Comportement thermo-hygro-mécanique différé des feuillus : des sciences du bois à l'ingénierie

par Maximin Varnier

Thèse de doctorat en Genie civil

Sous la direction de Frédéric Dubois et de Nicolas Sauvat.

Le président du jury était Christine Delisee.

Le jury était composé de Abdelhamid Bouchaïr, Joseph Gril, Cédric Montero.

Les rapporteurs étaient Romain Rémond, Sandrine Bardet.


  • Résumé

    La conception et la vérification du dimensionnement des structures en bois, pour une utilisation en Génie Civil, est régie par la norme Européenne Eurocode 5. Elle permet de dimensionner tout élément de structure en fonction du chargement qui lui est appliqué et d’hypothèses relatives à son environnement. Coordonnée particulièrement par la filière bois des pays Nordiques, cette norme est basée sur l’emploi exclusif de résineux. Or, la France détient la plus grande forêt de feuillus d’Europe. Ces essences ont leur place dans les structures bois d’aujourd’hui en apportant, par exemple, des propriétés de durabilité naturelle. Malheureusement, ces essences ne sont pas aujourd’hui considérées dans les règles de dimensionnement.Le projet EFEUR5, financé par l’agence nationale de la recherche, a pour objectif de répondre à cette problématique en effectuant des travaux similaires à ceux déjà réalisés pour les résineux. Ainsi, les travaux présentés ont pour objectifs de comprendre et de modéliser le comportement mécanique différé des essences de feuillus français que sont le chêne, le hêtre et le peuplier. A ces trois essences, est rajouté le douglas comme essence de référence des résineux.Nous commençons l’étude par l’analyse microscopique de la structure anatomique des essences étudiées. Cette analyse a pour objectif de mettre en avant les différences entre ces quatre essences. Le comportement mécanique différé du bois étant sensible à l’humidité de celui-ci, nous devons dans un premier temps déterminer l’évolution de l’humidité dans la section d’un élément de structure. Pour cela, il est présenté dans le second chapitre un protocole expérimental innovant de détermination des propriétés de diffusion d’une éprouvette située en extérieur. L’identification des propriétés de diffusion effectuée, nous proposons une étude de sensibilité des écarts de comportement hydrique sur un élément de structure.Le comportement mécanique long terme est ensuite étudié par une approche couplée entre expérimentation et modélisation. Différents comportements mécaniques dépendant du temps et de l’humidité sont pris en compte et hiérarchisés. L’implémentation, dans un logiciel aux éléments finis, de l’évolution du champ hydrique 3D au sein d’un élément de structure, ainsi que des différents phénomènes physiques mis en jeu lors du fluage sont discutés. Par la suite, la conception de deux bancs de flexion quatre points à l’échelle métrique des poutres de feuillus et de douglas est détaillée. Les mesures réalisées sur plus d’une année permettent dans un premier temps d’identifier les principaux comportements. Dans un second temps, ces données permettent de déterminer les propriétés viscoélastiques hygro activées par analyse inverse. Ainsi une comparaison des propriétés viscoélastiques entre ces quatre essences est présentée.Enfin, dans la dernière partie, les modèles développés et validés sont mis en forme pour une approche technologique. De nouveaux abaques d’équilibre d’humidité interne sont proposés essence par essence. Une méthodologie de détermination du coefficient kdef est proposée, et permet, par une relation très simple, d’affiner sa détermination en fonction de l’environnement réel, de la section, et de l’humidité initiale.

  • Titre traduit

    Delayed thermo-hygro mechanical behavior of hardwoods : from wood sciences to engineering


  • Résumé

    The design and verification of timber structures, for use in Civil Engineering, is governed by the European standard Eurocode 5. It allows to size any structure element according to the load applied to it and assumptions about its environment. Essentially coordinated by the Nordic timber industry, this standard is based on the exclusive use of softwoods. However, French country has the largest hardwood forest in Europe. Today, these species have their place in timber structures by considering, for example, natural durability properties. Unfortunately, these species are not today considered in design rules. The EFEUR5 project, funded by the National Research Agency, aims to respond to this problem by doing work like those already carried out for softwoods. Thus, the work objectives are for understanding and modeling the long-term mechanical behavior of French hardwood species like oak, beech and poplar. In support of these species, Douglas fir is added as the conifer reference.The study starts with the anatomical structure analysis of the of the species studied. The objective of this analysis is to highlight the differences between these four species. Because the long-term mechanical behavior depends on moisture content, we must first determine the evolution of moisture in the section of a structural element. For this, it is presented in this chapter an innovative experimental protocol for determining the diffusion properties of a test tube located outdoors. The identification of the diffusion properties carried out we propose a study of the sensitivity of the water behavior differences on a structural element.The implementation of the evolution of moisture within a structure element, regardless of its geometry and environment, we present the different physical phenomena involved when creeping a structural element and their implementation in a code with finite elements. Next, we describe the completion of two four-point bending benches at the metric scale of hardwood and Douglas-fir beams. The instrumentation allows to analyze their deferred behavior according to their environment. In a second step, these numerical data are used to determine the hydro viscoelastic properties enabled, by inverse analysis. Thus, a comparison of the viscoelastic properties between these four species is presented.We conclude this study with a proposal for a new approach for considering the delayed mechanical behavior of structural elements. The approach consists in the determination of the long-term behavior through a reference behavior. The prediction of long-term deflection is then defined from the average humidity of the study element. This approach makes it possible to report both the geometry of the beam and its initial humidity.


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