Am elioration des performances m ecaniques des …

21eme Congres Francais de Mecanique Bordeaux, 26 au 30 aout 2013

Amelioration des performances mecaniques

des assemblages bois sur bois chevilles par preparation

des interfacesApplication a la realisation d’elements de structure

S. Girardonab, J-F. Bocquetac,P. Triboulotac

a. Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur le MAteriau Bois (LERMAB), Boulevard des Aiguillettes(Entree 5A 3o etage), BP 70239, 54506 Vandœuvre les Nancy cedex

b. Centre Regional d’Innovation et de Transferts Technologiques des industries du bois(CRITT Bois), Batiment 4, 27 rue Philippe Seguin, BP 91067, 88051 Epinal Cedex 9

c. Ecole Nationale Superieure des Technologies et Industries du Bois (ENSTIB), 27 rue Philippe

Seguin, BP 1041, 88051 Epinal Cedex 9

Resume :

Le travail de collaboration conduit a l’ENSTIB entre le LERMAB et le CRITT Bois a montre lapossibilite de produire des elements structuraux avec seulement des assemblages bois sur bois, en pro-fitant de la technologie du soudage du bois [1–7]. Les elements assembles par tourillons ne permettentpas de rivaliser face aux assemblages colles car trop souples et longs a fabriquer. C’est dans le butd’ameliorer les performances des elements reconstitues qu’une nouvelle recherche a ete lancee. La fi-nalite de ce travail vise a developper des produits optimises, industrialisables et adaptables ainsi queles outils necessaires a leur dimensionnement.

Abstract :

Collaborative work between LERMAB and CRITT Bois made in ENSTIB showed the ability to pro-duce structural member with only wood-wood connections, taking advantage of welded-through dowelstechnology [1–7]. Welding-through doweling connections can not contend with glued connections be-cause they are too flexible and slowly produced. This project aims at improving performance of rebuiltmember. The final purpose of this work is to develop industrialised, optimized and adaptable productsand their design tools.

Mots clefs : Bois ; Assemblage ; Elements reconstitues

1 Problematique

Les elements de construction en bois resineux assembles par tourillons soudes presentant l’inconvenientd’etre trop souple [7], une amelioration du comportement des assemblages bois sur bois est doncnecessaire. Cette amelioration du comportement peut etre obtenue en utilisant les importantes surfacesen contact pour transmettre la majeure partie des efforts. Les pieces rapportees (tourillons ou vis) neservant alors plus qu’a maintenir en contact ces surfaces. L’objet de l’etude est donc de caracteriseret d’optimiser ce nouveau type d’assemblage et de fournir les elements permettant d’aboutir a leurdimensionnement. En toute fin, il est prevu de montrer la diversite d’utilisation de cet assemblage.

1


2 Preparation des interfaces

2.1 Transmission des efforts par l’interface

Le point faible de l’assemblage par tourillon soude provient du fait que les efforts entre pieces netransitent que ponctuellement via les tourillons soudes. Or il est dommage de ne pas utiliser lessurfaces en contact pour reprendre des efforts, comme ceci est le cas pour les assemblages colles.Neanmoins, l’objectif demeure la fabrication de produit 100% bois, ce qui exclut de facon certaine lescolles et si possible les organes de liaison metalliques tels que les agrafes, les pointes et les vis. Detoute facon, ces derniers n’eludent pas le probleme du transfert des efforts ponctuels entre les pieces.Il pourrait etre fait usage de l’adherence entre les pieces, mais ce phenomene reste difficile a maıtriseravec le sechage du bois [8]. Finalement, un moyen simple de transferer les efforts d’une piece a uneautre est de sculpter les surfaces en contact pour que chaque piece se bloque mecaniquement l’une parrapport a l’autre. Par ce biais, le transfert des efforts est continu et les concentrations de contraintessont ainsi limitees.

Le traitement des surfaces de contact peut etre aborde de differentes manieres pour le bois. L’enlevementde matiere est le moyen le plus evident car il demande en premiere approche peu de moyen pour larealisation de profils plus ou moins complexes. Ce mode est en premier lieu retenu car il permet demettre rapidement en evidence les modes de ruine des assemblages ainsi que les parametres influencantleur resistance et leur raideur. Ce procede par enlevement de matiere demeure relativement long, ilpourra ulterieurement etre remplace par du matricage a chaud ou a froid ou de la pyrogravure. Cesprocedes plus elabores peuvent se reveler plus rapide et plus economique en production industriel.Meme si un savoir-faire existe sur ces sujets, peu de recherches sont disponibles sur ces procedes [9].Le choix du profil des rainures (cf. figure 1) est important, car il determine la direction des effortsrepris par l’assemblage. Ainsi plusieurs profils ont ete proposes et etudies, chacun pouvant repondre aune sollicitation ou une combinaison de sollicitation specifique. Comme il n’existe pas de donnees surla caracterisation en cisaillement de tels assemblages, les premieres investigations seront conduites avecun rainurage simple (cf. figure 1a), et selon le temps restant sur d’autres configurations de rainurageplus complexes. Un rainurage simple en dent de scie (cf. figure 1a) a ete choisi car il permet de limiterles amorces en rupture en cisaillement, contrairement a un rainurage en creneau.

(a) Rainures simples (b) Rainures en chevron (c) Rainures en dent de scie

Figure 1 – Exemples de configurations de rainurage des pieces a assembler

L’usinage des rainures est realise a l’aide d’un robot de type portique 6 axes [10]. Cet outil est choisipour sa precision qui peut seule permettre d’atteindre la qualite requise pour joindre les pieces. Lemaintien des elements a rainurer est obtenu grace a une table d’usinage specialement etudiee. Cettetable d’usinage a ete surfacee a l’aide du robot, pour confondre le plan de sa face superieure avec celuidu robot. Des logements ont egalement ete usines afin d’accueillir des inserts permettant d’inserer desvis permettant le maintien des pieces a usiner.

2.2 Maintien du contact a l’interface

En plus de la preparation des surfaces, il est necessaire d’ajouter un organe de liaison a l’assemblage acause de la forme du rainurage choisi (dent de scie). La pression et le faible frottement dans la liaisonconduise a l’ouverture de l’assemblage sous effort de cisaillement. Ainsi, le vissage a ete choisi, mais

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la conception de l’organe de liaison devait correspondre aux prerogatives du sujet de these, c’est-a-dire, etre rapide a mettre en œuvre et surtout ecologique. Les vis ne sont alors pas metalliques maisfabriquees a partir d’un bois dur le Robinier Faux Acacia (Robinia Pseudo Acacia). Pour augmenter larapidite d’assemblage, les percages dans les pieces a assembler en bois tendre ne sont pas taraudes. Lespercages et les vis sont coniques afin de diminuer le temps de vissage. En effet, la vis est inseree presqueentierement dans le percage et quelques tours suffisent pour leur mise en place finale. Comme pourles surfaces en contact, les vis sont usinees pour des questions de rapidite de mise en production et desouplesse de changement de geometrie (angle du cone, profondeur du filet, pas,. . .). Une comparaisonde ce mode de fermeture de l’assemblage 100% bois sera realisee avec des moyens plus conventionnelscomme des pointes, des vis et des agrafes afin de situer les performances de ce mode de liaisonecologique.

2.3 AssemblageL’assemblage final (cf. figure 2) permet donc de repondre aux criteres du sujet de these en amelioranta la fois la raideur et la resistance a rupture de l’assemblage. Afin d’optimiser ce type d’assemblage,plusieurs configuration sont testees, deux types de rainurage (pas de 2.5 et 5mm avec un angle de 60°)et quatre type de vis (cone de 1 et 2° et pas de 2 et 2.5mm). Le choix des geometries d’assemblages’est effectue selon plusieurs criteres tels que les outils disponibles en standard chez les fabricants pourl’angle des rainures ou le diametre minimum des vis a l’interface des pieces pour l’angle du cone de lavis.

Figure 2 – Coupe d’un element assemble rainure visse

3 Caracterisation des assemblages

3.1 Appareillage d’essaisDeux dispositifs sont mis en œuvre afin de tester facilement les composants des assemblages (cf.figure 3). Un montage d’essais a ete concu pour caracteriser le comportement en cisaillement del’interface. Il permet de controler la pression exercee sur l’assemblage grace a des ressorts calibreslorsqu’il est sollicite en cisaillement (cf. figure 3a). Il permet a la fois de determiner l’effort necessairepour empecher l’ouverture de l’assemblage ainsi que la raideur en cisaillement de l’assemblage. L’autremontage d’essais (cf. figure 3b) permet de mesurer la capacite a l’arrachement des vis. Ce montagepermet d’evaluer correctement l’effort repris par la vis en evitant d’avoir des efforts parasites lorsqueles axes de la partie haute et basse ne sont pas parfaitement alignes. Ces experimentations permettrontde caracteriser les parametres des liaisons en integrant la variabilite et les effets locaux du bois. Eneffet, cette approche du comportement de l’assemblage permet d’eviter de faire des caracterisationstrop fines au niveau des contacts d’interface et des caracteristiques des materiaux peu evidentes aobtenir et a retranscrire dans des modelisations.

Afin de controler le processus de vissage par auto-taraudage de la vis et du rainurage en fonctionne-ment, les eprouvettes sont scannees par tomographie aux rayons X avant et apres essai (cf. figure 4).Cette operation permet egalement de verifier la bonne penetration du filet de la vis dans la piece.

3.2 Campagne d’essaisUne population d’au moins 40 eprouvettes est affectee a chaque configuration d’essais afin d’etrestatistiquement representatif. Les elements constitutifs des eprouvettes ont ete peses puis appareilles

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(a) Montage de cisaillement (b) Montage de traction

Figure 3 – Montages d’essais pour la caracterisation des assemblages

avec des elements de masse proche et enfin les eprouvettes obtenues ont ete divisees afin de constituerdes populations semblables d’une configuration a l’autre. Ceci afin d’eviter au maximum les biaispouvant provenir des differences de masse volumique au sein du meme lot de bois. Les essais sontrealises a l’aide d’une machine universelle Instron modele 4206 d’une precision de 50N qui permetd’appliquer un deplacement a vitesse constante. Le glissement de l’interface est mesure par videometrie(Videometric VDM Grabber et VDM Analyser) a l’aide de cibles collees sur les eprouvettes (cf. figure3). La mesure du deplacement relatif est precise a 30µm. La figure 6a presente un exemple de courbeobtenue lors d’un essai de cisaillement de rainure d’un pas de 2, 5mm.

La loi de comportement representative de l’assemblage est determinee en ajustant une fonction conti-nue sur chacune des courbes d’essais puis en calculant la moyenne de ces fonctions. Ces fonctionsajustees permettent egalement de calculer plus facilement des valeurs caracteristiques telles que l’effortmaximum atteint ou la raideur elastique initiale. Ces valeurs caracteristiques sont analysees statistique-ment via l’environnement de developpement Rkward basee sur le langage R [11]. Cette analyse permetde mettre en evidence les correlations entre les differentes configurations et les resultats obtenus.

4 Modelisation et outils de dimensionnement

4.1 Modele aux elements finis

Une fois la caracterisation des assemblages realisee, les lois de comportement des assemblages sontintroduites dans un modele aux elements finis afin de rendre compte de la fleche et des efforts in-ternes des elements de structure pouvant etre realises. Un programme parametrique a ete developpepour faciliter le calcul des differents cas de figures, comme le choix du nombre d’elements assembles,la hauteur, la largeur, le module d’elasticite des elements, etc. Il a ete retenu d’utiliser le logicieldeveloppe par le Departement de Mecanique et de Technologie (DMT) du Commissariat francais a

l’Energie Atomique (CEA) : Cast3M [12]. L’element de structure fabricante rapidement pour testerdifferentes configurations est une poutre ajouree (cf. figure 5a), elle est facilement modelisable a l’aide

Figure 4 – Tomographie aux rayons X d’une eprouvette apres essais

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du programme realise (cf. figure 5b).

(a) Poutre ajouree (b) Maillage d’une poutre ajouree

Figure 5 – Poutre ajouree et modele associe (vue partielle de profil)

Le modele du bois a un comportement elastique orthotrope et celui des assemblages un comportementnon lineaire correspondant au type de comportement mesure.

Le programme permet d’obtenir un comportement non lineaire de la poutre reconstituee (cf. figure 6b).Les resultats issus du modele aux elements finis sont compares aux resultats d’essais afin d’evaluer lajustesse du modele. Apres calcul, les parametres de modelisation de l’interface pour une modelisationanalytique peuvent etre determines pour n’importe quelle configuration de poutre.

1 2 3

2

4

6

8

Deplacement (mm)

Eff

ort

app

liqu

e(kN

)

0 50 1000

5

10

15

Fleche a mi-portee (mm)

Eff

ort

app

liqu

e(kN

)

Figure 6 – (a) Courbe d’essai en cisaillement (b) Courbe modele poutre en flexion 3 points

4.2 Modele analytique

Le modele aux elements finis est tres chronophage, une solution alternative a ete mise en œuvre pourpredire le comportement des elements de construction. Afin de pouvoir conduire le dimensionnementpratique d’elements assembles avec le nouveau type d’assemblage, un modele analytique s’appuyant surles travaux de Kreuzinger [13] a ete mis en œuvre sous le logiciel de calcul formel Mathematica [14].Il permet de calculer tres rapidement n’importe quelles configurations de poutres isostatiques surdeux appuis. L’inconvenient est que ce modele ne permet que des calculs en deformation elastique orle comportement des assemblages est non lineaire. C’est d’ailleurs le comportement des assemblagesqui conferent aux elements assembles leur comportement non lineaire. Le programme developpe sousMathematica a donc ete cree pour determiner des raideurs equivalentes entre le modele elements finiset le modele analytique. L’ajustement des valeurs s’effectue en prenant la meme valeur de raideurd’assemblage pour tous les plans de cisaillement entre pieces afin d’obtenir la fleche a un effort donne.Le calage se fait en determinant les efforts appliques pour atteindre les etats limites ultimes et les etatslimites de service selon les Eurocodes 5 [15]. Ces raideurs equivalentes sont analysees afin de mesurerleur degre de correlation avec les differentes configurations des assemblages, pour en deduire une loide comportement parametrique.

5 Conclusions

Les resultats obtenus precedemment permettent de trouver la meilleure combinaison vis-rainurage.Des elements de structure sont realisables (cf. figure 7) a partir de ce type d’assemblage. Il est prevude pousser le developpement de parois reconstituees a partir de bois massif de pays (mur, plancher,

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toiture. . .). Ce choix est guide par la demande insistante par le marche de developpement de ceselements de base pour des constructions durables et ecologique.

Poutre reconstitueeParoi

Dalle prefabriquee

Paroi massivereconstituee

Figure 7 – Exemples d’elements de construction realisables

References

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