ou 3) et du temps d’application de la charge. Il en résulte unevaleur plus petite à considérer pour les calculs, donnée par la relation :
m
kd
fkf
mod
m est le coefficient de sécurité qui englobe les autresincertitudes (modélisation, construction, etc.). (m =1,3 pourle bois brut et 1,25 pour le BLC).
Classe de
durée de
charge
Durée de la charge ExempleClasse de
service 1
Classe de
service 2
Classe de
service 3
Permanente >10 ans Poids propre 0,6 0,6 0,5
Long terme 6 mois1 an Stockage 0,7 0,7 0,55
Moyen terme 1 semaine6 moisCharges
d'exploitation0,8 0,8 0,65
Court terme <1 semaine Neige 0,9 0,9 0,7
Instantanée InstantanéeVent,
action accidentelle1,1 1,1 0,9
Tableau défini dans l'EC5 Coefficients kmod associés
Remarque importante : dans le cas d’une combinaison de cas de charges, c’est lacharge de plus courte durée qui est considérée pour la détermination de kmod
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Coefficient favorable kh pour des petites hauteurs de section
m
kth
dt
m
kmh
dm
fkkf
fkkf
,0,mod
,0,
,mod
,
h
b
« L’effet volume » est un principe, qui consiste à considérer que, plus un élément est petit, moins il est susceptible de comporter des défauts. L’EC5 autorise donc à augmenter fm,k et ft,0,k pour des éléments dont la section a une hauteur inférieure à celle prescrite pour les essais de détermination des résistances caractéristiques en laboratoire (15 cm pour le bois massif et 60 cm pour le BLC)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Classe de
service 1
Classe de
service 2
Classe de
service 3
0,6 0,8 2
Valeurs de kdef (EC5)
Type d'action variable Y2
Charges d'exploitation (habitations et
bureaux)0,3
Charges d'exploitations (lieux de
rassemblement et magasins)0,6
Stockage 0,8Charges de véhicules jusqu'à 160 kN 0,3 ou 0,6
Neige 0Vent 0
Température (hors incendie) 0
Valeurs de y 2 pour les bâtimentsLe fluage est dû aux charges permanentes G, mais aussi à la fraction Y2Q des charges variables qui s’applique de manière cumulée pendant une partie de la vie de l’ouvrage
1: 22 yy avecukuuuuGCharges instdefinstcreepinsttermelong
y2 : égal à 1 pour les charges permanentes, qui ont un effet prépondérant sur le fluage. Pour les charges d’exploitation, il ne dépend que du temps d’application et est, évidemment, toujours <1 :
1: 22 yy avecukuuuuQCharges instdefinstcreepinsttermelong
Kdef : caractérise la propension au fluage, ne dépend que de l’hygrométrie, donc de la classe de service, et s’applique de la même façon aux charges permanentes et variables
Coefficients correctifs kdef et y2 pour les flèches à long terme (fluage) (voir partie 2 pour détails)
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Pierre Latteur – UCL – Belgique – Cours de : Structures en bois
Influence de la T° sur les caractéristiques du bois
La T° influence fort les caractéristiques mécaniques du bois, MAIS :
L’effet du séchage compense en bonne partie (voire totalement) l’effet de la T°, que l’on considère donc comme négligeable dans la
plupart des cas.