Mechanical behavior of regularly spaced Cross Laminated Timber panels : Modeling and experimental validation in ambient and fire conditions

par Lorenzo Franzoni

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Gilles Forêt.

Soutenue le 24-11-2016

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Joseph Gril.

Le jury était composé de Gilles Forêt, Reinhard Brandner, Michael Flach, Arthur Lebée, Florent Lyon.

Les rapporteurs étaient Patrice Cartraud, Hans Joachim Blass.

  • Titre traduit

    Comportement mécanique de panneaux en bois lamellé croisé régulièrement espacés. : Modélisation et validation expérimentale en condition ambiante et exposée au feu


  • Résumé

    Les panneaux en bois lamellé croisé (en anglais CLT - Cross Laminated Timber) sont des éléments de structure composés de couches en bois collées entre eleese et empilées de façon croisée. Chaque couche est composée de planches en bois juxtaposées et généralement non collées sur leur chants. Dans cette thèse, nous étudions l'influence sur le comportement mécanique des espacements entre planches des panneaux avec une approche par modélisation et expérimentation. Les panneaux CLT standard sont considérés comme des panneaux avec des espacements de très faible dimension par opposition aux panneaux avec espacements importants que nous appelons panneaux innovants. Nous modélisons dans un premier temps le comportement en flexion de panneaux standard à l'aide d'un modèle de couche homogène équivalente basée sur des hypothèses simplifiées de la mécanique d'une couche avec chants collés ou non collés. Nous observons un bon accord entre les résultats de notre modélisation et des résultats expérimentaux issus de la littérature. Des études paramétriques sont ensuite réalisés portant sur certaines propriétés des panneaux.Nous avons ensuite réalisé des essais de flexion 4-points sur des panneaux CLT standard et innovants pour quantifier l'influence des espacements sur la réponse mécanique des panneaux. Il se trouve que l'influence des effets de cisaillement transverse sur le comportement élastique et à la rupture augmente avec l'augmentation des vides dans le panneau.Afin de prendre correctement en compte les effets du cisaillement, les CLT espacés sont modélisés comme des plaques épaisses périodiques à l'aide d'un modèle de plaque d'ordre supérieur. Ce modèle a été appliqué à la géométrie des panneaux CLT espacés avec un schéma d'homogénéisation périodique. Des méthodes simplifiées existantes ont également été comparées avec les résultats des essais et le modèle de plaque. De plus, des résultats d'essais de cisaillement dans le plan des panneaux CLT standard issus de la littérature ont été comparés avec nos résultats. La raideur de flexion des CLT espacés peut être prédite avec des méthodes simples existantes, alors que seule la modélisation que nous proposons permet de prédire le comportement en cisaillement transverse et dans le plan. Finalement, des formules analytiques ont été obtenues pour prédire le comportement élastique des CLT espacés. Ces formules donnent une bonne approximation u comportement des CLT espacés et peuvent être utilisées dans le cadre d'une démarche pratique de dimensionnement.Enfin, une étude concernant l'analyse du comportement au feu des panneaux CLT standard est présentée. La comparaison entre des résultats d'essais au feu et une modélisations avancée et simplifiée a permis de proposer une possible amélioration de la méthode de dimensionnement au feu standard


  • Résumé

    Cross Laminated Timber (CLT, or crosslam) panels are engineered timber products composed of layers made of wooden lamellas placed side by side, glued on their upperand lower faces and stacked crosswise. In the present thesis, the influence of lateral spaces between lamellas of each layer on the panel’s mechanical response is investigated with modeling and tests. Both configurations of standard panels having short spaces and innovative CLT panels with large spaces are analyzed.As a first approach, the bending behavior of standard crosslam was modeled by means of an equivalent-layer model based on simplified hypotheses on mechanical properties of laterally glued or unglued layers. The good agreement of the predicted behavior with an experiment of the literature finally allowed an investigation on several CLT properties by means of parameter studies.Then, 4-points bending tests on standard and innovative CLT floors were performed in order to quantify the influence of periodic spaces on the panels' mechanical response. It appears that the influence of transverse shear effects on the elastic and failure behavior of spaced CLT increases with the increasing spaces between boards.In order to take into account transverse shear effects, spaced CLT have been modeled as periodic thick plates by means of a higher-order plate theory for laminated plates. This model has been applied to the geometry of spaced CLT with a periodic homogenization scheme. Existing simplified methods for spaced crosslam were compared as well with refined modeling and test results. Moreover, available in-plane shear tests of the literature have been compared to the modeling results. It appears that the bending behavior of spaced CLT can be predicted with simplified existing approaches, while only the more refined modeling can predict the in-plane and transverse shear behavior. Then, closed-form solutions for predicting spaced CLT elastic behavior were derived in order to encourage the application of spaced CLT panels in modern timber construction.One further study within this thesis concerns the analysis of fire-exposed standard CLT floors. The comparison between test results and both advanced and simplified modeling led to a suggestion for a possible improvement the standard fire design model


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