Modélisation tridimensionnelle d'assemblages de structure bois en tôle pliée mince par la méthode des élements finis

par Imane Tavakoli Gheynani

Thèse de doctorat en Sciences du bois et des fibres

Sous la direction de Pascal Triboulot.

Soutenue le 23-11-2011

à Nancy 1 , dans le cadre de RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement , en partenariat avec LERMAB - Laboratoire d'études et de recherches sur le matériau bois - UMR 1093 (laboratoire) .

Le président du jury était Hamid Bouchaïr.

Le jury était composé de Jean-François Bocquet, Michel Cavillon.

Les rapporteurs étaient Hans Joachim Blass, Frédéric Rouger.


  • Résumé

    L'assemblage des éléments de structures en bois de dimensions standard comme des poutres massives ou composites s'effectue très fréquemment avec des ancrages métalliques cloués. Ces éléments en tôle pliée formés à froid peuvent être mis sur le marché Européens lorsqu'un ATE est obtenu à partir des recommandations de l'ETAG 015. Le développement ainsi que la caractérisation de la résistance de ces ancrages s'effectue jusqu'à présent dans la société CULLEN Building Products par des essais longs et coûteux. En alternative à cette démarche, ce travail présente une démarche permettant de modéliser le comportement de ces assemblages par la méthode des éléments finis. En premier lieu une étude est conduite sur les types d'aciers utilisés et sur l'influence de la phase de formage sur la résistance de l'ancrage. Il est alors montré qu'il n'est pas nécessaire d'intégrer l'état d'écrouissage produit par le pliage et que la modélisation peut débuter à partir de la géométrie finale à l'aide d'éléments coques. En second lieu une modélisation simplifiée du comportement des pointes est proposée. Les paramètres nécessaires à sa mise en oeuvre sont identifiés. Le modèle est mis en oeuvre pour simuler le comportement d'un assemblage tôle sur bois à une seule pointe. Les résultats sont confrontés à des résultats expérimentaux. La modélisation de l'ancrage étant forcément tridimensionnelle, une modélisation non linéaire du bois 3D est proposée en idéalisant le bois comme une structure. Cette structure est composée de cube de mousse (crushable foam) associé à des poutres élasto plastique qui donne à cet édifice son caractère fortement orthotrope. Ce modèle structurale du bois est mis en oeuvre pour modéliser le cisaillement de barreaux de bois, de la compression transversale sur appuis de poutre, des essais d'enfoncement de broches et un assemblage traditionnel par embrèvement. Ces modélisations permettent de montrer les capacités du modèle à décrire les comportements et de définir ses limites. Dans une dernière partie, l'ancrage, les pointes et le bois sont rassemblés pour constitué trois modèles d'ancrages caractéristiques les plus complexes de la production CULLEN. Les résultats obtenus sont confrontés à des résultats expérimentaux conduits en laboratoire. Enfin les modélisations sont utilisés pour expliquer le comportement interne des ancrages au cours du chargement jusqu'à l'atteinte de la rupture

  • Titre traduit

    Three-dimensional modeling of wood structural assemblies folded thin sheet by finite element method


  • Résumé

    The assembly of various elements of timber structures of standard dimensions such as timber beams or composite beams is often achieved by nailed steel connectors. These folded steel elements obtained by cold forming can be launched on the European market once an ETA is delivered regarding the recommendations of the ETAG 015. Up to now, the development and the characterisation of the strength of these connectors have been done within the company: CULLEN Building Products by lengthy and costly experimental tests. As an alternative to this procedure, this work presents an approach which enables modelling the behaviour of these connections by the finite element method. In the first place the influence of the type of steel used and the forming process on the strength of these hangers was studied. It is shown that it is not necessary to take into account the hardening produced by the forming of the steel so that the modelling can be achieved from the final geometry by shell elements. Secondly a simplified model of the behaviour of the nails is proposed. The parameters necessary for its implementation are identified. The model is then used to simulate the behaviour of the connection of a steel plate to timber by a single nail. These results are then confronted with the experimental results. As the model is necessarily 3 dimensional, a 3D non linear model is proposed for the timber by considering it as a structure. This structure is composed of cubes of crushable foam which are associated with elasto-plastic beams to give this structure its highly orthotropic behaviour. This structural model of wood is implemented to model the shear of timber bars, transversal compression where beams are supported, embedment tests of steel dowels and a traditional bird's mouth assembly. These various models show the capacities of this structural model to describe timber's complex behaviours; they also define the limits of this modelling. In the last section, the hanger, the nails and the timber are assembled in order to constitute the models for three characteristic and complex hangers of CULLEN's production. The results obtained are confronted with the experimental results. Finally, the models are used to explain the internal behaviour of these hangers at various loads up to their failure


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