LE BOIS DANS LA CONSTRUCTION

Contacts : Sabine Caré, Arthur Lebée, Cyril Douthe

L’équipe MSA a inscrit dans ses recherches le matériau bois comme matériau alternatif pour la construction en réalisant des études sur le matériau bois ou sur des produits reconstitués, sur des éléments de structures, ainsi que sur des systèmes de construction. Sur la base d’essais à différentes échelles avec des programmes expérimentaux adaptés, du développement de modélisations avancées, ainsi que de systèmes de construction évolués, l’équipe a développé une expertise sur la construction en bois passée, actuelle et future.
Les différents axes abordés dans cette thématique se déclinent à différentes échelles et selon différentes approches. Les travaux sont réalisés avec des collaborations internes au laboratoire Navier, des partenaires académiques mais aussi avec des entreprises.

Le bois dans son environnement

Contact : Sabine Caré
Collaborations : Laboratoire Navier (Equipes MSA, ME, RMP), CSTB Champs-sur-Marne, LRMH Champs sur Marne, I2M Bordeaux, LMGC Montpellier, ENSA Paris Malaquais…

Le travail réalisé au niveau de la problématique « le bois dans son environnement » concerne plus spécifiquement les effets des couplages « thermo-hygro-mécaniques » dans l’évaluation des performances du matériau bois et des structures en bois. La problématique de l’évolution et de la stabilité des propriétés d’usage du bois au cours du temps, en conditions variables de température et d’humidité constitue un enjeu pour la construction bois. Dans ce contexte, il s’agit en particulier de répondre à une demande sociétale, d’apporter aux professionnels des solutions innovantes ou durables, mais aussi de répondre à des questions de recherche plus fondamentales. Le travail réalisé actuellement se décline autour de trois axes à différentes échelles et pour différents matériaux à base de bois.

Axe 1 : Propriétés hygro-mécaniques du bois

Dans cet axe, nous nous intéressons plus particulièrement au comportement du bois soumis à des fluctuations des conditions environnementales (humidité relative et température) et ceci à différentes échelles structurelles du bois afin d’étudier in fine les conséquences mécaniques au niveau d’une structure en bois (axes 2 et 3).

Dans ce cadre nous abordons différents aspects : (i) dans le domaine hygroscopique du bois, nous étudions les relations entre l’eau et le bois vis-à-vis du comportement mécanique, en particulier les effets sur les déformations hydriques induites et (ii) nous nous intéressons aussi aux processus du séchage du bois en présence d’eau liquide d’un point de vue dynamique, par exemple dans le cas du bois dit « vert » (Greenwood 2018, BâtiBoisVert 2022).

Les travaux (thèses de M. Bonnet 2017, M. Zhou 2018, N. Ghanem 2022, E. Julien 2023), ont été réalisés en partie avec les techniques de RMN (équipe RMP) et par microtomographie aux rayons X (équipe ME, Synchrotron Soleil Psyché, Synchrotron Soleil Anatomix). Sur la base des résultats obtenus, nous avons développé des modèles hygromécaniques à l’échelle du VER (bois sans défaut) par EF dans le domaine hygroscopique. Des modèles tenant compte du séchage du bois vert sont en cours de développement.

Axe 2 : Dimensionnement des structures neuves en bois et durabilité

Cet axe a trait au dimensionnement de structures en bois (éléments poutre / section de poutres) dans leur environnement. Les premiers travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Louisa Loulou (L. Loulou 2013) dans laquelle la tenue de structures bois-béton collés a été étudiée dans le cadre de variations hydriques.

Ensuite des travaux ont été réalisés avec le CSTB pour l’étude de la ré-évalution des normes de dimensionnement de l’Eurocode 5 (structures en bois). Dans ce cadre les travaux ont porté préférentiellement sur des éléments de structures (poutres en bois lamellé-collé) : thèses de Nihal Ghanem (N. Ghamen 2022) avec l’étude des variations hydriques sur le comportement en flexion de poutres en bois lamellé collé et de Hussein Daher (H. Daher 2024) pour des éléments en bois soumis des conditions accidentelles d’incendie.

De manière générale, il s’agit de préciser l’effet des conditions hygro-thermiques sur le comportement mécanique du bois, mais aussi de développer des méthodes ‘ingénieur’ pour une meilleure évaluation de la durabilité des structures en bois.

Axe 3 : Patrimoine du « bâti bois », diagnostic, rénovation
Cet axe concerne dans un premier temps l’étude du vieillissement du bois (thèse de L. Rostom 2021, Financement I-Site Future). Les objectifs de cette thèse ont été de préciser et expliquer les phénomènes de vieillissement en jeu au niveau des constituants du bois en interaction avec l’environnement par relaxométrie RMN, mais aussi de proposer des traitements thermiques modérés qui seraient des accélérateurs du vieillissement naturel (à partir d’un état humide ou « sec ») susceptibles d’améliorer et de rendre plus « stable » au cours du temps les propriétés hygro-mécaniques du bois.
L’évaluation de la tenue mécanique du patrimoine « bâti bois », en lien avec la reconstruction de la charpente de Notre Dame de Paris NDP (essentiellement collaborations extérieures au laboratoire Navier) a aussi été analysée. Avec les groupes de travail « structure » et « bois » mis en place par le CNRS et le Ministère de la Culture (suite à l’incendie de la charpente NDP en 2019) regroupant plusieurs laboratoires en France, des avis scientifiques et techniques ont été émis à la maîtrise d’œuvre (Chantier scientifique Notre-Dame de Paris [Thibaut et al 2024]). Une étude a été aussi menée sur l’étude du séchage du bois vert de poutre de chêne pour évaluer les conséquences mécaniques, notamment au niveau des assemblages. Ce travail a été réalisé en partenariat notamment avec le LRMH (Appel à projets Amorçage de l’université Paris-Est Sup accepté en 2022, AAP BâtiBoisVert).

—————————–
Références
• Marie Bonnet (PhD 2017). Analyse multi-échelle du comportement hygromécanique du bois : Mise en évidence par relaxométrie du proton et mesures de champs volumiques de l’influence de l’hétérogénéité au sein du cerne. Matériaux. Université Paris-Est, 2017. Français. ⟨NNT : 2017PESC1042⟩. ⟨tel-01759286⟩
• Leila Rostom (PhD 2021). Vieillissement du bois par des méthodes accélérées : effets des évolutions chimiques et physiques sur les propriétés hygro-mécaniques lors de traitements modérés. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Est, 2021. Français. ⟨NNT : 2021PESC2032⟩. ⟨tel-03545434⟩
• Rostom, Leila & Courtier-Murias, Denis & Lorthioir, Cédric & Caré, Sabine. (2023). Reversible and irreversible effects of a moderate heat treatment on the moisture sorption and swelling behavior of modern and historical oak wood. Wood Science and Technology. 57. 1-20. 10.1007/s00226-023-01501-6.
• Nihal Ghanem (PhD 2022). Optimisation du dimensionnement des structures en bois en fonction de l’humidité. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. École des Ponts ParisTech, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ENPC0014⟩. ⟨tel-03968106⟩
• Hussein Daher (PhD 2024). Comportement thermo-hygro-mécanique du bois soumis à des sollicitations accodentelles d’incendie. En cours. Soutenance prévue fin 2024. https://theses.fr/s344615
• Thibaut et al (2024). Bernard Thibaut, Sabine Caré, Emmanuel Maurin. Oak beams in medieval frameworks: constraints and advantages for restoration. Journal of Cultural Heritage, 2024, SI: Notre-Dame de Paris, 65, pp.32-41. ⟨10.1016/j.culher.2022.06.007⟩. ⟨hal-03704749⟩

Panneaux en bois Lamellé-croisé

Contact : Arthur Lebée
Collaborations : Laboratoire Navier (MSA), CSTB

Les panneaux en bois lamellé croisé (Cross Laminated Timber – CLT) sont de plus en plus utilisés dans la construction comme planchers et murs porteurs. Ce type de panneaux est constitué de lames de bois alignées et empilées en plusieurs couches avec des directions orthogonales afin de former une plaque. Le dimensionnement des panneaux en CLT est très sensible à la raideur et à la résistance en cisaillement roulant GRT à court et long terme. Le cisaillement roulant est la direction de cisaillement contenue dans un plan orthogonal aux fibres du bois. La raideur dans cette direction peut être 200 fois inférieure à la raideur dans la direction longitudinale et la résistance 20 à 100 fois inférieure. Dans la plupart des autres matériaux de construction à base de bois, cette direction de sollicitation n’est pas activée. En raison de la présence de couches de bois avec des directions différentes, cette sollicitation est spécifique au CLT.

Le laboratoire Navier a entrepris des recherches expérimentales et théoriques sur cet aspect en s’intéressant à différentes sollicitations au travers de plusieurs thèses. En particulier :

• Etude de la caractérisation du fluage dans les planchers en CLT, en étudiant en particulier la raideur à long terme en cisaillement roulant (thèse C. Allemand, 2022),
• Caractérisation expérimentale de la résistance au flambement des murs porteurs en CLT (thèse A. Narcy, 2024).

—————————–
Références
• Charlotte Allemand. Caractérisation du comportement différé en cisaillement pour les panneaux en bois lamellé croisé (CLT). Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. École des Ponts ParisTech, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ENPC0017⟩. ⟨tel-03956507⟩
• Alma Narcy. Résistance au flambement de panneaux CLT avec imperfections. Caractérisation expérimentale et critères de dimensionnement. École des Ponts ParisTech, 2024. Français. https://theses.fr/s276045
• Gaspard Blondet. Modélisation avancée du comportement des panneaux de bois lamellé croisé. En cours depuis 2023. https://theses.fr/s369109.

Assemblages et Structures en bois

Contact : Cyril Douthe
Collaborations : Laboratoire Navier (MSA), , Elioth/EGIS, ENSA Paris-Est

Le passage du matériau à la structure passe par l’assemblage, que nous abordons ici de trois manières : assemblages bois-métal, assemblages bois-bois non-séquentiels et assemblages complexes robotisés.

Axe 1 : Optimisation structurelle et environnementale des structures en bois

Dans cet axe, nous examinons l’optimisation des structures en bois de grande portée, en se concentrant sur les aspects techniques et environnementaux. Dans un contexte général d’essor de la construction bois, nous étudions les typologies structurelles adaptées à ce matériau, en particulier le comportement mécanique, les méthodes de mise en œuvre et les coûts des assemblages.

En particulier, nous avons développé ce concept dans le cadre de la thèse de Koliann Mam (Cifre ENPC/Elioth, 2021). Un premier objectif a été de développer un modèle statistique permettant de prédire la raideur et la masse des assemblages par broches à partir de variables simples, facilitant l’intégration dans des modèles de calcul. L’étude a démontré comment le comportement semi-rigide des assemblages peut influencer la géométrie et la topologie optimale des structures en bois, en particulier les exosquelettes. En outre, les assemblages, qui nécessitent des procédés d’usinage complexes, jouent un rôle crucial dans le bilan économique et environnemental des structures. La thèse a proposé ainsi un cadre pour évaluer l’impact environnemental des structures en bois dès les premières phases de conception, en sélectionnant les indicateurs les plus pertinents à l’aide de méthodes d’analyse multicritères. Enfin, l’étude s’est focalisée sur l’optimisation structurelle et environnementale des structures en bois de grande portée, en analysant des modèles comme les treillis et les gridshells, et en soulignant l’importance du choix des assemblages et des matériaux

Axe 2 : Assemblages traditionnels bois-bois non-séquentiels 

Dans cet axe, nous proposons une méthode innovante pour réinterpréter les assemblages traditionnels en bois, de type tenon-mortaise, qui ont été utilisés pendant des siècles en Asie et en Europe.

En particulier, nous avons développé ce concept dans le cadre de la thèse de Julien Glath (financement I-SITE Future), Ces assemblages, fondés sur la friction, permettent des structures démontables, contrairement aux constructions traditionnelles occidentales qui nécessitent une démolition. Historiquement, leur fabrication nécessitait un savoir-faire artisanal, mais la robotique permet aujourd’hui de les produire et assembler plus efficacement. La méthode proposée repose sur des assemblages non séquentiels, où tous les éléments sont assemblés simultanément, plutôt que dans un ordre précis. Cela permet de verrouiller les éléments par leur cinématique, facilitant ainsi leur montage et démontage. Un prototype de construction illustre l’efficacité de cette approche, démontrant son potentiel pour la construction durable et flexible.

Axe 3 : Assemblages complexes robotisés

Cet axe explore l’apport de la fabrication robotisée pour la fabrication de structures en bois complexes et “free-form" (de forme libre). Un concept de « smart factory » est exploré, avec la cellule robotique à 13 degrés de liberté (DOF) de la plateforme build’in qui combine un robot mobile, un robot fixe et des stations de travail fixes. Nous développons des flux de travail informatique intégrant toutes les étapes de fabrication pour permettre des itérations rapides pendant la phase de conception préliminaire. La conception de la cellule robotique et le flux de travail de conception sont mis en œuvre dans des expériences pratiques menées dans le cadre d’ateliers intensifs. Une évaluation de la productivité est réalisée sur un pavillon de 50 m² préfabriqué à l’aide de la cellule robotique a été proposée.

—————————–
Références
• Koliann Mam. Exploration structurelle et environnementale des ouvrages en bois de grande portée. Structures. Doctorat École des Ponts ParisTech, 2021. Français. https://pastel.hal.science/tel-03572887.
• K. Mam, C. Douthe, R. Le Roy, and F. Consigny, “Shape optimization of braced frames for tall timber buildings: Influence of semi-rigid connections on design and optimization process”. Engineering Structures. vol. 216, no. April, p. 110692, 2020.
• Julien Glath. Construction-déconstruction des structures bois : vers de nouveaux concepts avec les outils robotisés. En cours depuis 2019. https://theses.fr/s234742
• Glath, Gobin, Mesnil, Mimram, Baverel, Thinking and designing reversible structures with non-sequential assemblies, Towards Radical Regeneration: Design Modelling Symposium Berlin 2022, Pages 249 – 259, 17 September 2022
• Glath, Mesnil, Mimram, Baverel, Non-sequential assembly of mortise and tenon joints, Automation in Construction, 2023, Vol 154, 104986
• R Mesnil, T Gobin, L Demont, P Margerit, N Ducoulombier, C Douthe & JF Caron, Flexible digital manufacturing of timber construction: the design and fabrication of a free-form nexorade, Volume 7, pages 193–212, (2023).