Wood in Construction – Thoughts on Probable Developments and Consequences for the Primary Processes of the Forest-Based Industry

La filière forêt-bois française est à la fois complexe et exemplaire. Elle est complexe de par des relations au temps différentes, selon que l’on soit acteur de l’amont ou de l’aval. Elle est exemplaire car elle illustre, bien mieux que d’autres, le développement durable, concept souvent galvaudé, et celui prometteur, de l’économie circulaire. C’est le marché de la construction qui pilote cet attelage improbable, attelage constitué d’arbres qui poussent lentement, et d’entreprises soumises aux règles de la mondialisation, et dont les visions prospectives s’inscrivent dans l’accélération exponentielle des processus d’innovation. Cette filière a une opportunité que d’autres n’ont pas : le caractère renouvelable de la matière ligneuse et sa capacité à répondre aux enjeux futurs de nos sociétés. Si l’équilibre entre ressource énergétique d’une part, et matière première ou matériau de construction d’autre part, est trouvé, la filière forêt-bois aura un rôle majeur à jouer dans le développement économique des pays forestiers.The French forestry and forest-based industry is both complex and exemplary. It is complex because the time frames are very different depending on whether the operator’s position is upstream or downstream in the value chain. It is exemplary because, better than many other sectors, it exemplifies sustainable development —an all too often hackneyed concept— and the promising concept of a circular economy. Heading this improbable team is the construction industry that harnesses trees, which grow slowly, to corporations governed by the rules of globalisation that plan ahead on the basis of exponential acceleration of innovation processes. This industry has an opportunity not available to others: the renewability of ligneous material and its capacity to respond to future challenges facing our societies. If the balance between wood as an energy resource on the one hand, and as a raw material for construction on the other, is struck, then the forestry and forestbased industry will have a major role to play in the economic development of forested countries

Caractérisation et modélisation du comportement au feu de poutres en bois lamellé collé

Le bois s'affinne de plus en plus dans l'ensemble des matériaux de construction, notamment gracé à de nombreuses caractéristiques spécifiques: par exemple, le bois est un très bon isolant grâce à sa faible conductivité thermique, il apporte aujourd'hui une réponse à la crise énergétique et conduit à une réduction du coût de la consommation d'énergie. Cependant, le bois est classé comme un matériel combustible, ce qui pose des questions quant à la résistance à l'incendie de structures en bois. Contrairement aux idées reçues et malgré cette classification, le bois offre une excellente résistance au feu: il est ainsi reconnu depuis longtemps que lors d'un incendie, une structure en bois perd moins rapidement sa capacité portante qu'une structure en acier ou en béton armé. Le contexte particulier de ce travail est lié à la problématique du feu appliquée aux poutres en bois lamellé collé. Actuellement, les adhésifs les plus utilisés dans l'industrie de bois lamellé collé sont: la résorcine-formaldéhyde, phénol-résorcine-fonnaldéhyde, l'urée-formaldéhyde, et la mélamine-urée-formaldéhyde. Les principaux inconvénients de ces adhésifs sont qu'ils se présentent sous la forme de deux composants (résine et durcisseur), ce qui rend leur utilisation assez délicate et que le bois doit être séché avant d'être collé, ce qui augmente le coût et le délai de fabrication. Pour répondre à ces inconvénients, d'autres solutions se présentent aujourd'hui sur le marché, comme les adhésifs polyuréthannes, qui se présentent sous fonDe d'un mono composant liquide directement applicable sur le bois et qui être utilisé sur du bois humide. Toutefois, ces colles présentent un niveau de fluage très élevé à haute température, ce qui peut conduire à des dangers importants dans un contexte d'incendie. Au cours de notre travail, nous avons caractérisé le comportement des colles polyuréthannes d'usage structurel dans une situation d'incendie en prenant comme paramètre de comparaison les deux colles les plus utilisées (phénolrésorcine-formaldéhyde et mélarnine-urée-fonnaldéhyde). Dans un premier temps, nous avons caractérisé le comportement des différentes colles soumises à de hautes températures (entre 20 et 250C). Dans une seconde étape, nous avons établi le comportement au feu du bois lamellé collé avec ces différents adhésifs: pour ce faire, nous avons choisi de réaliser des essais avec des panneaux rayonnants en conservant un flux de chaleur constant (15, 25, 45 et 60 kW/m2). Le principal résultat est que le type de colle n'influence pas la résistance à l'incendie de poutres en bois lamellé-collé. Enfm, dans une troisième étape, nous avons modélisé les différents phénomènes: un modèle thermique par éléments finis pennet de suivre en continu l'évolution du champ de température au sein de la poutre en bois lamellécollé soumise à un flux de chaleur. En intégrant les données de raideur et de module d'élasticité issues des essais en fluage, nous avons alors pu prédire le comportement en fluage et le temps à rupture pour une poutre en bois lamellécollé soumise à un flux de chaleur simulant un incendie. Les résultats obtenus sont conformes à ceux des essais et montrent que le type de colle n'a pas d'influence sur la résistance au feu car le charbon créé à la surface du bois est un très bon isolant qui limite la profondeur de bois chaud et ainsi la perte de résistance mécanique.Wood is increasingly being used as building rnaterial due to its specific characteristics, such as its high insulating capacity given by its low thermal conductivity. Nowadays, wood may be considered as an answer to the cUITent energy cri sis, resulting in cost reduction in energy consumption. Wood is classified as a combustible material, which makes us doubt about its structural tire resistance. However, contrarily to !bis idea and spite of its classification, wood provides an excellent tire resistance. It bas long been recognized that under a tire situation, a wood structure loses resistance more slowly than a steel or concrete structure. The particular context of this study relates to tire applied to glulam. Currently, the most used adhesives in the glulam industry are: Resorcinol-Formaldehyde, Phenol-Resorcinol-Formaldehyde, Urea-Formaldehyde, and MelamineUrea-Formaldehyde. The main problem arising from these adhesives is their two-component fonnulation (adhesive and hardening), making their usage more complicated. Moreover, wood bas to be dried before gluing, which in turn increases the costs and building time. ln order to solve these inconveniences, there are currently other solutions in the market, e.g. Polyurethane adhesives consist of only one liquid component applied directly on wood even if it is wet. However, this kind of adhesive shows a high level of creep at high temperatures, which rnay lead to a dangerous situation during a tire. ln the development of !bis thesis, we characterized the behavior of structural polyurethane adhesives under tire, considering as parameter for comparison the most used adhesives, i.e. Phenol-Resorcinol-Formaldehyde and MelamineUrea-Formaldehyde. As a first stage we characterized the different adhesives subject to high temperatures (between 30C and 250 C). As a second stage we established the tire behavior of glulams under the different studied adhesives. For !bis, we chose to perfonn tests with a radiant panel at constant flow (15, 25, 45 and 60 kW/m2). The main result was that the kind of adhesive used in glulams bas no influence on tire resistance. The final stage of fuis study consisted on modeling the different occurring phenomena: A thermal model through a finite element allowed to follow-up in time the temperature distribution in the glulam transversal section subject to a heat flow. By integrating the stiffness database and the elasticity modulus resulting from the creep tests, we have been able to predict the creep behavior and failure time for a glulam subject to a temperature flow that simulates a tire. The results agree with the tests and show that the kind of adhesive bas no influence on tire resistance as the char layer that forms in the glulam surface is a good insulator that limits the depth of the wood darnaged by temperature and thus, its loss of mechanical resistance.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Timber as a building material

Ce texte correspond à la présentation du 8 octobre 1999 dans les locaux de l'ENGREF de Nancy et dans le cadre de la manifestation "Le bois : essence de l'Art" à l'occasion de l'année de l'Ecole de Nancy (au sens de l'Art nouveau)

Contribution à l'optimisation des performances d'assemblages bois en structure (analyse de la portance dans les assemblages de type tige)

NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocNANCY1-SCD ENSTIB (881602201) / SudocSudocFranceF

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

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 ruptureThe 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 failureNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Application et modélisation du principe de la précontrainte sur des assemblages de structure bois

Dans un assemblage précontraint, des efforts sont transmis entre les pièces par mobilisation du frottement suite à l'application d'une contrainte de compression normale. L'objectif de ce travail était de transposer ce principe de transmission des efforts au matériau bois. A partir de résultats existants, une étude expérimentale préliminaire a été menée sur des chaumes de bambou. L'intérêt de cette graminée par rapport au bois est sa résistance importante en compression transversale. Pour appliquer ce principe à des avivés de bois, il a été nécessaire de les densifier par compression localisée à froid au-delà de leur limite élastique. Une caractérisation de Picea abies en compression transversale au-delà de sa limite élastique a été réalisée. Cette analyse a abouti à une loi de comportement fonction de la densité de l'éprouvette. De plus, l'influence de la densification du bois sur sa résistance en traction longitudinale a été mesurée. Il s'avère que cette résistance est constante puis chute à partir d'un taux de densification critique fonction de la masse volumique du bois. La phase de mise en place de la précontrainte dans les assemblages bois et bambou testés a été modélisée par éléments finis. L'orthotropie des matériaux a été pris en compte par la superposition d'un modèle mousse (comportement non-linéaire transversal) et d'un modèle poutre (direction longitudinale) créant une structure dont la taille des éléments ne descend pas en dessous de celle des cernes. Ce modèle structural mésoscopique a permis de simuler les phases de densification, charge, décharge de l'assemblage et d'atteindre la limite à rupture, permettant d'aller jusqu'à une démarche d'optimisation.In a pre-stressed fastener, forces are transmitted between two elements by friction which is made possible by the application of transversal compression forces. The aim of this work was to apply this principle to timber fasteners. Thanks to former results, a preliminary experimental study was done on stubbles of bamboo. This grass has a higher transversal compression resistance than wood. In order to transpose the principle of pre-stress from bamboo to timber, it was necessary to increase the compression resistance of timber. The idea proposed here is the densification of wood by localised cold compression beyond its elastic limit. Picea abies was characterized in transversal compression beyond its elastic limit. This analysis gave stress-strain curves which depend on the density of the wood. The influence of the densification on the resistance in longitudinal tension was also measured. This resistance is constant and then it decreases rapidly from a critical densification rate function of the density of the wood. The pre-stress of the tested timber and bamboo fasteners was modelled by a finite elements model. The anisotropy of the materials was taken into account by the superposition of a crushable foam model (non linear behaviour in transversal direction) and beams (longitudinal direction). This structural mesoscopic model allowed simulating the densification, the loading and unloading of the fasteners until their failure which lead to an optimization of the connectors.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Pre-stressed FRP for the in-situ strengthening of timber structures

Since 1940s, composite materials, formed by the combination of two or more distinct materials in a microscopic scale, have gained more popularity in the engineering field. Fibre Reinforced Polymers (FRP) are a relatively new class of composite materials manufactured from artificial fibres and resins, with demonstrated efficiency in the field of reinforcement and rehabilitation of structures. However, while timber has been successfully reinforced over the past few decades using various materials and reinforcing techniques, only a few of those methods have reached the commercial market. Moreover, compared to the steel, the FRP composites show a different structural behaviour and their utilisation for the in-situ external bonding has not yet been fully explored. In order to gain quantitative and qualitative knowledge on structural adhesive and fibre-reinforced polymer (FRP), suitable for in-situ post-strengthening of timber structures, the authors investigated an application method using pre-stressed carbon fibre strips. In this method the timber beam is cambered prior to the installation of the FRP lamella. This cambering is done with a in the height adjustable prop placed in the middle of the beam. The pre-stress force in the FRP is not constant. It peaks in the middle of the beam were it is mostly needed and is zero towards the ends were high stress would causes delamination. A calculation model was developed and verified. Thus, this paper reports on the latest progress made on the development of the in-situ strengthening of timber beams with pre-stressed carbon fibres