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Détermination de la rigité au cisaillement et de la résistance au cisaillement des poutres

Dernière mise à jour : 9 déc. 2023




Projet WHFF : 2019.10

Auteurs : Ernst Gehri ( ETH Zürich), Pedro Palma & René Steiger (Empa) ainsi que Thomas Strahm (neue Holzbau AG)


La courte vidéo du projet sur Youtube peut être regardée en cliquant sur le lien suivant (disponible uniquement en allemand) : https://youtu.be/q2eJPn3biCY



L'essentiel en bref

  • Des méthodes d'essai pour la détermination expérimentale de la rigidité et de la résistance au cisaillement de poutres (en particulier en bois de feuillus) ont été examinées.

  • Des essais de flexion en 3 points sur des poutres en bois massif d'épicéa de la classe de résistance GL 32c avec des hauteurs de poutres de 480, 600 et 800 mm ont permis de déterminer des valeurs moyennes de résistance au cisaillement ou de module de cisaillement de 4,1 N/mm2 et 600 N/mm2.

  • Les quelques essais préliminaires effectués sur une poutre en hêtre de 400, 500, 600 et 700 mm de hauteur de la classe de résistance GL 48c ont permis de déterminer des valeurs moyennes de la résistance au cisaillement ou du module de cisaillement de 9 N/mm2 ou 1000 - 1100 N/mm2.

  • Les essais de flexion à 3 et 4 points sur des poutres en bois de frêne des classes de résistance GL 40c, GL 48c et GL 48c "spécial" ont donné des valeurs moyennes de résistance au cisaillement fv,mean ou de module de cisaillement Gmean de 10 à 12 N/mm2 ou de 1120 à 1160 N/mm2.

  • Pour la pratique de la construction, il est généralement suffisant de prouver que les valeurs de produit définies sont remplies ou que les valeurs d'essai sont supérieures à ces exigences. Pour cela, la configuration d'essai de flexion en 3 points, plus simple, est suffisante.


Description du projet

Dans la pratique, le bois est très souvent utilisé sous forme de poutres de flexion en bois massif ou en bois lamellé-collé (BLC) dans les structures porteuses en bois. Les ingénieurs doivent démontrer dans les calculs statiques qu'une poutre de flexion répond aux exigences des normes de construction en matière de sécurité structurale et de capacité de service.

Cela comprend entre autres la vérification d'une résistance à la flexion et au cisaillement suffisante et un calcul de la flèche attendue ainsi qu'une comparaison de cette valeur avec des valeurs limites prédéfinies.


Les propriétés mécaniques centrales dans les vérifications mentionnées sont, outre la résistance à la flexion fm et le module d'élasticité en flexion Em, la résistance au cisaillement fv et le module de cisaillement G. Ces valeurs doivent être déterminées pour les produits en bois utilisés dans la pratique de la construction selon les prescriptions des normes d'essai. Alors que la détermination expérimentale de la résistance à la flexion et du module d'élasticité en flexion peut être effectuée de manière relativement simple à l'aide d'un essai de flexion en 4 points, il est nettement plus difficile de déterminer une valeur pour la résistance au cisaillement et le module d'élasticité en cisaillement adaptée à la pratique de la construction et à la normalisation.


Dans ce projet de recherche, il s'agissait donc d'étudier des méthodes d'essai pour la détermination expérimentale de la rigidité au cisaillement et de la résistance au cisaillement de poutres (en particulier en BSH de bois feuillu) pour deux domaines d'application, les suivants :


  1. pour la recherche, où il est important que les essais ne produisent pratiquement que des ruptures de cisaillement et où il est possible de réaliser des configurations de test complexes et d'utiliser des méthodes de mesure avancées (par ex. mesures de corrélation d'images) ; et

  2. pour l'entreprise de production BSH, où il est important d'opérer avec des configurations d'essai ainsi que des méthodes de mesure et d'évaluation simples et peu coûteuses et où la vérification des propriétés déclarées du produit BSH est au premier plan lors du contrôle de qualité dans le cadre du contrôle initial (et, si indiqué, dans le cadre du contrôle de production en usine).


De plus, des connaissances plus précises sur l'influence de la taille des éléments de construction sur la résistance au cisaillement (influence des dimensions de la section, influence des dimensions géométriques de la configuration d'essai) de poutres en bois lamellé-collé en bois de conifères (épicéa) et en bois de feuillus (hêtre et surtout frêne) devaient être élaborées et des relations valables pour la pratique de la construction devaient en être déduites pour saisir l'influence de la taille sur la résistance au cisaillement.


Conclusions

Les résultats des travaux de recherche effectués peuvent être résumés comme suit :

Des essais de flexion en 3 points sur des poutres en bois massif d'épicéa de la classe de résistance GL 32c avec des hauteurs de poutre de 480, 600 et 800 mm ont permis de déterminer des valeurs moyennes de résistance au cisaillement ou de module de cisaillement de 4,1 N/mm2 et 600 N/mm2. La dépendance de la résistance au cisaillement (contrainte de cisaillement à l'endroit de la rupture par cisaillement) par rapport à la hauteur de la poutre peut être décrite, en partant d'une hauteur de poutre de référence de 600 mm, par la fonction fv = 4.0⋅(600/h)0,76.


Les valeurs moyennes de la résistance au cisaillement ou du module de cisaillement de 9 N/mm2 ou de 1000 - 1100 N/mm2 ont été déterminées à partir des quelques essais préliminaires réalisés sur une poutre en hêtre et en bois massif de 400, 500, 600 et 700 mm de hauteur de la classe de résistance GL 48c. La dépendance de la résistance au cisaillement (contrainte de cisaillement à l'endroit de la rupture par cisaillement) par rapport à la hauteur de la poutre peut être décrite par une fonction de la forme fv = constante-h-0,40.


L'essentiel des analyses a consisté en des essais de flexion en 3 points et en 4 points sur des poutres en bois massif de frêne des classes de résistance GL 40c, GL 48c et GL 48c "spécial", ces dernières avec respectivement 3 lamelles de la classe de résistance T50 sans joints d'aboutage du côté de la flexion, afin d'éviter que les poutres ne cèdent en flexion avant qu'une rupture par cisaillement ne se produise.


Sur la base des essais, les valeurs moyennes de la résistance au cisaillement fv,mean et du module de cisaillement Gmean sont respectivement de 10 à 12 N/mm2 et de 1120 à 1160 N/mm2. La dépendance de la résistance au cisaillement par rapport à la hauteur de poutre h peut être décrite, en partant d'une hauteur de poutre de référence de 600 mm et en se basant sur les résultats des essais de flexion en 4 points, par une fonction de la formefv = constante-(600/h)0,35.

A partir des essais de flexion en 3 points, la relation fv = constante-(600/h)0.20 a été établie. Ces résultats de recherche sur le BLC de frêne ont été mis en pratique dans le cadre de la publication Lignatec 33/2021 "Produits collés en bois feuillus pour une utilisation statique".


Dans le Lignatec 33/2021, la valeur moyenne du module de cisaillement du BSH en frêne est indiquée avec Gmean = 1000 N/mm2 et la résistance au cisaillement, se situant du côté de la sécurité, avec une valeur de calcul de fv,d = 3.2 N/mm2. La fonction de correction pour saisir l'influence de la taille de l'élément sur la résistance au cisaillement a été indiquée dans le Lignatec 33/2021 sous la forme fv = constante-(600/h)0.25. L'élément décisif pour tous les essais de cisaillement sur les poutres en bois lamellé-collé est de garantir une introduction des forces correspondant le plus possible au flux de cisaillement. Cela n'est pas possible, ou seulement pour de petites tailles de poutres (et pour les poutres en bois d'épicéa), si l'on applique les forces exclusivement par pression transversale dans le bois.


L'introduction des forces élevées nécessaires à la création de ruptures par cisaillement dans le BSH en bois de feuillus n'est pratiquement réalisable qu'avec des tiges filetées collées, en raison de la résistance au cisaillement plus élevée du BSH en bois de feuillus. Les essais réalisés dans le cadre du présent projet de recherche ont permis de démontrer qu'il est possible d'introduire les forces élevées nécessaires dans les éprouvettes en renforçant les zones d'introduction des forces dans la zone d'application des charges et des appuis au moyen de tiges filetées collées système GSA®, complétées au cas par cas par des vis à filetage complet vissées dans des trous préforés.


Afin d'étudier l'influence du rapport entre la longueur de la zone de cisaillement et la hauteur de la poutre α = Lv/h, ou de déterminer la valeur α optimale correspondante, des essais ont été réalisés dans le présent projet de recherche sur des poutres avec différentes valeurs de α comprises entre 1,11 et 2,5. Comme les essais le confirment à nouveau, il est recommandé, pour déterminer la résistance au cisaillement, d'utiliser une configuration d'essai de base normalisée sous la forme d'un essai de flexion en 3 points avec un rapport entre la longueur de la zone de cisaillement et la hauteur de la poutre de α = 1.6 - 1.8, afin d'éviter les ruptures en flexion et d'obtenir une répartition des contraintes de cisaillement aussi pure que possible dans la zone de cisaillement. Pour cette plage de valeurs de α, les essais de flexion en 3 ou 4 points ont également donné des modules de cisaillement similaires.


Pour la pratique de la construction, il suffit généralement de prouver que les valeurs définies pour le produit sont respectées ou que les valeurs d'essai sont supérieures à ces exigences. La configuration d'essai de flexion 3 points, plus simple, est suffisante à cet effet. Cette configuration d'essai ne permet toutefois pas d'obtenir un aperçu approfondi du comportement au cisaillement. Pour cela, la configuration d'essai de flexion alternative à 4 points utilisée dans ce projet s'impose. Elle est certes plus coûteuse, mais elle permet de générer des contraintes de cisaillement plus élevées et de tester des champs de cisaillement plus longs pour des forces requises de même ampleur. Par rapport aux essais de flexion en 3 points, ce type d'essai permet de doubler la longueur du champ pour un moment de flexion et une force transversale identiques. L'influence des efforts de compression transversale sur la contrainte de cisaillement peut ainsi être pratiquement éliminée.

Alors que dans la pratique du bâtiment, l'accent est mis sur le contrôle ou la vérification d'une propriété spécifiée ou déclarée d'un matériau de construction, ce qui signifie de facto une valeur de système liée à une procédure réglementée (essais, dimensions, évaluation), dans la recherche, le comportement au cisaillement des poutres en lamellé-collé doit être enregistré de la manière la plus holistique possible.


Rapport complet à télécharger :

2019.10 SB Steiger_Schub von Trägern aus insb. Lbh-BSH 2021
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Download PDF • 7.36MB

Vous trouverez plus d'informations sur le projet sur ARAMIS.



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