essais de cisaillement du bois à hautes...
TRANSCRIPT
Essais de cisaillement du bois à hautes températures
M. Audebert1, D. Dhima
4, A. Bouchaïr
2,3, P. Racher
2,3
1 Université de Lyon, Ecole Nationale d’Ingénieur de Saint-Etienne, Laboratoire de
Tribologie et de Dynamique des Systèmes (LTDS), UMR 5513, rue Jean Parot,
42023 Saint-Etienne, Cedex 2, France
2Clermont Université, Université Blaise Pascal, Institut Pascal, BP 206, F-63000
Clermont-Ferrand, France
3CNRS, UMR 6602, Institut Pascal, F-63171 Aubière, France
4CSTB, Centre Scientifique et Technique du bâtiment- 84 avenue Jean Jaurès 77447
Marne-la-Vallée Cedex 2
RÉSUMÉ. Les méthodes avancées de calcul des éléments de structures bois en situation
d’incendie proposées par l’EN1995-1-2 donnent des évolutions des caractéristiques
mécaniques du bois en fonction de la température en utilisant des coefficients de réduction
des propriétés du matériau. Les valeurs fournies pour la réduction de la résistance en
traction et en compression sont bien documentées. En revanche, les coefficients de réduction
de la résistance au cisaillement du bois n’ont pas fait l’objet d’études connues. La présente
étude porte sur la réalisation d’une campagne expérimentale pour caractériser l’évolution de
la résistance au cisaillement du bois en fonction de la température. Elle s’appuie sur une
éprouvette spécifique originale, développée pour cette étude. Les résultats expérimentaux
permettent d’évaluer les valeurs données dans l’EN1995-1-2.
ABSTRACT. The advanced calculation methods for wood structural elements in fire
situations proposed by EN1995-1-2 provide reduction factors of wood strength according to
the temperature. The values of these reduction factors given for compression and tension
strength are relatively well documented. However, the reduction factors of wood shear
strength with temperature were not studied. This study concerns experimental investigations
conducted to characterize the evolution with temperature of the shear strength of wood. The
tests are realized using a specific original specimen specially developed for this study. The
experimental results allow evaluating the values given in EN1995-1-2.
MOTS-CLÉS : Essais, cisaillement, bois, hautes températures, éprouvette cisaillement.
KEY WORDS: Tests, shear, wood, high temperatures, shear specimen.
XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 2
1. Introduction
Le développement du bois dans le domaine de la construction connaît un regain
d’intérêt pour ses qualités esthétiques, environnementales et techniques. Néanmoins,
la combustibilité du matériau suscite des interrogations quant à la résistance au feu
des structures bois. La connaissance du comportement thermomécanique du bois
repose encore sur un nombre insuffisant d’études expérimentales et numériques.
Au sein des structures bois, les liaisons jouent un rôle important dans la capacité
résistante globale de la structure. L’EN1995-1-2 [EUR 04] relatif au calcul des
structures bois en situation incendie traite des assemblages, mais de façon limitée et
peu précise [AUD 10] en raison du manque de données scientifiques [KÖN 04].
L’Annexe B de cet Eurocode propose des données pouvant servir de base à
l’élaboration de calculs avancés de la résistance au feu des assemblages bois. C’est
ainsi que sont fournies des évolutions des propriétés thermiques et mécaniques du
bois en fonction de la température à travers des coefficients de réduction. Ces
données sont utilisées pour développer des modèles numériques représentant le
comportement thermomécanique d’assemblages de structures bois soumis à une
sollicitation de traction parallèle au file [AUD 11]. Pour mettre en place des modèles
intégrant d’autres sollicitations (traction transversale, flexion), il a été nécessaire de
caractériser les propriétés du matériau. En effet, si les valeurs des coefficients de
réduction de la résistance du bois en traction et en compression, fonction de la
température, sont bien documentées [ZEE 05], les coefficients de réduction de la
résistance au cisaillement n’ont pas fait l’objet d’études connues. Dans les
assemblages de structures réelles, les sollicitations du matériau bois combinent
traction, compression et cisaillement.
La présente étude porte sur la réalisation d’essais de cisaillement d’éprouvettes
bois à hautes températures dans la direction parallèle au fil du bois. L’éprouvette
originale développée pour les essais, le dispositif d’essais ainsi que le programme
expérimental sont présentés. Les résultats d’essais sont discutés et confrontés aux
valeurs des coefficients de réduction de résistance au cisaillement du bois proposées
dans l’EN1995-1-2.
2. Eprouvettes de cisaillement et dispositif expérimental
Les essais réalisés concernent deux campagnes expérimentales menées en 2008-
2010 puis en 2012 au CSTB (Marne-la-Vallée, France). Ces deux campagnes
s’appuient sur des géométries d’éprouvettes différentes. Pour la première série
d’essais, qui porte sur 16 éprouvettes, une géométrie originale a été mise au point
(Figure 1). La forme cylindrique de l’éprouvette permet le développement de
gradients thermiques au sein du matériau, dans le plan radial autour de la section
cisaillée, comme lors de la combustion réelle d’éléments bois. Cette forme favorise
aussi le maintien de conditions thermo-hydriques constantes dans la section cisaillée.
La géométrie des éprouvettes utilisées lors de la deuxième campagne expérimentale
Essais de cisaillement du bois à hautes températures 3
a été simplifiée puisque l’influence de la présence de gradients thermiques au sein du
bois n’était pas étudiée. Des éprouvettes parallélépipédiques ont alors été utilisées,
tout en gardant la même géométrie circulaire de la section cisaillée interne.
Figure 1. Géométrie des éprouvettes de cisaillement (1ère campagne d’essais).
Sur la Figure 1, T1 et T2 représentent les positions des thermocouples utilisés
pour mesurer les températures au niveau de la section cisaillée. Pour la première
campagne expérimentale, trois thermocouples additionnels (TS1, TS2, TS3) étaient
positionnés à la surface des éprouvettes afin de contrôler l’échauffement du bois.
Pour obtenir un arrachement complet de la section cisaillée ainsi qu’une
distribution uniforme des contraintes durant l’essai, la hauteur de la section cisaillée
a été choisie en recherchant une valeur optimale. Le choix a été opéré à partir d’une
étude numérique aux éléments finis basée sur un modèle élastique 2D. Le modèle a
été réalisé sur le code MSC Marc [MSC 05]. L’évolution des contraintes de
cisaillement le long d’une section cisaillée de 35 mm de hauteur montre que
l’uniformité de la distribution des contraintes est atteinte à partir d’une hauteur de 24
mm. La hauteur de la section cisaillée a ainsi été prise égale à 25 mm.
L’effort était appliqué aux éprouvettes par un cylindre métallique de diamètre
39,8 mm. Pour les essais avec gradients thermiques, le dispositif d’essai représenté
sur la Figure 2 a été utilisé. Les éprouvettes étaient introduites dans un four
permettant de maintenir une température constante dans son enceinte (Figure 2).
Pour la seconde campagne expérimentale, les éprouvettes étaient préalablement
mises à la température désirée dans des étuves. Elles étaient ensuite retirées juste
avant de procéder à l’essai mécanique.
La masse volumique moyenne du bois utilisé lors de la première campagne
expérimentale était de 447,5 kg/m3 avec une humidité moyenne des échantillons de
8%. Pour la seconde série d’essais, la masse volumique moyenne des éprouvettes
était de 460,6 kg/m3 avec une humidité moyenne du bois de 11,6%. Le bois utilisé
XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 4
correspondait dans les deux cas à un lamellé-collé de classe GL24h. Néanmoins, les
lamelles n’avaient pas la même épaisseur : 45 mm pour le premier lot et 31 mm pour
le second. Les éprouvettes utilisées lors de la seconde campagne expérimentale sont
donc moins homogènes au niveau de la section cisaillée qui fait intervenir 3 lamelles
différentes de bois.
Figure 2. Eprouvette équipée de
thermocouples à la sortie du four
Figure 3. Four utilisé pour maintenir la
température des éprouvettes constante
3. Programme expérimental
Le programme expérimental concerne 47 éprouvettes au total testées dans deux
campagnes distinctes. La vitesse de chargement des éprouvettes, contrôlée par
déplacement imposé du cylindre d’application de la charge, était égale à 5m/s.
Différents types d’essais à hautes températures ont été réalisés. Ces différents essais
sont récapitulés ci-après en fonction de la campagne expérimentale considérée.
3.1. Première campagne expérimentale
Cette campagne expérimentale, réalisée en 2008-2010, concernait 16 éprouvettes
de cisaillement. Cinq types d’essais différents ont été réalisés (Tableau 1):
- Essais 1 à 6 : pour ces essais, la température du four est stabilisée aux alentours
de 250°C. Le chargement mécanique est appliqué lorsque les températures
mesurées à l’interface cisaillée (T1 et T2) atteignent 100°C. Ce protocole
expérimental permet d’obtenir un gradient thermique au sein du matériau. Les
gradients thermiques sont sensiblement les mêmes que ceux observés sur des
structures bois en situation d’incendie.
- Essais 7 à 10 : la température du four est stabilisée aux alentours de 105°C. Les
éprouvettes testées ont été préalablement entreposées 3 jours dans une étuve à
105°C. La température de l’interface cisaillée est donc homogène autour de
100°C et la teneur en eau des éprouvettes est nulle. Il n’y a donc pas de
gradient thermique dans le matériau pour ces essais.
- Essais 11 et 12 : la température du four est stabilisée à 250°C et le chargement
mécanique est appliqué lorsque les températures à l’interface cisaillée
Essais de cisaillement du bois à hautes températures 5
atteignent 150°C. Les 2 éprouvettes testées ont été préalablement entreposées
dans une étuve à 105°C et leur teneur en eau tend vers zéro.
- Essai 13 : le protocole expérimental est identique à celui utilisé pour les essais
11 et 12 mais l’éprouvette ici testée n’a pas été préalablement séchée en étuve.
- Essais 14 à 16 : ces essais sont des essais à froid réalisés à température
ambiante (~20°C) pour obtenir les valeurs de référence.
3.2. Deuxième campagne expérimentale
Pour cette campagne expérimentale, réalisée en 2012, seules des éprouvettes
préalablement mises à l’étuve ont été testées. Ces essais réalisés sur 31 éprouvettes
ne se focalisent pas sur les gradients thermiques au sein du matériau. 4 niveaux de
températures à l’interface cisaillée ont été étudiés : 50°C (4 éprouvettes), 100°C (10
éprouvettes), 140°C (4 éprouvettes) et 150°C (7 éprouvettes). Les thermocouples T1
et T2 permettent de connaître la température au moment de la rupture et ainsi de
contrôler un éventuel refroidissement de l’éprouvette entre sa sortie de l’étuve et la
réalisation de l’essai. Six essais à température ambiante (~20°C) ont été également
réalisés. Le programme expérimental de ces essais est résumé dans le Tableau 1.
Tableau 1. Programme expérimental
N° Essai T1 = T2 Tfour ou Tétuve Gradients
Campagne 1
(2008-2010)
1 à 6 100°C 250°C Oui
7 à 10 100°C 105°C Non
11 à 13 150°C 250°C Oui
14 à 16 Tambiante (~20°C) - -
Campagne 2
(2012)
17 à 20 50°C 50°C Non
21 à 30 100°C 110°C Non
31 à 34 140°C 150°C Non
35 à 41 150°C 160°C Non
42 à 47 Tambiante (~20°C) - -
4. Résultats expérimentaux
4.1. Première campagne expérimentale
La Figure 4 montre les courbes force-déplacement obtenues pour les éprouvettes
des essais 1 à 6. La Figure 5 présente l’évolution de la courbe force-déplacement
pour l’essai 5 avec les valeurs des températures au niveau de l’interface cisaillée (T1
et T2). La Figure 6 présente les résultats des essais 7 à 10 réalisés sur des éprouvettes
sèches sans gradient thermique dans le matériau. La Figure 7 présente les résultats
pour les éprouvettes 11 à 13 qui concernent les essais de cisaillement à 150°C.
Le Tableau 2 récapitule les résultats de la première campagne expérimentale.
Ainsi, les températures moyennes à l’interface cisaillée au moment de la rupture et la
charge de rupture Frupt sont données.
XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 6
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0 1 2 3 4 5
F (
N)
g (mm)
Essai 1 Essai 2
Essai 3 Essai 4
Essai 5 Essai 6
Figure 4. Courbes force-déplacement
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60
Fo
rce (N
)
Te
mp
era
ture
(°C
)
Time (min)
T1
T2
Force (N)
Figure 5. Courbes force-temps +
température-temps (essai 5)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5
F(N
)
Déplacement [mm]
Essai 7 Essai 8
Essai 9 Essai 10
Figure 6. Courbes force-déplacement
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0 1 2 3 4
F (
N)
Déplacement (mm)
Essai 11 Essai 12
Essai 13
Figure 7. Courbes force-déplacement
De ces résultats, plusieurs remarques peuvent être tirées :
- Pour les essais 1 à 6, une rupture progressive des éprouvettes est observée.
Ceci peut s’expliquer par le fait que l’eau contenue dans le bois a migré au
niveau de l’interface cisaillée. L’humidité des fibres du bois dans cette zone
engendre une rupture progressive du bois et augmente le frottement à
l’interface cisaillée. Cette remarque est confirmée par l’observation du profil de
rupture de l’éprouvette (Figure 8). En effet, une couleur brune du bois est
observée au niveau de l’interface cisaillée, due à la migration de l’eau contre le
cylindre métallique d’application de la charge, et la surface de rupture apparaît
irrégulière.
- Pour les essais 7 à 10 réalisés à 100°C sur des éprouvettes sèches, l’allure des
courbes force-déplacement apparaît différente, avec une rupture qui semble
plus fragile. L’observation des éprouvettes à la fin des essais montre en effet
que la couleur brune du matériau précédemment observée n’apparaît pas ici et
que la surface de rupture à l’interface cisaillée est nette et lisse (Figure 9).
Cependant, le niveau de résistance des éprouvettes est sensiblement identique à
celui des essais 1 à 6.
- Les charges de rupture obtenues par les essais à froid montrent que la
résistance au cisaillement des éprouvettes est réduite en moyenne de 43% à
100°C. Cette réduction est de 47% à 150°C.
Essais de cisaillement du bois à hautes températures 7
Ces résultats montrent que la teneur en eau du bois n’affecte pas la résistance au
cisaillement des éprouvettes. Le même niveau de contrainte est obtenu pour les
essais 1 à 10 (3,9 MPa en valeur moyenne). En revanche, la présence d’eau dans le
matériau modifie le mode de rupture des éprouvettes.
Tableau 2. Températures et charges de rupture (1ère
campagne expérimentale)
Type d’essai N° Essai Température moyenne (°C) Frupt (kN)
T1=T2=100°C
Gradients thermiques
=8%
1 103,6 11,95
2 105,5 8,54
3 105,4 10,77
4 109,8 11,15
5 112 15,04
6 116 13,97
T1=T2=100°C
=0%
7 83,7 11,87
8 95,2 9,69
9 98 9,68
10 100 12,61
T1=T2=150°C
Gradients thermiques
=0%
11 159,8 5,78
12 154,7 12,26
T1=T2=150°C
Gradients thermiques
=8%
13 154 14,19
Essais à froid
14 Tambiante (~20°C) 22,16
15 Tambiante (~20°C) 23,67
16 Tambiante (~20°C) 27,86
Figure 8. Vue d’une coupe après essai
(éprouvettes 1 et 2).
Figure 9. Vue d’une coupe après essai
(éprouvette 7).
4.2. Deuxième campagne expérimentale
Le Tableau 3 récapitule les valeurs de résistance au cisaillement des éprouvettes
17 à 47 et la température mesurée à l’interface cisaillée au moment de la rupture. Ces
XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 8
éprouvettes sont caractérisées par une certaine hétérogénéité du lamellé-collé au
niveau de la zone cisaillée. Une corrélation importante entre la masse d’éprouvette et
la résistance au cisaillement a été observée. Les résultats ont donc été triés en 3 lots
d’éprouvettes définis à partir des masses mesurées des échantillons.
Tableau 3. Températures et charges de rupture (2ème
campagne expérimentale)
Lot N° Essai Température moyenne
(°C) Frupt (kN) Ms (g)
1
42 Tambiante (~20°C) 16,00
724 < Ms < 751 23, 29 101 14,20
31 133 10,98
35, 36 148 9,00
2
45 Tambiante (~20°C) 18,26
789 < Ms < 817
20 50 15,71
21, 25, 26 101 13,95
32-34 142 12,37
38-41 150 12,12
3
43, 44, 46, 47 Tambiante (~20°C) 24,20
839 < Ms < 913
17-19 50 22,00
22, 24, 27, 28,
30 103 19,65
37 150 14,20
La Figure 10 présente les courbes force-temps obtenues pour les essais 21 à 30.
La Figure 11 montre le profil de rupture de l’éprouvette 21 testée à 100°C. Les
résultats présentés sur la Figure 10 confirment ce qui avait été observé lors de la
première campagne expérimentale, à savoir que l’absence d’eau dans le matériau
conduit à une rupture fragile des éprouvettes. La Figure 11 montre une surface de
rupture nette et lisse de la section cisaillée avec une couleur claire du matériau
témoignant de l’absence d’eau à l’interface avec le cylindre métallique.
Les résultats présentés dans le Tableau 3 montrent que la résistance au
cisaillement des échantillons testés dépend fortement de la densité du matériau. Une
fois triés selon la masse des éprouvettes (Ms), les résultats présentent moins de
dispersion. Ces résultats montrent une réduction plus faible de la résistance au
cisaillement des échantillons en fonction de la température. C’est ainsi que ces
réductions de résistance au cisaillement, par rapport à la résistance à température
ambiante, à 50°C, à 100°C et à 150°C sont respectivement de 12%, 18,3% et 40%.
Essais de cisaillement du bois à hautes températures 9
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 50 100 150 200 250
F (N
)
Temps (min)
Essai 21 Essai 22
Essai 23 Essai 24
Essai 25 Essai 26
Essai 27 Essai 28
Essai 29 Essai 30
Figure 2. Courbes force-temps pour les
essais 21 à 30.
Figure 3. Profil de rupture de
l’éprouvette 21.
5. Confrontation aux résultats de l’EN1995-1-2
Les coefficients de réduction de la résistance au cisaillement dans la direction
parallèle au fil du bois en fonction de la température sont comparés aux valeurs
fournies par l’EN1995-1-2. Les coefficients de réduction calculés à partir des
résultats de la première campagne expérimentale sont proches de ceux proposés par
l’EN1995-1-2 (Figure 12). Les résultats de la seconde campagne d’essais montrent
une influence moins marquée de la température sur la résistance au cisaillement du
bois (Figure 13). Dans ce dernier cas, les valeurs de réduction de l’EC5 restent assez
conservatrices en comparaison avec les valeurs mesurées.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 50 100 150 200 250 300 350
Fa
cte
ur
de
réd
ucti
on
kq
Température q [°C]
Eurocode 5 - 1.2 Essai 1 - 103,6°C
Essai 2 - 105,5°C Essai 3 - 105,4°C
Essai 4 - 109,8°C Essai 5 - 112°C
Essai 6 - 116°C Essai 7 - 83,7°C
Essai 8 - 95,2°C Essai 9 - 98°C
Essai 10 - 100°C Essai 11 - 159,8°C
Essai 12 - 154,7°C Essai 13 - 154°C
Figure 4. Coefficients de réduction de la
résistance au cisaillement du bois
(première campagne)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 50 100 150 200 250 300
Fa
cte
ur
de
ré
du
cti
on
kq
Température q [°C]
Eurocode 5 - 1.2
Lot 1
Lot 2
Lot 3
Figure 5. Coefficients de réduction de la
résistance au cisaillement du bois
(deuxième campagne)
6. Conclusions
La présente étude porte sur la réalisation d’essais de cisaillement du bois à hautes
températures afin de déterminer des coefficients de réduction de cette résistance
pouvant être utilisés dans des modèles numériques du comportement
XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 10
thermomécanique d’assemblages bois. Pour réaliser ces essais, une géométrie
originale d’éprouvette a été mise au point permettant de reproduire les gradients
thermiques dans le bois similaires à ceux observés dans les structures réelles
soumises à un incendie.
Les résultats des essais montrent que la teneur en eau du matériau n’affecte pas le
niveau de résistance des éprouvettes mais influence leur mode de rupture. Ainsi, les
fibres humides du bois rompent graduellement. Ces résultats, obtenus pour une
humidité moyenne du bois de 8% mériteraient d’être confirmés par des tests sur des
échantillons ayant une humidité plus importante.
Les deux séries d’essais réalisés permettent d’observer la réduction de la
résistance au cisaillement du bois en fonction de la température. Les coefficients de
réduction obtenus sont comparés à ceux proposés par l’EN1995-1-2. Les valeurs
proposées par l’Eurocode apparaissent alors satisfaisantes car elles sont
conservatrices en comparaison avec les valeurs mesurées. Ces valeurs peuvent donc
être utilisées pour alimenter des modèles numériques du comportement
thermomécanique des assemblages bois. Elles mériteraient d’être complétées par des
échantillons plus larges avec différentes variétés de matériau.
7. Bilbiographie
[AUD 10] AUDEBERT M., BOUCHAÏR A., TAAZOUNT M., DHIMA D., « Thermal and thermo-
mechanical behaviour of timber connections in fire », Urban Habitat Under Catastrophic
Events (Proceedings), Cost Action C26, Naples, 16-18/09/ 2010, Taylor & Francis
Group, p. 189-194.
[AUD 11] AUDEBERT M., DHIMA D., TAAZOUNT M., BOUCHAÏR A., « Numerical investigations
on the thermo-mechanical behavior of steel-to-timber joints exposed to fire »,
Engineering Structures, vol.33, 2011, p. 3257-3268.
[KÖN 04] KÖNIG J., « Calculations vs. Fire testing – Limitations of Eurocode 5 and the need
of fire testing », International symposium on advanced timber and timber-composite
éléments for buildings, 2004, p. 27-29.
[EUR 04] EN 1995-1-2, Design of timber structures – General rules – Structural fire design,
2004.
[MSC 05] MSC. MARC, « User’s Manual Vol. A : theory and user information », MSC
Software Corporation, 2005.
[ZEE 05] Van Zeeland I. M., Salinas J. J., Mehaffey J. R., “Compressive Strength if Lumber
at High Temperatures”, Fire and Materials, n°29, 2005, p. 71-90.