projet basic – essais de flambage sur murs

Projet BASIC – essais de flambage sur murs Prof. Dr. Daia Zwicky iTEC • HEIA-FR • HES-SO

UFPB • Assemblée d’automne • Novembre 2014

Bétons Alternatifs et Systèmes Intégrés pour la Construction • Objectives du projet

– Murs porteurs avec capacité isolante plus élevée et/ou diminution de l’énergie grise impliquée

– Résistance à la compression ≥ 7 N/mm2

– Pas de béton visible – Production en taille industrielle – Béton à prix égal ou prix inférieur à celui d’un béton

conventionnel (pour mur + isolation) – Satisfaction des critères Minergie

à Utilisation de béton de bois

Projet BASIC

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Prof. Dr. Daia Zwicky • iTEC • HEIA-FR • HES-SO 2

Béton de bois

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Sable Eau (Adjuvants) Ciment

Copeaux de bois à économiser env. 1t de gravier par m3

Gravier

1. Résistance du bois 2. Essence de bois 3. Taille des copeaux 4. Matériau organique 5. Contenu en sucres 6. Contenu / absorption en eau 7. Durabilité §4-7 à prétraitement nécessaire

Défis du béton de bois

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• Écobilan (heig-vd) – Écobilan (ACV) des bétons de bois

• 75% d’impact dû au ciment • NRE : légère augmentation auprès béton standard

– Écobilan des éléments de façade • Supérieur au bois & maçonnerie (btc) • Comparable au béton usuel (in-situ ou préfa)

– Écobilan de bâtiments complets (Minergie-ECO) • Immeuble collectif et villa individuelle à béton de bois : tout à fait compétitive !

– Énergie d’exploitation !

Autres investigations en parallèle

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• Physique du bâtiment (heig-vd) – Conductibilité thermique

• En lien avec masses volumiques des recettes développées

– Confort thermique • Béton de bois : comparable à maçonnerie btc

inférieur au béton armé supérieur au bois

Autres investigations

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Å Essais préliminaires – 8 recettes de béton de bois – Jugement «aveugle» (i.e. aucune connaissance

sur les recettes, mise à part du type de bois utilisé) • Densité • Résistance à la compression • Résistance à la traction par fendage • Module d’élasticité

Mandat à l’iTEC

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Agrégats de bois feuillu Agrégats de bois résineux Recette 1 2 3 4 5 6 7 8

Fabrication des éprouvettes

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• Évaluation empirique – Impact du type de bois (feuillu ou résineux) – Analyse de la variabilité des résultats

• Densité (humide)

– Feuillu : densité (un peu) plus élevée – COV très faible à grande fiabilité de production – Densité sèche : env. -8.5% – En général : densités plutôt élevées (ß sable)

Essais préliminaires

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Moyenne [kg/m3] 1’803 1’790 1’790 1’810 1’683 1’753 1’367 1’613 COV [%] 1.2 0.6 1.5 0.6 2.2 0.9 0.4 5.0

• Essais sur cube – 28 jours après bétonnage

– No. 7 : très faible résistance – Feuillu : résistance plus élevées (en général) – Résineux : COV plus élevé (sauf no. 7) – COV faibles (sauf no. 8) En général : résistances plutôt basses

Résistance à la compression

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Moyenne [MPa] 16.6 18.9 18.2 19.3 13.9 17.7 7.3 12.3 COV [%] 0.5 3.4 2.1 6.4 9.2 10.1 1.0 20.7

• Essai sur cylindre – 30 jours après bétonnage – Compression sur tampon à traction tangentielle

– Feuillu : résistances plus élevées – Faible variation (sauf no. 5 & 7) – COV : type de bois sans impact En général : en corrélation avec compression

Résistance à la traction par fendage

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Moyenne [MPa] 0.92 1.10 0.98 1.11 0.71 0.99 0.83 0.79 COV [%] 6.8 10.1 8.4 8.0 11.8 3.0 12.6 2.7

• Essais sur cylindre – 29 jours après bétonnage

– Grande variation (béton usuel : env. ±20%) – Feuillu : rigidités plus élevées, COV faibles – Résineux : COV de nos. 7 et 8 très grands En général : considérablement inférieur à

l’attendue

Module d’élasticité

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Agrégats de bois feuillu Agrégats de bois résineux Recette no. 1 2 3 4 5 6 7 8

Moyenne [MPa] 6’843 8’253 8’210 10’265 3’544 5’806 3’175 3’728 COV [%] 0.7 2.1 2.2 5.4 6.1 15.6 55.3 31.4

• Densité ó compression

– Plus lourd / dense à plus résistant

Corrélations entre propriétés

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• Compression ó traction

– Linéaire sauf no. 7

0

5

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25

1000 1200 1400 1600 1800 2000

Résis

tanc

e à

la c

ompr

essio

n [M

Pa]

Densité [kg/m3]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 5 10 15 20 25

Résis

tanc

e à

la t

ract

ion

[MPa

]

Résistance à la compréssion [MPa]

• Compression ó élasticité – Tendance opposée au

béton usuelle • Mais: trop peu des

résultats pour relation

• Conclusions – En général, faible variation

dans quasiment tous les propriétés

• Recettes 5, 6 et 8 ont montré des signes de ségrégation

– Bois feuillu : meilleures propriétés pour tous les caractéristiques mécaniques

• Vont aussi ensemble avec des densités nettement plus élevées

– Suite : dériver valeurs de calcul (fractile 5%) U

FPB

• As

sem

blée

d'a

utom

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Nov

. 201

4


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5 10 15 20 25

Mod

ule

d'él

astic

ité [M

Pa]

Résistance à la compréssion [MPa]

Corrélations entre propriétés

• Déterminer charge critique de flambage pour deux différents types de murs – Bancs d’essais, exécution d’essais – Evaluation des résultats – Recommandations

• Accompagné par essais sur matériaux pour dérivation des propriétés mécaniques – 2 recettes de béton de bois

Ç Essais de flambage sur murs

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Fabrication des échantillons

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Masses volumiques • R1 : 1’685 kg/m3 (COV 0.8%) • R2 : 1’780 kg/m3 (COV 1.4%)

– Augmentation en résistance : décoffrage tard – Résistance encore plus faible…

Propriétés mécaniques

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Recette Compression

à 28j Essai Compression Traction Module d’élasticité

MOY COV Age MOY COV MOY COV MOY COV R1 8.3 7.5 48 10.9 2.6 1.2 4.7 8’790 6.5 R2 13.3 2.3 53 14.3 6.5 1.5 4.8 11’220 12.2

[MPa] [%] [j] [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] [%]

• Élément b = 0.5 m dans cage stabilisateur

• Échelle nature (h = 2.74 m) • Mesures installées

– Force appliquée – Déplacement vertical – Flèches horizontales

• À différentes hauteurs – Déformations

longitudinales – Rotation des rotules

Banc d’essai et capteurs

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Illustration du comportement

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Essa

i 2.3

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Rupture

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Illustration au travers de l’essai 2.1

Force-flèche

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Recette 2 Recette 1

Force-flexion (M-N)

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Recette 1 Recette 2

• Evaluation empirique – Approche de Southwell

• Ligne de tendance • Permet dérivation de

– Charge critique de flambage Ncr,exp – Déformation initiale d0 («tolérance»)

• Faibles tolérances, résistances élevées

Charges critiques

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Recette Nu,exp = Nk,exp d0 Lk/d0 Ncr,exp MOY COV MOY COV MOY COV MOY COV

R1 600 8.8% 1.92 51 1’760 57% 696 7.2% R2 825 6.2% 0.80 36 3’705 31% 892 5.6%

[kN] [%] [mm] [%] [-] [%] [kN] [%]

• Comparaison à d’autres valeurs – Ncr,Euler : charge de flambage pour barre parfaitement

élastique sans imperfections géométriques – Ncr,exp : charge de flambage pour barre parfaitement

élastique avec imperfections – Nu,exp : charge maximale mesurée avec matériau

implicitement non-élastique – NRm : résistance de la section

Charges de flambage

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Recette Ncr,Euler Ncr,exp Nu,exp NRm R1 832 696 600 782 R2 1’062 892 825 991

• Application pratique – Résistance moyenne en essai à valeur de dimensionnement pratique

• Considérer variation statistique – Distribution normale recommandée (sécuritaire)

– Valeurs de dimensionnement recommandées • Recette 1 : env. 500 kN/m • Recette 2 : env. 1’000 kN/m

– Seulement valable pour types de mur testé ! Problématique : concept de dimensionnement + effet 2ème ordre (flambage)

Dimensionnement

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• Utilisation potentielle – Béton de bois peut entrer en compétition avec maçonnerie

et béton préfabriqué • Dimensionnement

– Influences du retrait et du fluage encore inconnues – Résistances à comparer aux pointes des charges

(car comportement fragile) • Durabilité

– Attaques biologiques : matériau basé sur ciment – Résistance à la corrosion de l’armature ?

• Commercialisation – Temps de durcissement… – Détails constructifs (connexions, ouvertures, …)

Recommandations

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• Retracement analytique du comportement expérimental – Identifier impact des effets différés (retrait, fluage) – Déterminer loi constitutive du béton de bois – Identifier applicabilité des approches existantes à faire extrapolations sur d’autres longueurs de

flambage, autres taux d’armatures etc. • Autres séries d’essai à autres âges

– Préfabrication… • Plus grand nombre des résultats disponibles à augmentation de la fiabilité

Questions ouvertes

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Merci pour votre attention Prof. Dr. Daia Zwicky iTEC • HEIA-FR • HES-SO

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