Durabilité d’un assemblage mixte bois-béton collé sous chargement hydrique

Dans le domaine du génie civil, la technique de collage est essentiellement utilisée pour la réparation et le renforcement d’ouvrages en béton. En collant par exemple des renforts en acier ou en matériaux composites sur les structures, leur durée de vie est prolongée et ceci à moindre coût. Par ailleurs, le collage est aussi pensé aujourd’hui pour la réalisation de structures neuves, où il intervient entre autres pour la réalisation de structures multi-matériaux, comme les composites ou encore le bois et le béton.

Aussi, pour contribuer au développement de cette technologie, le laboratoire Navier travaille depuis plusieurs années à l’optimisation de structures mixtes bois-béton. Il participe aussi à la valorisation du bois dans les ouvrages d’art pour répondre à la problématique de développement durable. Ce type de structures, usuellement assemblées par des connecteurs métalliques, a pour principe d’utiliser chacun des matériaux dans leur domaine de prédilection. Ainsi, le béton travaille en compression et le bois reprend les efforts de traction. Des études expérimentales et théoriques réalisées à Navier ont montré la bonne performance mécanique des systèmes d’assemblages par collage appliqués aux structures mixtes bois-béton. La structure qui comporte une dalle en béton fibré ultra-performant et une poutre en bois, assemblés exclusivement par un adhésif époxy, présente une raideur plus importante qu’avec des connecteurs traditionnels et a été validée en fatigue sous conditions thermo-hydriques constantes.

Pour pouvoir valider le système de connexion par collage appliqué aux structures mixtes bois-béton, il est essentiel d’assurer leur tenue à long terme lorsque celles-ci sont soumises aux conditions climatiques extérieures. Il s’agit alors de faire une étude complémentaire relative à l’influence des variations climatiques sur la tenue d’un assemblage collé bois-béton. En effet, des variations hydriques peuvent altérer les propriétés d’adhérence de la colle mais aussi induire des dommages dans le bois, dans le béton, et au niveau de l’interface notamment en raison des propriétés différentes entre ces deux matériaux.

Les assemblages bois-béton

Exemples de structures mixtes bois-béton 

L’association des deux matériaux bois et béton a pour principe d’utiliser chacun de ces matériaux dans leur domaine de prédilection. Dans le domaine des ouvrages d’art, le principe des ponts mixtes bois-béton est le même que pour les ponts mixtes acier-béton. La dalle béton participe à la reprise des efforts en compression et la poutre en bois reprend les efforts en traction. On peut citer le Pont des Fayettes en France dont les poutres secondaires sont en bois-béton, ou le Pont de la Resgia en Suisse . Le béton constitue la semelle qu’on lie mécaniquement par des connecteurs métalliques à des poutres en bois. Ainsi, on utilise au mieux les propriétés mécaniques de chacun des matériaux.

Dans le domaine du bâtiment, un plancher mixte est composé d’une structure porteuse en bois (les poutres), d’une dalle béton et de systèmes de connexion. On l’utilise aussi bien dans la réhabilitation, du fait de la possibilité d’augmenter la rigidité et la résistance des planchers bois, que dans la construction neuve qui permet de réduire la charge du bâtiment, et les ponts thermiques (on coule une dalle de béton de 8 à 10 cm de hauteur sur des connecteurs qui rigidifient la structure) .

Les systèmes de connexion

Il existe aujourd’hui deux familles de connexion (Schäfers & Seim, 2010 ; Gutkowski, Brown, Shigidi, & Natterer, 2004 ; Jutila & Salokangas, 2010).

La connexion dite par « compression locale du bois »
Ce sont des connecteurs locaux posés de façon discontinue. On augmente la résistance en cisaillement entre le bois et le béton par compression des connecteurs sur le bois. On peut citer :
– les connexions par entailles (faites dans le bois), que l’on remplit de béton lors du coulage. Pour éviter le glissement entre le bois et le béton, la surface de contact est crénelée, dentelée ou trouée. La présence de vis, ou de fers d’ancrage enfoncés dans le bois, renforce le contact . Ce principe est celui utilisé pour la D-Dalle ;
– les connecteurs métalliques (pointes, vis, goujons, tubes). Le principe est le même que pour la connexion par entailles. Les éléments en acier sont utilisés pour former des dents et sont cloués, vissés ou collés dans le bois et noyés dans le béton.

On augmente la résistance en cisaillement à l’interface en ajoutant des connecteurs. Mais la présence de connecteurs « locaux » sur la surface du bois peut entraîner la rupture de celui-ci.

La connexion dite « par adhérence des surfaces »
Dans ce cas, la répartition de la connexion est uniforme. L’adhérence entre le bois et le béton peut être assurée par un filet ou une grille de métal fixés sur le bois. Une synthèse des systèmes de connexion existants est présentée dans la thèse de Pham (Pham, 2007). En plus de ces connexions effectuées par des moyens mécaniques, il est possible aussi d’assembler le bois et le béton par collage (Pincus, 1970 ; Maurice & Christophe, 2000 ; Pham, 2007). Dans ce cas, les résultats montrent un comportement sans glissement de l’association bois-béton. Il a été montré que la rigidité d’ensemble de la structure est augmentée par rapport aux connecteurs métalliques. Le collage est par ailleurs aussi une solution retenue dans la construction d’ouvrages d’art mixte, notamment dans l’assemblage de l’acier et du béton. On peut citer plusieurs exemples et projets en cours :
– Le projet national de recherche MIKTI entre 2001 et 2005 (www.pnmikti.org), qui s’inscrivait autour de la construction de ponts et de passerelles mixtes acier-béton allant de 35 m à 80 m de longueur. Il s’agissait entre autres de réfléchir sur la mise au point ou l’amélioration de techniques nouvelles de réalisation (préfabrication), mais aussi d’étudier de nouveaux modes d’assemblage des deux matériaux, dont l’utilisation de colle constitue l’élément de jonction.
– La passerelle de Gärtnerplatz à Kassel qui a été réalisée avec du Béton Ultra Haute Performance (BUHP). Cette construction érigée en 2007 mesure 133 m de long. Elle se compose d’une structure métallique en treillis reliée aux poutrelles de BUHP au moyen d’éléments en acier. Dans ce cas, ce sont les dalles de revêtement, aussi composées de BUHP, qui sont collées aux poutrelles grâce à une résine époxy.

La solution de collage bois-béton a été développée au laboratoire Navier dans le cas de l’assemblage boisbéton (Pham, 2007). Les essais réalisés ont montré la bonne performance de ces assemblages du point de vue de la tenue mécanique en fatigue.

Étude de la durabilité d’assemblages bois-béton 

La tenue mécanique d’assemblages bois-béton est fortement étudiée, et comme nous l’avons vu au paragraphe précédent, de nombreux systèmes de connexion ont été développés pour améliorer le comportement mécanique d’une structure bois-béton selon l’utilisation et les besoins. Concernant la durabilité et notamment les effets différés des matériaux constitutifs, dont les connecteurs, sur la tenue à long terme de la structure, la littérature est très peu abondante, bien que l’on trouve quelques travaux traitant de ce sujet (Ceccotti, Massimo, & Giordano, 2006 ; Bou Said, 2003 ; Fragiocome, Amadio, & Macorini, 2007). L’objet de ce travail est d’analyser plus précisément les effets de conditions hygrométriques variables sur la tenue à long terme de la connexion par collage. L’étude bibliographique qui suit a pour objectif d’une part de présenter les propriétés des matériaux constitutifs de l’assemblage collé (bois, colle, béton) notamment sous conditions hygrométriques variables, et d’autre part de proposer un état de l’art sur le collage structural.

Propriétés et vieillissement des matériaux

Le bois 

Le bois est un matériau d’origine biologique. Ceci implique que ses caractéristiques physico-chimiques, mécaniques et biologiques varient d’une espèce à l’autre, mais aussi au sein d’une même espèce, voire d’un même arbre.

Structure du bois
Le bois possède une structure cellulaire principalement orientée selon la direction de l’axe de l’arbre. À l’échelle macroscopique, on distingue sur un tronc d’arbre trois sections orthogonales :
– transversale : plan perpendiculaire à l’axe de symétrie dans lequel on voit les cernes ;
– longitudinale radiale : plan orienté perpendiculairement aux cernes et parallèle au fil du bois ;
– longitudinale tangentielle : plan orienté tangentiellement aux cernes et parallèle au fil du bois.

On notera que l’on distingue deux grandes classes d’arbre : les résineux (ou conifères) et les feuillus. Ces deux familles de bois présentent des plans ligneux différents. La description faite de la structure du bois dans ce paragraphe est celle des résineux, qui sont les bois utilisés dans les travaux présentés ici (l’épicéa et le douglas). Dans le cas des résineux, le bois est constitué de trachéides qui sont des cellules longitudinales qui remplissent les fonctions de conduction de la sève et de soutien. Précisément, les trachéides longitudinales constituent 90 % de l’ensemble des cellules d’un résineux. Ce sont des cellules allongées mesurant 2 à 9 mm de longueur, connectées les unes aux autres et couramment appelées veines ou fibres du bois. Le bois est aussi composé de cellules radiales, les parenchymes qui constituent les rayons ligneux pour assurer le stockage des substances nutritives . On peut identifier la composition chimique des cellules du bois. Elles sont composées de cellulose et d’hémicellulose en majorité (environ 70 %), de lignine (20%), et en plus petite quantité de matière pectine et de cendre.

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Table des matières

RESUME
SUMMARY
INTRODUCTION GENERALE
1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Motivations
1.1.1 Les assemblages bois-béton
1.1.1.1 Exemples de structures mixtes bois-béton
1.1.1.2 Les systèmes de connexion
1.1.2 Étude de la durabilité d’assemblages bois-béton
1.2 Propriétés et vieillissement des matériaux
1.2.1 Le bois
1.2.1.1 Structure du bois
1.2.1.2 Hygroscopie du bois et propriétés de transfert
a) Taux d’humidité du bois et point de saturation des fibres (PFS)
b) Hystérésis de sorption
c) La diffusion hydrique
1.2.1.3 Variations dimensionnelles du bois : retrait et gonflement
1.2.1.4 Comportement mécanique du bois
a) Modules d’élasticité
b) Résistances
c) Comportements mécaniques et taux d’humidité
d) Les effets différés et les couplages hydromécaniques
1.2.2 Le béton
1.2.2.1 Généralités sur le béton
1.2.2.2 Comportement mécanique des bétons
a) Résistances et modules
b) Comportement mécanique des bétons
1.2.2.3 Phénomènes de retrait
1.2.2.4 Propriété de fluage des bétons
1.2.3 Les colles
1.2.3.1 Mécanismes d’adhésion
1.2.3.2 Les colles structurales
1.2.3.3 Propriétés de vieillissement d’une résine structurale
a) Effets de la température
b) Effets de l’humidité
c) Effets de sollicitations mécaniques
1.3 Le collage en génie civil
1.3.1 Étude du comportement mécanique d’un assemblage collé
1.3.1.1 Essais mécaniques
a) Essais de cisaillement par torsion
b) L’essai “Thick Adherend Shear Test” (TAST)
c) L’essai ARCAN
d) Essais de cisaillement simple et double recouvrement
1.3.2 Études de la durabilité d’assemblages collés
1.3.2.1 Vieillissement d’assemblages collés μ étude des propriétés d’adhérence
1.3.2.2 Vieillissement d’assemblages bois-béton usuels
1.3.3 Conclusion
1.4 Conclusion, stratégie de la recherche
2 MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
2.1 Propriétés des matériaux
2.1.1 Les bois
2.1.1.1 Propriétés mécaniques du bois
a) Propriétés mécaniques du lamellé-collé
b) Modules d’élasticité de l’épicéa et du douglas (bois massif)
2.1.1.2 Hygroscopie du bois
a) Courbes de sorption
b) Coefficients de diffusion
2.1.1.3 Retrait et gonflement du bois
2.1.2 Les colles
2.1.2.1 Caractéristiques des résines
2.1.2.2 Vieillissement des résines
2.1.3 Les bétons
2.2 Méthodes expérimentales
2.2.1 Essais mécaniques : essais Push-Out
2.2.2 Tests de chargement hydrique
2.2.2.1 Les corps d’épreuves
2.2.2.2 L’essai d’imbibition
2.2.2.3 Tests de chargement hydrique sous humidité relative élevée
2.3 Exploitation des essais μ analyse par corrélation d’images 2D
2.3.1 Principe de la technique de corrélation d’images 2D
2.3.1.1 Mesure du champ de déplacement
2.3.1.2 Calcul du champ de déformation
2.3.1.3 Évaluation des incertitudes de mesures
a) Origine des incertitudes
b) Minimiser les erreurs, mise en place de l’essai
c) Évaluer les erreurs
2.3.2 Analyse de champs de déformation sur les essais Push-Out
2.3.3 Utilisation de la technique pour les essais de chargement hydrique
2.3.3.1 Observation de la surface entière de l’éprouvette (champ macroscopique)
2.3.3.2 Observation de l’interface avec un champ de 1 cm
2.3.4 Récapitulatif des essais de corrélation d’images numériques
3 ESSAIS PUSH-OUT SUR ASSEMBLAGES COLLES BOIS-BETON
3.1 Mise au point de l’essai Push-Out
3.1.1 Dimensionnement des éprouvettes, étude théorique
3.1.1.1 Longueur d’ancrage
3.1.1.2 Répartition des contraintes le long du joint de colle
3.1.1.3 Application à une structure réelle (poutre mixte bois-béton collée)
3.1.2 Protocole expérimental et exploitation de l’essai
3.1.3 Résultats de la série préliminaire (série 0, colle époxy)
3.1.3.1 Protocole de fabrication des éprouvettes
3.1.3.2 Résultats expérimentaux
3.2 Choix de la colle (série 1, trois types de colles)
3.2.1 Réalisation des assemblages collés
3.2.2 Résultats expérimentaux
3.2.2.1 Essais avant vieillissement
3.2.2.2 Essais après vieillissement
a) Suivis des échantillons au cours du vieillissement
b) Résultats expérimentaux
c) Compléments d’étude par analyse d’images numériques
3.3 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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