Développement d'éléments de construction en bois de pays lamellés assemblés par tourillons thermo-soudés, Development of local laminated wood construction element using welded-through dowels

De
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Sous la direction de Pascal Triboulot, Antonio Pizzi
Thèse soutenue le 12 novembre 2009: Nancy 1
Le soudage du bois constitue un nouveau procédé d’assemblage, deux pièces de bois sont assemblées sans aucun adhésif, ni organe métallique. Ce travail étudie la faisabilité d’éléments de construction en bois lamellé à échelle 1 comme des poutres, des parois et des planchers, en utilisant le soudage de chevilles (Fagus sylvatica) dans des avivés (Picea abies) des forêts locales (VOSGES). La maîtrise du procédé étant primordiale pour étudier sa reproductibilité, une machine prototype est développée. Les paramètres d’asservissement et la mesure des efforts appliqués sont maîtrisés précisément par un logiciel. La fabrication contrôlée d’échantillons et de poutres soudées permet de caractériser les propriétés mécaniques élémentaires.L’étude du comportement des poutres et des planchers fait appel à la théorie des poutres à connexions imparfaites. Une approche par éléments finis montre que le modèle analytique de KREUZINGER n’approche pas suffisamment la distribution des contraintes dans la section composite, un modèle analytique est développé selon l’approche de GIRHAMMAR : le modèle exact généralisé. Les essais de poutres montrent une trop grande souplesse de la liaison et sa sensibilité au fluage. Les essais sur le plancher conduisent à des caractéristiques intéressantes en termes de rigidité et de confort. Les parois, non optimisées, montrent des résultats prometteurs pour le contreventement. Les premiers éléments sur l’utilisation du soudage du bois dans la construction sont présentés. Cette technologie se révèlerait compétitive dans la réalisation d’éléments constructifs en 3D. Dans un contexte de développement durable, cette approche constructive est porteuse d’avenir
-Poutres à connexions imparfaites
Wood welding is a new assembly concept; two pieces of wood can be connected without any adhesive or any metal fastener. This study present the feasibility in usable scale, to produce laminated elements for construction like beams, walls and floors, using welded dowels (Fagus sylvatica) to connect planks (Picea abies) from local forests (Vosges). To be used, it is essential that the welding process has to be reproducible; a prototype machine was designed in this aim. It mastered the main parameters of welding like rotation speed and efforts. A convivial software pilot efficiently the machine. This allows a controlled fabrication of welded samples and beams to characterize their basic resistance properties. The behaviour of beams and floors is given by composite beam with interlayer slip theory. A finite elements approach showed that the KREUZINGER’s analytical model does not allow to describe well enough the stress distribution in a multi layer composite section, an analytical model is then develop from GIRHAMMAR’s composite beams theory: the so call generalized exact model. Tests of beams show that the dowel connection is too weak and will have then a great sensitivity to creep. Tests on floor provide interesting features in terms of rigidity and comfort. The walls which are not optimized show encouraging results for racking resistance. The first items for the use of wood welding in construction are presented. This technology will be competitive in achieving constructive elements in 3D. In a context of sustainable development, this constructive approach takes its full meaning
-Layered timber beam
-Composite beams with interlayer slip
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10142/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
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UNIVERSITÉ
HENRI POINCARÉ – NANCY 1
École Nationale Supérieure des Technologies et Industries du Bois
Laboratoire d'Études et de Recherche sur le Matériau Bois
École doctorale : Ressources Produits Procédés Environnement.
Discipline : Sciences du bois et des fibres
THÈSE CIFRE portée par le CRITT Bois et le Conseil Général des Vosges
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l'UNIVERSITÉ HENRI POINCARÉ – NANCY 1
présentée par


Ludovic RESCH
Ingénieur ENSTIB


DÉVELOPPEMENT D’ÉLÉMENTS DE CONSTRUCTION EN BOIS DE PAYS
LAMELLÉS ASSEMBLÉS PAR TOURILLONS THERMO-SOUDÉS


    

Composition du Jury :

Rapporteurs
Robert LE ROY : HDR – Chargé de recherches de l’unité de recherche NAVIER L CP– C – École des Ponts et Chaussées
Patrick RACHER : HDR – Maître de Conférences – Polytech. CLERMONT-FERRAND – Directeur R&D AUBRILAM
Examinateurs
Jean-Michel LEBAN : Directeur de recherches – INRA – LERFOB, Président du jury
Pascal TRIBOULOT : Professeur ENSTIB – UHP NANCY, Directeur de thèse
Jean-François BOCQUET : Maître de Conférences ENSTIB – UHP NANCY, Codirecteur de thèse
Antonio PIZZI : Professeur ENSTIB – UHP NANCY, Codirecteur de thèse

    


À ma mère,
À mon père,
À mon frère et à ma sœur,

À toutes les personnes qui m’ont soutenu.







“Beware the Jabberwock, my son!
The jaws that bite, the claws that catch!
Beware the Jubjub bird, and shun
The frumious Bandersnatch!"
[Lewis CARROLL, Jabberwocky (1872)]






“As he approaches completion of his dissertation,
time approaches infinity”
[John MADDEN, Proof (2005)]

Version : 2010-10-10 18:26




UNIVERSITÉ
HENRI POINCARÉ – NANCY 1
École Nationale Supérieure des Technologies et Industries du Bois
Laboratoire d'Études et de Recherche sur le Matériau Bois
École doctorale : Ressources Produits Procédés Environnement
Discipline : Sciences du bois et des fibres
THÈSE CIFRE portée par le CRITT Bois et le Conseil Général des Vosges
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l'UNIVERSITÉ HENRI POINCARÉ – NANCY 1
présentée par


Ludovic RESCH
Ingénieur ENSTIB


DÉVELOPPEMENT D’ÉLÉMENTS DE CONSTRUCTION EN BOIS DE PAYS
LAMELLÉS ASSEMBLÉS PAR TOURILLONS THERMO-SOUDÉS


    

Composition du Jury :

Rapporteurs
Robert LE ROY : HDR – Chargé de recherches de l’unité de recherche NAVIERLCP –C – École des Ponts et Chaussées
Patrick RACHER : HDR – Maître de Conférences – Polytech. CLERMONT-FERRAND – Directeur R&D AUBRILAM
Examinateurs
Jean-Michel LEBAN : Directeur de recherches – INRA – LERFOB, Président du jury
Pascal TRIBOULOT : Professeur ENSTIB – UHP NANCY, Directeur de thèse
Jean-François BOCQUET : Maître de Conférences ENSTIB – UHP NANCY, Codirecteur de thèse
Antonio PIZZI : Professeur ENSTIB – UHP NANCY, Codirecteur de thèse

    






























REMERCIEMENTS
Ce travail a été financé sous la forme d’une thèse CIFRE, portée par le CRITT Bois et le Conseil Général des
Vosges. Ce travail a été réalisé dans les locaux dENe l’STIB, du LERMAB et du CRITT Bois à EPINAL dans les VOSGES.
Avant tout, je souhaite remercier Jean-François « Bill » BOCQUET, Maître de conférences à l’ENSTIB, pour
avoir accepté de me diriger et de m’avoir guidé dans cette recherche. Son soutien incoionndel, it sa vision
exceptionnelle du domaine de la construction, ses idées originales sans limite, sa confiance sans borne et son
infinie patience, m’ont permis d’avoir une personne remarquable sur qui compter tout au long de ce , teravait cella
m’a permis d’apprendre énormément à ses côtés. Je lui dois tout ce travail, également la rédaction du mémoire
aussi, je lui témoigne toute ma reconnaissance. Ce manuscrit lui doit beaucoup, par le temps qu’il y a consacré et la
qualité de ses remarques toujours pertinentes et constructives. Je tiens aussi à remercier sa femme, Marianne,
pour avoir été toujours attentive, présente et de ses très bonnes idées pour égayer le quotidien. Je la remercie
également pour avoir « éradiqué » toutes les fautes de français. Un p’tit coucou et un merci à leur fille, Fantine,
pour avoir su inonder de son sourire chaque instant en sa présence.
Je remercie Pascal TRIBOULOT, Professeur et Directeur de l’ENSTIB, d’avoaccir epté de me donner
l’opportunité de réaliser cette thèse edt e sa confiance en moi pour ce travail. Je tiens également à le remercier
sincèrement pour m’avoir aidé, malgré les incompatibilités informatiques et autres, pour la rédaction du manuscrit
et d’avoir pris de son temps précieux.
Je remercie également Antonio PIZZI, Professeur à l’ENSTIB, de m’avoir également apporté son appui pour
l’autre face de la recherche.
Je remercie Jean Michel LEBAN, Directeur de recherche de l’INRA à CHAMPENOU, d’avoir accepté d’être le
Président du Jury et d’être particulièrement ouvert sur les travaux réalisés.
Je remercie Robert LE ROY, HDR et Chargé de recherches de l’unité de recherche NAVIER au LCPC, d’avoir
rapporté mon mémoire de thèse, de ses remarques pertinentes et judicieuses, et d’être indulgent pour la manière
dont la fin de rédaction était menée.
Je remercie Patrick RACHER, HDR et Directeur R&D d’AUBRILAM à CLERMON-FERRAD NT, d’avoir aussi
accepté de rapporter mon manuscrit et d’être ouvert sur l’aspect environnemental du sujet .
Je remercie le CRITT Bois pour m’avoir accueilli et montré l’aspect industriel, ainsi que d’avoir financé avec le
Conseil Général des VOSGES les travaux et notamment la machine prototype. Je tiens à remercier l’ensemble du
personnel du CRITT bois, ancien et nouveau, toujours présent pour toutes mes interrogations, particulièrement
Jérémie BOUCHER, Philippe THIRIET, Stéphane OHNIMUS, Christophe VAUCOURT et Ludovic GIUDICI.
Ce travail n’aurai t jamais pu aboutir sans l’aide sincère et constante des techniciens, notamment Stéphane
AUBERT, Gislain COLLIGNON, Dominique DEHARBE, Jean-Jacques BALLAND…
Je remercie l’équipe enseignante ainsi que l’équipe administrative pour toute l’ai etd e les réponses à mes
questions et Christine FIVET pour toute sa gaiété.
Je remercie également l’ensemble des élèves doctoras nett chercheurs pour avoir su divertir quelque peu ces
années à l’ENSTIB. Je tiens particulièrem net à remercier Pascal TOUSSAINT et Iman TAVAKOLI d’avoir toujours été
là pour des discussions de tout bord et les repas, notamment le soir à l’ENSTIB. Je les cie remauerssi pour leurs
aides qu’ils m’ontap portés durant mes années de thèse. Je souhaite remercier aussi Gianluca TONDI et sa femme
Veronica, pour ces repas mémorables et ce fameux café italien, ainsi que les bons moments et les vacances (été
2008) dans les pays de la Baltique : ha Riga ! J’ai eu de la chance de croiser la route de Gisèle et Rodrigo LABAT,
adorables et « heureux » de vivre à Epinal à des kilomètres du climat exceptionnel de Sao Paulo. Je souhaite
également remercier les autres pour leur aide, leur joie de vivre et leur présence tout au long de mon séjour à
l’ENSTIB : les belles doctorantes : Hong LEI, Hélisoa Mamy RAPHIDIARISON, Julia BESSIERE, Pantea OMRANI, Paola
Remerciements|i NAVARETTE et les doctorants : Gilles HECTOR, Hamid Resa MANSOURI, César CEGOVIA, Rami ABDALLA… Je
souhaite remercier de tout cœur Jérôme LEMONON pour m’avoir ouvert les portes du montage vidéo et de la
réalisation de films, même moins de 8 heures avant la soutenance , et Xavier Duret qui lui, m’a ouvert les portes
du monde de l’animation avec notamment Blender et du partage de la connaissance et de la culture sur le web,
merci.
Je remercie Guanben DU, Professeur de Hong LEI en Chine, d’être ouvert et très simple à côtoyer, et d’avoir
partager tant de choses.
Je tiens à remercier Carmen CRISTESCU, inventrice du procédé du contreplaqué sans colle, d’avoir partagé
énormément et de m’avoir présenté ce pocédé
Je remercie mes amis de la promotion 2005, Christelle GANNE-CHEDEVILLE, Alexandre ROUGIER, Guillaume
SIMONIN, mes anciens colocataires Sébastien MORIN et Pierre PILLOT. Je tiens à remercier chaleureusement Yoann
QUELLIEN (Responsable informatique chez CADWORK) pour ses connaissances et son aide sans faille tout au long
de mes années à l’ENSTIB (et après… ).
J’en profite pour remercier la société CADWORK, pour le laptop qui m’a permis de travailler efficacement et
presque sans limite.
Je remercie les étudiantes Sandra BARTHES et Marion LEMERCIER pour avoir réalisé la magnifique chaise Zig
Zag de l’architecte RIETVELD en tourillons av ela c technologie du soudage du bois, j’ai eu beaucoup de plaisir à
codiriger votre projet de fin d’étud s e (2008).
Je remercie les étudiants Lionel LEBRAS et Guillaume MENIER (« TigerWood ») pour avoir conçu et réalisé le
plancher à lames croisées en utilisant la technologie du soudage du bois avec les tourillons. Merci d’avoir soudé
environ 4900 tourillons sur 175 planches et d’avoir passé 51h pour la fabrication. J’ai également eu beaucoup de
plaisir à codiriger votre projet de fin d’étud s (2e 006).
Je remercie Charles BARTHRAM pour m’avoir aidé en fin de thèse sur la calibration de la machine et la
réalisation d’essais de dernières minutes. Merci d’avoir pris de ton temps pour suivre et améliorer mes différents
travaux. Je te remercie également pour m’avo supir porté durant les deux derniers mois avant la soutenance, je sais,
ce n’était pas facile. Je te souhaite de t’éclater dans tes travaux de thès e.
Je remercie mon ancienne colocataire de bureau, Marion NOEL d’avoir apporté un moment de gaité et de
joie dans ce « bocal ». Merci d’avoir été une oreille toujours présente pour toutes mes divagations et mes
interrogations.
Je remercie la famille Juin : Maryse, Emmanuelle, Stéphanie, productrice de produits fermiers dont le fameux
foie gras, pour les moments passés dans leur ferme en leur compagnie, pour la fiabilité des produits du terroir
cathare… Des produits qui me remettaient sur edpi lorsque les ténèbres du nord-est restaient trop longtemps.
Merci aussi pour tous les moments partagés autour des chevaux, et d’avoir été présentes à des moments clés de
ma vie.
Je remercie la famille CAMOREYT : Francis, Nicole et Guillaume pour votre présence et votre aide que se soit
pour la voiture (changement de la courroie de distribution), ou pour les questions existentielles. Merci d’avoir prêté
vos épaules et votre joie de vivre.
Je remercie ma famille, pour m’avoir soutenue, donnée de bons conseils et pour être toulàjo udrs ans les
moments difficiles et heureux. Merci Stéphan d’avoir pris du temps et être venu me soutenir.
Je souhaite remercier ma fidèle voiture, 309 Peugeot, pour m’avoir conduit sans limite, même quand tu avais
soif, durant mes années à l’ENSTIB. Vogue bien dans le paradis des automob iles.
Je remercie Wolfram Research pour leurs aides et la force du logiciel Mathematica, sans quoi, les
généralisations des modèles analytiques ne seraient qu’un doux rêv e…
Je remercie abondamment Smiley pour sa motivation et sa foi pour le partage de la connaissance et de la
culture (gigapedia, gigle, ebooksclub). Sans ce portail, bien des parties de ce mémoire ne serait pas aussi
completes.

Enfin je souhaite remercier la personne responsable de tout, mon ancien voisin, mon ancien colocataire de
bureau et mon ami… Je nomm :e Aurélien DESPRES, responsable R&D à UNILIN. Il m’ai s msur les rails de la
recherche. Il croyait en mes compétences avant même que je vois l’intérêt et l’attrait de ce domaine. C’est lui qui
ii|Remerciements m’a mis en contact avec Jean-François BOCQUET au cours de ma deuxième année d’école ingénieur à l’ENSTIB pour
une éventuelle thèse. Je te remercie, vraiment, et croit en mon amitié absolu. Tu as été la branche qui m’a permis
de me sortir du flot de l’incertitude. Je souhaite remercier sa compagne Vanessa GINI pour tout durant leurs
années à EPINAL et notamment pour les repas inoubliables et très copieux, ainsi que leurs animaux de compagnie :
le lapin, le poisson rouge Shugun. Leurs filles, Emma et Eléonore, sont également des enfants mémorables aux
sourires ensoleillés.

Je pris de m’excuser tous ceux que j’ai oublié dans ces remerciements …

Ces années à l’ENSTIB resteront gravés à jamais dans ma mémo ire.

Merci.
Remerciements|iii

PRINCIPALES NOTATIONS

Lettres ajourées
représente l’ensemble des nombres complexes.
représente un ensemble d’in tervalles, généralement associé à l’indice lui correspondant :
représente l’ensemble desn ombres entiers naturels (p.ex. : 1, 2, 3, 4… ).
représente l’ensemble des nombres réels.
représente un ensemble d’in tervalles, généralement associé à l’indice lui correspondant :
représente un ensemble d’in tervalles, généralement associé à l’indice lui correspondant :

Lettres rondes
représente le lieu où se trouve le centre d’inertie de la section de la poutre composite .
paramètre
représente l’ensemble des éléments constituant une poutre composite.
représente un système d’équations à résoudre.
représente une fonction
représente une matrice

Lettres romaines minuscules
désigne principalement la distance du centre de gravité d’un élément à l’axe des cents d’inreertie de
la poutre
représente la largeur de l’élément considéré. Il peut être muni d’un indice qui caractérise l’élt émauenquel
il se rattache.
représente la raideur par organe des éléments lorsqu’il est muni d’un double indice. Il représente aussi la
contreflèche.
représente une longueur, principalement la position du chargement réparti.
désigne l’espacement des organes. Il peut aussi désigner les entraxes entre solives et entre entretoises.
désigne principalement la déformée maximale d’une poutre charg ée: la flèche. En indice il caractérise le
terme par rapport à la flèche, p.ex. : désigne l’abscisse de la flèche. Il peut aussi représenter la fréquence propre
des éléments, les indices indiqueront les harmoniques.
désigne la hauteur de la section considérée. Il peut être muni d’un indice caractérisant l’élément auquel il
appartient.
représente l’indice généralisé d’un élément de la poutre composit e .
représente le nombre complexe et l’indice de multiplication des produits généralisés
représente un facteur sans unité, il est généralement muni d’un double indice caractérisant l’endroit où il
est utilisé.
Principales notations|v

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