Les résultats du projet HoP_HoVer visent à améliorer la mise en œuvre des assemblages en bois  

Afin de renforcer davantage le secteur de la construction bois, l’UHasselt et WOOD.BE ont mis en commun leur expertise au sein de HoP_HoVer, un projet TETRA avec le soutien de VLAIO. HoP_HoVer est l’acronyme (en néerlandais) de « constructions bois hautement performantes – présentant une résistance et une rigidité élevées – grâce à la mise en œuvre de nouveaux types d’assemblages structurels ». Le projet a donc cherché à déterminer comment les assemblages structurels en bois se comportent réellement et comment ces connaissances peuvent être mises à profit plus efficacement dans la conception et la réalisation. 

Le secteur de la construction évolue rapidement, mais est en même temps confronté à d’importants défis techniques et organisationnels. L’adaptation au changement climatique, la hausse des prix des matériaux, la pénurie de main-d’œuvre qualifiée et la nécessité d’une construction circulaire mettent le secteur sous pression. Dans ce contexte, la construction bois offre des opportunités importantes. En effet, le bois est relativement facile à travailler, se prête parfaitement à la préfabrication, stocke le CO₂ et permet une construction à sec, ce qui rend la réutilisation possible. 

Malgré ces avantages, le nombre de projets de construction bois réalisés en Belgique stagne – on observe même une légère baisse. Le nombre d’entreprises actives dans la construction bois a également légèrement diminué ces dernières années. Ce constat a servi de base à l’UHasselt et à WOOD.BE pour lancer le projet HoP_HoVer, dans le cadre duquel, grâce notamment à un transfert de connaissances issues de la pratique et à un programme d’essais interne, on a étudié le comportement réel des assemblages structurels en bois et la manière dont ces connaissances peuvent être mises à profit plus efficacement dans la conception et la réalisation. 

Objectifs 

Dans le cadre de HoP_HoVer, l’accent a été mis sur les propriétés structurelles du bois. Celles-ci constituent en effet la clé pour franchir le pas vers des constructions hautement performantes, caractérisées par des portées plus importantes, des charges plus lourdes et un caractère circulaire. Une attention particulière a été accordée aux analyses 3D intégrées des constructions bois, une pratique qui n’a pour l’instant guère fait son chemin dans le milieu des ingénieurs. 

Les connaissances issues de la recherche nationale et internationale ont été mises à l’épreuve dans la pratique, en combinaison avec les nouveaux développements en matière de moyens d’assemblage et en lien avec le nouvel Eurocode 5. D’importantes lacunes dans les connaissances ont été comblées grâce à un programme d’essais approfondi. 

En collaboration avec des constructeurs en bois, des fabricants de matériaux, des ingénieurs et des développeurs de logiciels, l’équipe du projet a sélectionné une série de types d’assemblages prometteurs, parmi lesquels des assemblages démontables à vis et à tiges filetées, des assemblages à vis, des chevilles auto-perceuses pour les assemblages bois-acier, ainsi que des assemblages par rivets et par collage à disques muraux. Cela a permis d’évaluer objectivement, tant les solutions classiques que les solutions innovantes, en termes de résistance, de rigidité, de réutilisabilité et de robustesse. 

Le programme d’essais s’est déroulé à plusieurs échelles : des éléments d’assemblage individuels et des assemblages simples aux nœuds complets, jusqu’à un dispositif expérimental à taille réelle. Les résultats obtenus à chaque niveau ont servi de base à l’étape suivante – à l’exception, bien sûr, de ceux du dispositif à taille réelle. 

Conclusions 

Un constat important est que le comportement ductile des éléments de liaison individuels, essentiel à une conception robuste, s’avère étroitement lié à la déformation plastique de ces éléments. Les résultats des essais à cet égard sont conformes à l’Eurocode 5 actuel, mais s’avèrent plus favorables que les hypothèses retenues dans la nouvelle version de la norme. Ces connaissances peuvent être directement appliquées à la modélisation de la rigidité des assemblages simples. 

La rigidité a constitué un deuxième axe de recherche important. Le nouvel Eurocode part du principe que les assemblages soumis à une charge transversale par rapport au fil sont environ 50 % moins rigides que ceux soumis à une charge parallèle au fil. Cette hypothèse semble reposer sur le comportement du bois lui-même. Des essais de cisaillement ont en effet confirmé que le bois soumis à une charge transversale par rapport au fil est effectivement environ 50 % moins rigide que le bois soumis à une charge parallèle au fil. Au niveau des assemblages, le tableau s’est toutefois révélé plus nuancé. Les essais menés dans le cadre du projet HoP_HoVer ont montré que la rigidité des assemblages soumis à une charge transversale par rapport au fil diminue certes, mais dans une moindre mesure que les 50 % prévus par le nouvel Eurocode. Cela indique qu’outre les propriétés du bois, d’autres facteurs influencent également la rigidité d’un assemblage. Par ailleurs, il est apparu que la rigidité variait davantage que la résistance. L’Eurocode 5 actuel surestime d’ailleurs plutôt la rigidité par rapport aux résultats expérimentaux du projet HoP_HoVer. Enfin, les essais ont montré que l’épaisseur des éléments assemblés avait également une grande influence sur la rigidité, alors que l’Eurocode n’en tient pas compte. 

Une remarque supplémentaire concerne à nouveau cette ductilité : si la rupture fragile (un type de rupture du matériau dans lequel une structure se brise soudainement et sans avertissement) peut être exclue, un assemblage soumis à une charge perpendiculaire peut encore développer une résistance supplémentaire importante en cas de déformation suffisante, et potentiellement même présenter une résistance supérieure à celle d’un même assemblage soumis à une charge parallèle. Cela souligne l’importance d’un bon contrôle du comportement à la fissuration, pour lequel le nouvel Eurocode 5 propose des méthodes d’évaluation supplémentaires. 

Le comportement de déformation initial des assemblages s’avère également particulièrement pertinent. Alors que l’on utilise traditionnellement surtout le module de glissement (Kser), les expériences montrent que le glissement initial (le premier petit déplacement qui se produit dès qu’un assemblage est chargé, avant même que les éléments de fixation – vis, boulons, chevilles… – ne soient réellement activés) a parfois une influence plus importante que la déformation élastique elle-même. Cette déformation initiale dépend fortement de paramètres de conception tels que les tolérances, l’ajustement (le jeu entre l’élément de fixation et le trou percé), la présence d’écrous et le type d’élément de fixation. 

Un effet similaire a été observé dans le cas des assemblages démontables. Bien que la résistance ne semble diminuer que de manière limitée après démontage et remontage dans la configuration évaluée, ce phénomène s’accompagne souvent d’une réduction considérable de la rigidité, comparable à l’effet d’un trou de perçage plus large. 

Dans le cadre du programme d’essais à plus grande échelle, le potentiel des assemblages rigides a été étudié. Il est apparu qu’une phase de déformation importante précède l’activation complète de la rigidité de l’assemblage. Dans plusieurs cas, un fendillement précoce a limité le développement du potentiel de résistance total. Par rapport au « modèle rigide » (Rigid Model), un modèle de calcul théorique supposant des assemblages entièrement rigides, et à l’Eurocode, la rigidité obtenue dans la pratique s’est à nouveau avérée inférieure. Cela souligne l’importance d’un dimensionnement prudent et d’un contrôle explicite des efforts tranchants et du comportement à la fissuration. Les chevilles auto-foreuses présentent ici un potentiel considérable, à condition d’être mises en œuvre avec soin. 

La teneur en humidité a également un impact important : l’exposition à une humidité élevée réduit la résistance d’environ 30 % et la rigidité de plus de 80 %. 

Une réalisation importante du projet a été la validation de modèles basés sur des essais à petite échelle pour des applications à plus grande échelle. Cela confirme le potentiel de la méthode « Design Assisted by Testing » (une méthode de conception dans laquelle les résultats d’essais sont directement utilisés pour dimensionner les structures) selon l’Eurocode 0 afin de mieux maîtriser les incertitudes, notamment en matière de rigidité. 

Toutes ces connaissances ont été synthétisées dans un démonstrateur expérimental à taille réelle équipé de plus de 150 capteurs. Cette structure, capable d’absorber aussi bien des charges horizontales que verticales, a permis de mettre en évidence l’influence des choix d’assemblages sur le comportement global, depuis les déformations et les rotations jusqu’aux mécanismes de rupture. Cela a notamment mis en évidence l’importance du frottement pour la répartition des forces, l’activation retardée des assemblages résistants aux moments en raison du glissement initial, ainsi que la forte influence de la rigidité mutuelle des parois. Les parois collées, par exemple, se comportent de manière nettement plus rigide que les systèmes assemblés mécaniquement. Le choix des matériaux (par exemple, OSB ou contreplaqué), les dimensions et la conception des raccords entre les éléments de plancher, de toiture et de mur s’avèrent également déterminants pour le bon fonctionnement de l’ensemble. Tous les éléments d’assemblage destinés à transmettre des forces doivent donc être adaptés aux matériaux choisis et à la conception. 

Voici un récapitulatif des principaux enseignements tirés : 

• La rigidité réelle des assemblages est généralement inférieure à celle prévue tant par l’Eurocode 5 actuel que par le nouvel Eurocode 5. 
• La rigidité présente une plus grande variabilité que la résistance. 
• Les essais à petite échelle ont une forte capacité prédictive, à condition de tenir compte des influences liées à la mise en œuvre et des tolérances. 
• Les modèles par éléments finis (modèles de calcul FEM) apportent une valeur ajoutée importante lorsque les conditions aux limites sont correctement mises en œuvre. 
• Les taux d’humidité élevés influencent notamment très fortement la rigidité. 
• Les assemblages collés offrent de grands avantages lorsque des rigidités élevées sont requises, tandis que les assemblages mécaniques excellent en termes de ductilité et de robustesse. 
• La démontabilité dépend toujours du type d’assemblage choisi et s’accompagne souvent d’une perte de rigidité. 
• Lors de la conception, la chaîne de forces complète (l’ensemble du trajet par lequel les charges sont transmises de la structure aux fondations) mérite une attention particulière : chaque assemblage entre la charge et les fondations doit être dimensionné de manière suffisamment robuste. 

Portée 

La collaboration entre WOOD.BE en tant que centre d’expertise dédié au bois, et l’UHasselt en tant que partenaire de premier plan dans le domaine de la recherche mécanique en construction bois, s’est avérée être une grande valeur ajoutée. Les connaissances acquises constituent la base de nouveaux projets de recherche et d’innovation, et HoP_HoVer a abouti à des lignes directrices applicables dans la pratique, diffusées par le biais de journées d’étude, de leur intégration dans l’enseignement et d’un large groupe d’utilisateurs. 

Plus de cinquante entreprises ont participé à ce projet. Les évaluations montrent que 62 % des participants ont acquis de nouvelles connaissances pertinentes, tandis que 19 % ont indiqué avoir tiré de très nombreux enseignements. Pour environ un tiers des entreprises, cela s’est traduit par une plus-value économique démontrable. 

HoP_HoVer démontre ainsi qu’une recherche expérimentale approfondie, associée à des lignes directrices claires et à une collaboration étroite avec le secteur, constitue un levier important pour la professionnalisation et la croissance du secteur de la construction bois. 

Un rapport de recherche n’est pas disponible pour le moment. L’UHasselt a toutefois créé un site web présentant les principales conclusions de l’étude HoP_HoVer. Celui-ci peut être consulté via ce lien (uniquement à consulter en Néérlandais).