Synthèse des travaux de l’Atelier Structure d’AdivBois

Préambule

De 2016 à 2022, s'est déroulé le projet "Immeubles à Vivre Bois", projet innovant porté par ADIVbois et le CODIFAB dans le cadre de la Nouvelle France Industrielle et reposant sur des immeubles bois de moyenne et grande hauteur qui se distinguent par des solutions structurelles bois et des aménagements intérieurs faisant appel au bois.

Ce projet innovant est allé de pair avec un important travail collectif (études, benchmark, prototypages) visant à accompagner la réalisation d'immeubles démonstrateurs.

La Commission Technique d’ADIVbois a ainsi lancé un nombre conséquent de travaux dans le cadre d’ateliers thématiques (structure, incendie, acoustique, enveloppe, environnement…) et d’études afin d’accompagner la conception et la réalisation des Immeubles à Vivre Bois.

L’objectif de ces travaux était de favoriser la levée de freins technico-réglementaires et d’être partagés avec la collectivité. 

A - Synthèse des études sur l'ingénierie vibratoire

Les études de cas, menées en 2017, ont permis d’identifier plusieurs points fondamentaux à prendre en compte dans la démarche de conception d’un BBGH.

Le comportement dynamique, sismique mais aussi le confort en tête (accélération et oscillations ressenties par les usagers sous les effets dynamiques de vent), est un point critique majeur, devenant le critère dimensionnant pour de nombreux éléments structuraux. Dans le cadre des études structurelles de bâtiment de moyenne et grande hauteur, qu’il soit en bois, en béton ou en acier, le comportement dynamique de la structure doit être étudié. En effet, lorsque la hauteur des constructions augmente, ces-dernières deviennent potentiellement plus sensibles à des problématiques de mise en résonnance avec les sollicitations irrégulières du vent ou de sollicitations sismiques.

Le comportement dynamique des structures est, de façon simplifiée, gouverné par trois paramètres :

• La masse de l’ouvrage
• La rigidité de la structure vis-à-vis des sollicitations horizontales
• L’amortissement de cette même structure (ou la capacité de cette dernière à dissiper les sollicitations dynamiques)

Les deux premiers paramètres sont accessibles de façon plus ou moins immédiate à l’ingénieur :

• Pour la masse, par une étude des composants de la structure et des charges qui y sont appliquées (planchers, façades, exploitants)
• Pour la rigidité, par un calcul RDM ou une méthode approchée modélisant le schéma de reprise des efforts horizontaux de la structure. Cette étude permettra de déterminer la fréquence fondamentale de l’ouvrage.

Pour ce qui est de l’amortissement, à l’inverse des structures béton ou acier, il n’existe pas à ce jour de valeur(s) donnée(s) pour les structures bois, ou encore mixte (bois-béton – bois-acier).

Fort de ce constat et souhaitant apporter des clés et des outils aux ingénieurs pour la conception et le calcul des bâtiments de moyenne et grande hauteur en bois, ADIVbois a initié plusieurs actions concernant le comportement dynamique des structures bois, détaillées ci-dessous.

1. Essais sismique

Dans le cadre d’une opération de construction spécifique, une convention de partenariat a été signé entre ADIVbois-CODIFAB et Kaufmann & Braud.

Cette convention à un concerné des essais vibratoires et sismiques (dynamiques) sur une maquette pour une typologie de structure bois « d’exosquelette ».

L’essai sismique a été réalisé sur une maquette à l’échelle 1 : 3 représentant trois étages du système constructif de la tour.

La description détaillée de l'élément testé, les modalités d'essai et les résultats des mesures effectuées pendant l'essai sont donnés dans la publication d’ADIVBois.

Cet essai a permis d’obtenir des coefficients d'amortissement structurel nécessaire aux calculs dynamiques d'un BBGH.

2. Etude de benchmarking sur l'amortissement des bâtiments bois de grande hauteur

L’étude menée a été décomposée en trois phases distinctes :

• Benchmarking sur l’amortissement :
  • Analyse des normes et règlementations en vigueur, en France et à l’étranger, traitant de la problématique du confort vis-à-vis des sollicitations dynamiques du vent ;
  • Benchmarking des valeurs d’amortissement mesurées sur un ensemble de 26 ouvrages bois.
• Analyse et discussion sur le critère de confort des usagers d’un bâtiment ;
• Étude de cas formant exemple d’application de la justification au confort en tête d’un bâtiment.

À l’issu de cette étude, plusieurs constats et recommandations en ont été tirés :

• L’Eurocode en l’état permet l’étude du confort en tête de bâtiment de grande hauteur uniquement dans le cas d’un bâtiment donc le mode fondamental est un mode de flexion pure. Dans le cas d’un mode fondamental en torsion, des études sortant du cadre de l’Eurocode sont nécessaires (essai en soufflerie, physique ou virtuelle, par exemple)
• Le choix du coefficient d’amortissement est un paramètre essentiel dans l’étude. L’étude de benchmarking conclue sur l’usage d’un coefficient d’amortissement visqueux critique situé entre 2 et 3%.
• Le critère de confort est lui aussi un paramètre important, et les exigences des différentes normes et textes de la littérature souffre d’une grande hétérogénéité. Des critères à 15 milli-g pour des immeubles de logements et 18 à 20 milli-g pour des immeubles tertiaires, associés à des périodes de retour de 10 ans, font toutefois l’objet d’un consensus relativement admis au sein des cabinets d’ingénierie.

Face à ces conclusions nuancées et aux difficultés de la prédiction du comportement dynamique d’un bâtiment avant sa construction, le choix d’une valeur d’amortissement et d’un critère de confort associé se doivent d’être le fruit d’une discussion entre concepteur, maître d’ouvrage et contrôleur technique, basé sur une analyse des risques et de la sensibilité du projet et des usagers.

3. Mesure de la période fondamentale et de l'amortissement élastique des bâtiments bois multi-étages

Cette étude a consisté à mener des mesures in-situ sur 5 immeubles de construction bois.

À l’issue de cette étude, les constats suivants peuvent être faits :

• La méthode utilisée permet d’obtenir avec une faible dispersion la fréquence propre de l’immeuble (CV 0.46 %). La dispersion des résultats est plus importante en ce qui concerne l’amortissement (CV autour de 11 %)
• La variation de l’amortissement entre la situation chantier (avant les corps d’état architecturaux) et l’immeuble fini est faible et reste dans la tolérance de l’estimation de la valeur de l’amortissement
• Les mesures d’amortissement effectuées montrent des taux d’amortissement situés entre 1,5% et 1,7 % sous sollicitation ambiante (vitesse moyenne du vent de l’ordre de 3 à 6 m/s).
• Pour des vitesses plus importantes (vmoy 15.4 m/s) correspondant à des intensités proches des valeurs Eurocodes, l’amortissement peut être extrapolé à 2 % (extrapolation faite grâce à des études réalisées sur le bâtiment en bois de l’ESB)

Ces résultats représentent une première étape importante pour diminuer l’incertitude concernant l’amortissement des structures en bois, qui seront à compléter dans les années à venir par d’autres études à plus grande échelle.

Conclusion de cette synthèse des études sur l'ingénierie vibratoire :

L’ensemble de ces actions ont permis d’apporter des clés et des outils aux concepteurs (MOE, ingénieurs, etc.) et bureaux de contrôles pour évaluer les critères intervenant dans l’ingénierie vibratoire pour la conception, l’optimisation et la réalisation des bâtiments de moyenne et grande hauteur en bois.

 B -Synthèse des études sur les assemblages bois à forte capacité et sur le fluage en compression axiale du bois

1. Synthèse sur les assemblages bois à forte capacité

Raideur et jeux d’assemblages

Les études de cas, menées en 2017, ont permis d’identifier plusieurs points fondamentaux à prendre en compte dans la démarche de conception d’un BBGH, et l’évaluation fine de la raideur des assemblages au sein des structures en bois est un point critique qui méritait l’attention de l’atelier structures.

En effet, l’augmentation de la hauteur des immeubles bois, et le recours à des assemblages permettant le transfert d’efforts de plus en plus importants au sein des structures, font que les immeubles deviennent plus sensibles au comportement de ces dits assemblages.

Lors de la construction des immeubles de moyenne et grande hauteur, la raideur de la structure est un paramètre clé pour la bonne modélisation et la justification du projet. La prise en compte des raideurs élastiques dans les connexions entre éléments en bois est indispensable pour rendre compte du comportement global de la structure. Pour cela, l’ingénieur se doit de disposer de la valeur de la raideur des assemblages la plus précise possible.

La problématique de la raideur des assemblages est en outre une thématique bien particulière, car il n’y a pas de moyen pour l’ingénieur calculateur de « se placer du côté de la sécurité » pour mener sa conception :

• Si la raideur est sous-estimée, les déplacements sont alors certes surestimés, mais les efforts au sein des organes d’assemblages peuvent être plus importants que prévus et potentiellement entrainer des ruptures non maitrisées dans les noeuds d’assemblages
• Si la raideur est surestimée, les efforts dans les assemblages peuvent certes être inférieurs aux actions prévues, mais les déplacements calculés sont alors sous-estimés, ce qui peut entrainer des inconforts ou pire une impropriété à l’usage.

Actuellement, l’Eurocode 5 propose une méthode de calcul de la raideur de ces assemblages très approximative, peu adaptée aux configurations possibles des immeubles de grande hauteur (avec un nombre d’organes important), transmettant éventuellement des moments ou encore faisant appel à des montages moins répandus (CLT, vissage à 30° ou 45°). Ces outils ne permettent pas d’assurer le calcul avec précision et rend difficile la maitrise du comportement de ces structures bois de grande hauteur.

En conséquence, l’atelier structure a considéré nécessaire de mener des essais d’assemblages bois pour définir une méthodologie permettant de cibler une valeur de raideur la plus proche de la réalité possible, en fonction de différents paramètres tel que la nature des organes d’assemblages, la nature des pièces bois assemblées ou encore la disposition du montage dans son ensemble.

Un plan d’expérimentation a été définie, en visant à la fois à caractériser les comportements réels des assemblages, mais aussi à s’assurer de la reproductibilité des phénomènes par modélisation et extrapolation. L’objectif est bien d’outiller les calculateurs et ingénieurs de nouvelles formulations permettant de rendre compte au mieux des raideurs des assemblages pour différentes configurations que l’on retrouve dans les structures des bâtiments bois de grande hauteur. Ainsi, les essais suivants ont été menés :

• Essais de comportement locaux pour alimentation de la modélisation : essais d’arrachement de vis, de portance locale et de flexion de broche ;
• Essais de comportements d’assemblages pour validation et extrapolation : essais sur assemblage par vis, alternés ou non, essais sur assemblages par broches de 12 mm et de 16 mm, essais sur assemblages par contact direct

Pour les essais de comportements d’assemblages, les sollicitations ont en outre été poussées jusqu’à la rupture afin d’enrichir également les bases de données de recherche sur la performance des assemblages renforcés (vis de frettage perpendiculaires).

Dans le cadre de l’action de recherche, les notes de calcul précises ont été élaborées afin de confronter les résultats mesurés avec les valeurs obtenues par le calcul en application de l’Eurocode 5 partie 1-1 (tant en termes de résistance que de raideur). Une analyse a également été menée afin d’évaluer et de préciser les incidences d’une variation des tolérances admissibles sur la fabrication des assemblages bois-métal (notamment sur le jeu au sein des plaques métalliques).

Enfin, de nouvelles formulations analytiques ont été proposées afin d’obtenir les valeurs de glissement, exprimées en kN/mm et calculées en fonction de quelques paramètres clefs définissant les assemblages :

• Le nombre d’organes par file (en unité)
• Le nombre de files d’organes (en unité – nombre pair)
• L’épaisseur de bois (en mm) 
• L’épaisseur du ou des plats métalliques (en mm)
• Le diamètre des organes (en mm)
• La pince entre organes dans le sens du fil (en mm)

Les limites d’applications de cette étude doivent cependant être bien comprises :

• Les raideurs sont formulées avec l’hypothèse d’une absence de jeu dans les pièces en bois et d’un jeu de 0,6 mm au diamètre entre la tige et le plat métallique
• Les bois employés relèvent de la classe GL28h (bien que commandés en GL24h, les bois utilisés se sont révélés être plus proches dans leurs caractéristiques – densité et module d’élasticité – d’un bois classe GL28h)

Les résultats de ces essais et les analyses qui en sont tirées ne sont pas à considérer à ce stade comme normatifs, mais permettent :

• Aux concepteurs de structures en bois d’affiner leurs analyses structurelles
• Aux développeurs de logiciels de calculs de proposer de nouvelles approches sur l’évaluation des assemblages
• Au groupe de travail en charge de l’Eurocode 5 d’enrichir le corpus normatif de ces nouvelles connaissances, tant sur les raideurs d’assemblages que sur la rupture d’assemblages bois renforcés (ce travail a été soumis au WG5 en charge de la révision et mise à jour du texte) ;
• De tirer quelques grands enseignements ou de confirmer des pratiques actuelles :
  • la mobilisation de l’effet de corde dans les organes d’assemblages n’est réelle que sur des assemblages présentant un contact parfait ;
  • les vis disposées à 90° du plan de cisaillement conduisent à des raideurs faibles. Les configurations à vis inclinées permettent un gain substantiel de rigidité ;
  • les vis inclinées subissent une perte de raideur très faible sous sollicitations alternées ;
  • la raideur des assemblages augmente généralement en fonction du rapport « t/d » (t = épaisseur du bois ; d = diamètre de l’organe) ;
  • Assemblage en contact direct : comportement relativement similaire entre bois-bois, bois-acier et bois-mortier.

NB : Le document "raideur assemblage structures en bois, partie 2 assemblages par broche" (mai 2022, 890 pages)  sera mis en ligne prochainement

2. Synthèse sur le comportement au fluage - axial du bois

Fluage en compression dans le sens axial

Les études de cas, menées en 2017, ont permis d’identifier plusieurs points fondamentaux à prendre en compte dans la démarche de conception d’un BBGH, et le fluage des éléments en bois sous compression est un point critique qui méritait l’attention de l’atelier structures. En effet, l’augmentation de la hauteur des immeubles bois et le recours à des structures mixtes bois-béton, font que les immeubles deviennent plus sensibles aux déformations différées du bois (planéité des planchers, déformations différentielles de façade…).

L’Eurocode 5 permet d’anticiper les déflexions à long terme des éléments bois via un coefficient majorateur kdef. Cependant ce coefficient ne s’applique qu’aux éléments bois soumis à de la flexion simple ou flexion déviée. En revanche, et en ce qui concerne le fluage en compression axiale, l’Eurocode ne prévoit pas de méthode pour appréhender les déformations différées axiales. La seule option est d’utiliser les coefficients relatifs à la flexion, ce qui, en premier approche, semble très sécuritaire.

La déformation différée d’un élément en bois peut dépendre des facteurs suivants :

• L’évolution de l’humidité dans l’élément bois
• Le taux de contraintes
• L’essence du bois

En conséquence, et pour limiter le nombre d’échantillons à mettre en chargement, l’Atelier Structures a décidé de fixer les hypothèses de l’essai de façon à pouvoir isoler le mieux possible le fluage du bois d’autres phénomènes (reprise d’humidité et ou séchage du bois par exemple).

L’étude est réalisée dans des conditions de laboratoire qui diffèrent de la situation d’un projet réel :

• L’humidité dans l’enceinte climatique est fixée à des conditions correspondant à la classe de service 1, soit 20°C ± 2°C et 65 %HR ± 5 %HR
• La taille de l’éprouvette est limitée à 10 x 20 x 75 (hauteur) cm, limitée pour la capacité de la presse. Ces dimensions sont largement inférieures aux dimensions des poteaux prévus dans les projets BBGH
• Le taux de contraintes est fixé au 30 % de la valeur caractéristique en compression (7.2 MPa)
• Les 5 éléments bois sont en Epicéa

La durée de l’essai a été fixée à 1 an, avec des points d’étape à 3 et 6 mois. Cette déformation à 1 an a été retenue pour permettre d’extrapoler une loi de fluage à long terme.

À la suite de l’appel d’offre lancé par ADIVbois, la Plate-forme Technologique Bois- Construction du Limousin a été retenue pour réaliser cet essai. L’essai a été lancé le 20 mars 2019 avec la mise en charge des échantillons. Les éléments de mesure dans le banc d’essai étaient :

• Un capteur de force en tête des échantillons

Deux capteurs de déplacement par échantillon disposés sur deux faces opposées et espacés de 50 cm

Ces capteurs ont permis d’enregistrer les mesures de déplacement et de force tout au long de l’essai. De même, l’enceinte climatique est équipée d’un capteur d’humidité et de température pour assurer le maintien des conditions hygroscopiques.

À l’issu de cette étude, plusieurs constats et recommandations peuvent être tirés :

• Les résultats des essais montrent que l’effet de fluage, spécialement à court terme, est difficilement dissociable d’autres phénomènes comme le retrait/gonflement hydrique ou l’état des contraintes dans la section
• L’essai a été réalisé dans des conditions de laboratoire dites « idéales » ce qui ne correspond pas aux situations réelles de chantier. Dans des conditions réelles, un grand nombre de facteurs doit être pris en compte tels que la répartition des contraintes dans le poteau, l’hétérogénéité du bois dans la section, les variations d’humidité. Tous ces facteurs sont pris en compte de façon forfaitaire par l’Eurocode, mais ne peuvent pas être approchés par l’essai réalisé
• Les essais confirment l’existence d’un fluage des éléments soumis à un effort de compression axiale. En prenant en compte les alertes indiquées précédemment, le fluage des éléments comprimés en bois pourrait être inférieur aux valeurs indiquées dan l’Eurocode 5 (estimation faite lors de l’étude à kdef = 0.3)

Les résultats de cet essai ne sont pas à considérer comme normatifs. Cependant ils permettent de confirmer l’existence d’un phénomène de fluage pour les éléments en bois soumis à un effort de compression axiale et donner des pistes pour l’appréhender.

Les concepteurs doivent définir les hypothèses de fluage les plus adéquates selon les particularités de chaque projet, sur la base d’une analyse de risques et avec l’appui et le conseil des contrôleurs techniques.

Conclusion générale

L’ensemble de ces actions comprenant le benchmark, les simulations numériques et la qualification expérimentale d’assemblages, ont permis d’apporter des clés et des outils aux concepteurs (MOE, ingénieurs, etc.) et bureaux de contrôles pour la conception,
l’optimisation et la réalisation des structures en bois des bâtiments de moyenne et grande hauteur.

Le projet de filière Plan National Industrie du Bois de la Nouvelle France Industrielle (PNFI) « Immeubles à Vivre Bois » - AdivBois a démarré en 2016 pour une durée initiale de 3 ans ; prorogé 2 fois, il s’est terminé le 1^er juin 2022.

Ce projet a été cofinancé par l’Etat (via BPI France), le CODIFAB et FBF.