Rigidité des connexions en bois avec des organes métalliques de type tige.

Dans la NBN EN 1995-1-1 : Eurocode 5, la rigidité des connexions est définie par le module de glissement : pour une seule connexion et par plan de cisaillement. La rigidité d'une connexion est ainsi obtenue en multipliant par le nombre de fixations et le nombre de plans de cisaillement. Cela conduit à une seule valeur linéaire pour la rigidité de l'articulation. Pour le calcul dans l'état limite ultime, le facteur est modulé à .

Dans les formules de l'EC5, deux facteurs sont pris en compte : le diamètre de la tige et la densité moyenne du bois. Selon le type d'attache, le diamètre et la densité sont portés à une certaine puissance.

Par exemple : boulons et clous pré-percés, vis : .

Le problème de l'approche actuelle de la rigidité des connexions.

Les essais montrent clairement que le comportement de déformation des connexions typiques n'est pas linéaire. et , ne laissent aucune place à une conception qui tienne compte du comportement non linéaire réel des connexions.

Par conséquent, un premier problème est que l'implication de la robustesse, par le déploiement de la ductilité, dans la conception est entravée : le module de glissement actuel ne donne aucune indication sur la capacité de déformation plastique de l'assemblage.

Deuxièmement, surtout dans le cas où les forces de rotation et de translation sont combinées, la répartition de la charge entre les connecteurs dans une connexion, est fortement influencée par le comportement non linéaire des connecteurs individuels. Les formules actuelles ne permettent pas d'estimer correctement cet aspect.

Il n'est donc pas possible de prendre en compte de manière réaliste l'influence de la rigidité des connexions sur la répartition des forces dans une (certaine) structure.

Enfin, les formules actuelles ne permettent pas d'évaluer les techniques de construction modernes avec des couches intermédiaires (par exemple, des couches de séparation acoustique).

État actuelle des connaissances

Le domaine de la rigidité des connexions est encore en développement. Pour une utilisation optimale dans la conception des structures, il est nécessaire de disposer de plus d'informations sur le comportement non linéaire. L'influence de la rigidité des connexions pouvant être aussi bien positive que négative, il est souhaitable, par exemple, de disposer d'informations sur les limites supérieures et inférieures de la rigidité en plus des valeurs moyennes.

Paramètres

Plusieurs paramètres peuvent jouer un rôle :

• Comme déjà défini dans l'Eurocode 5 :
  • Diamètre de la cheville
  • Densité du bois
• Autres paramètres non pris en compte :
  • Épaisseur des pièces en bois (liée au mode de défaillance)
  • Direction de la charge par rapport à la fibre de bois
  • Effets axiaux : l’effet de corde
  • Qualité de l'acier

Exemples de mesures

Les exemples ci-dessous sont le résultat du projet de recherche WOODLINK sur la rigidité des connexions, réalisé par WOOD.BE, et soutenu par le SPF Economie et le NBN (l'Institut belge de normalisation).

Le premier graphique est une illustration du comportement réel charge-déformation d'une connexion à clou unique entre deux éléments LVL. Il est clair que (ligne rouge), tel que défini par la norme NBN EN 1995-1-1, ne décrit pas correctement ce comportement.

Fig. 1 - Clou d'essai Ø7.6mm dans LVL 75mm : courbe complet, rigidité entre 10% et 40% (vert), (rouge)

Le graphique suivant illustre l'influence de l'épaisseur des composants du bois. Un agent d'assemblage a été sélectionné et l'épaisseur des éléments LVL varie de 15 à 75 mm, par incréments de 15 mm. Lorsque le mode de rupture passe de la rupture du bois (mode de rupture c de l'Eurocode) à la rupture de l'agent d'assemblage (mode de rupture f), une limite supérieure est atteinte en termes de résistance et de rigidité. La résistance est bien décrite dans l'Eurocode, par le biais du « European Yield Model », qui modélise les différents modes de défaillance. Mais en termes de rigidité, cet impact n'est pas pris en compte.

Fig. 2 - Impact de l'épaisseur du LVL sur la résistance et la rigidité : 15, 30, 45, 60 et 75mm

La dernière figure résume les résultats des essais en fonction de tel que défini dans EN 1995-1-1. Les valeurs indiquées pour la rigidité sont définies comme une régression linéaire de la courbe charge-déformation, entre 10% et 40% de la force maximale. Il est très clair que la différence entre le comportement réel du joint et peut augmenter très fortement à mesure que l'épaisseur du bois (c'est-à-dire l'élancement de l'agent d'assemblage) diminue. La surestimation de la rigidité est donc un réel danger.

Fig. 3 - Impact de l'épaisseur du LVL sur la rigidité : rigidité entre 10% et 40% vs (ligne verte)

Modèle alternatif

Un modèle prometteur qui peut être utilisé pour mieux évaluer la rigidité des connexions est le modèle « beam-on foundation ».

Dans cette approche, une connexion unique est modélisée comme un nombre discret d'éléments, via la modélisation par éléments finis. La réponse du bois est modélisée à l'aide de ressorts non linéaires, qui peuvent être obtenus par des essais bout à bout selon la norme NBN EN 383. Les éléments discrets de la cheville sont reliés par des ressorts rotatifs qui simulent des charnières en plastique dans la cheville. Cette donnée peut être obtenue par des essais de flexion sur l'agent d'assemblage selon la norme NBN EN 409. Les effets axiaux ne sont pas pris en compte dans ce modèle simple. Cependant, les tests montrent que cet effet peut avoir un impact significatif, notamment dans le domaine plastique. Il convient donc de poursuivre le développement de ce modèle.

Ce type de modèle permet l'évaluation de configurations de connexions plus complexes, ainsi que l'intégration de couches intermédiaires. Les premiers résultats semblent prometteurs, mais une validation et un affinement supplémentaires sont nécessaires. 

Conclusions

L'influence de la rigidité des connexions sur la conception des structures peut être d'une grande importance. Aujourd'hui, une approche conservatrice de cette influence est nécessaire. L'amélioration des modèles de rigidité actuels peut être un moyen de parvenir à une conception plus robuste et plus efficace. WOODLINK était un projet où ces relations ont été étudiées. Des recommandations finales ont été formulées pour l'élaboration de meilleurs modèles, et des normes d'essai ont été évaluées pour fournir les données nécessaires aux calculs détaillés.

Contact: robbe@wood.be