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Transfert thermo-hydrique dans les
assemblages bois sous incendie
A.Samaké1, Ph.Audebert2, M.Taazount3*, M.Audebert4,
A.Bouchaïr5
1 ,3,5
Institut Pascal (UMR 6602), Polytech’Clermont-ferrand, 24 avenue des
Landais, BP 206, 63174 AUBIERE, France.
2
Institut Pascal (UMR 6602), IUT de l’Allier, avenue Aristide Briand, BP 2235,
03101 MONTLUCON, France
4
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS), ENISE, 58 rue Jean
Parot, 42023 Saint Etienne cedex 2, France.
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
RÉSUMÉ. Cet article porte sur l’étude de la comparaison du comportement thermohydrique des liaisons brochées en configurations Bois-Bois (BB) et Bois-Métal-Bois (BMB)
lorsqu’elles sont soumises à une sollicitation thermique de type incendie. Pour l’étude de ces
liaisons, deux approches ont été adoptées : expérimentation et modélisation numérique. La
première a consisté à faire des essais thermiques sous incendie de type « ISO 834 », dans un
four à gaz, sur des éprouvettes de liaisons mono-tiges bois-bois et bois-métal-bois par
l’intermédiaire d’organes de type broche. Le modèle numérique par éléments finis « MEF » a
été élaboré sous le code de calcul MSC.MARC et les résultats obtenus sont en bonne
concordance avec les résultats réels. Cette étude met en évidence l’effet de la présence de
plaque métallique dans les connections bois.
ABSTRACT. This article focuses on the study of the comparison of the thermo-hydric
behaviour of the doweled connections in two configurations joint Timber-Timber (T-T) and
Timber-Steel-Timber (T-S-T) when they are subjected to a thermal load of fire type. For thus,
two approaches have been adopted: experimental and numerical modelling. The first concern
the thermal testing under fire «ISO 834» type, in a gas oven, on mono-rod Timber-Timber
and Timber-Steel-Timber specimens. Finite Element numerical Model 'FEM' has been
developed under the MSC.MARC software and the obtained results are in good agreement
with the real ones. This study highlights the effect of the presence of metal plate in the wood
connections.
MOTS-CLÉS :
incendie, bois, assemblages, flux thermique
KEY WORDS:
fire, timber, connections, thermal heat transfer
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
2
1. Introduction
Les liaisons de structures en bois sont formées d’éléments en bois assemblés les
uns avec les autres à l’aide d’organes métalliques que sont les boulons, les broches,
les pointes, etc.., formant des liaisons mécaniques, lesquelles sont renforcées parfois
par des plaques métalliques. Lorsque le bois est sollicité par de hautes températures,
des flux thermique et hydrique se manifestent et agissent sur ses caractéristiques
mécaniques et physiques, surtout en présence de plaque métallique. Le couplage de
ces flux provoque une réaction endothermique dans ces assemblages lorsque la
température est proche de 100°C. Ce phénomène a été fortement constaté lorsqu’il
s’agit d’une liaison équipée de plaques métalliques, lesquelles jouent le rôle de
barrière hydrique et l’eau s’accumule aux interfaces bois/métal [EU 03], [AUD 10],
[AUD 11]. Ainsi dans le modèle numérique, le ralentissement de la combustion a été
représenté artificiellement par un pic du coefficient de chaleur spécifique du bois,
calé sur des valeurs expérimentales, lorsque la température se situe entre 90°C et
110°C [EUR 03] [RAC 10], [ERC 10], ce qui correspond à la plage de température
où l’eau passe de l’état liquide à l’état vapeur. La compréhension du comportement
mécanique de ces assemblages nécessite donc une attention particulière, non
seulement, vis-à-vis de l’exposition au feu, mais aussi, vis-à-vis du couplage des
flux thermique et hydrique diffusés dans les liaisons.
Ce travail est dédié à l’étude expérimentale et numérique de transfert thermohydrique d’éprouvettes de liaisons bois soumis aux conditions normalisées
d’exposition au feu « ISO 834 » [EUR 04]. Il concerne 4 éprouvettes de liaisons
mono-tiges avec et sans plaques métalliques : 2 éprouvettes concernent des tiges de
diamètre 16mm (bois-bois, bois-métal-bois); et deux autres concernent les tiges de
diamètre 20mm (voir annexes). Les dimensions de ces éprouvettes respectent les
recommandations techniques des EuroCodes [EUR 04]. Ensuite une modélisation
par éléments finis des assemblages est réalisée sous le code de calcul Msc-Marc. Les
données d’entrée du modèle numérique sont estimées en prenant en compte les
recommandations des règles techniques de conception [EUR 04], [EUR 03],[KNU
75], [FRE 93], [JAN 94] et des observations expérimentales. Les résultats obtenus
sont commentés et discutés et la comparaison avec le modèle numérique est
réaliste.
2. Etude expérimentale
2.1.
Dispositif expérimental
Les essais réalisés concernent des liaisons mono-tiges bois-bois et bois-métal
représentant une partie des assemblages courants dans les structures bois. Les
éprouvettes d’assemblages bois-métal ont en plus une plaque métallique insérée
entre les éléments bois (Fig.1 & 2). Les éprouvettes sont realisées avec du bois
lamellé-collé de classe GL24h. La teneur en humidité et la masse volumique
moyennes mesurées sont d’environ 9,2% et 390 kg/m3 respectivement.
3
Transfert thermo-hydrique dans les assemblages bois sous incendie.
Figure 1. éprouvettes de bois
Figure 2. dimensions géométriques
Les dimensions géométriques sont résumées dans le tableau-1 ci-dessous, où B-B
désigne une liaison bois-bois, BMB désigne une liaison bois-métal-bois et Si désigne
le spécimen et son numéro « i ». Deux essais ont été réalisés avec des broches de
diamètre 16mm et deux autres avec 20mm. Les différents essais sont décrits dans le
tableau-1 ci-dessous.
N°
Type
S1
S2
S4
S5
BB
BMB
BB
BMB
L
(mm)
300
300
300
300
B
(mm)
155
155
210
210
H
(mm)
130
130
130
130
Lp
(mm)
260
260
Bp
(mm)
8
10
Hp
(mm)
64
64
t1
(mm)
77.5
77.5
105
105
Ø
(mm)
16
16
20
20
Tableau 1. Configurations géométriques
Les essais ont été réalisés dans un four à gaz équipé d’évacuateur automatique de
fumée (Fig.1), dont les parois interieures sont protegées par un materiau réfractaire,
de dimensions 85x90x70 cm3. Les éprouvettes sont placées à mi-hauteur et sont
posées sur des blocs céramiques réfractaires. La durée totale d’exposition au feu
pour les essais se situe entre 30 et 45 min.
Des thermocouples (voir annexes), pouvant aller jusqu’à une température de
1372°C, ont été placés pour mesurer les températures dans le four et dans les
matériaux (voir annexe). La température du four est gérée par ajustement du débit de
gaz du bruleur pour suivre au mieux la courbe d’évolution (t) (1) « ISO 834 »
(Fig.4) et le pas d’échantillonnage est de 0,03 min.
( )
(
)
(1)
est la température dans le four incendié en °C, 0 la température ambiante en
°C et désigne le temps en minutes.
Afin d’analyser le comportement thermique de la liaison, nous avons disposé
des thermocouples, en nombre de 16, pour chaque liaison. Les thermocouples TC1,
TC2, TC3 et TC4 concernent la tige d’assemblage, TC5, TC6, TC7 et TC8
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
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concernent le matériau bois, TC9, TC10, TC11 et TC12 concernent l’étude de
l’interface bois-métal et quatre autres thermocouples placés dans l’espace du four
autour de la liaison pour contrôler la température d’incendie (voir annexe).
2.2.
Carbonisation du bois
Les résultats de carbonisation obtenus montrent une carbonisation homogène de
toutes les faces exposées au feu (Fig.3). A partir de la section résiduelle des sections
de bois, on détermine par mesure la vitesse de combustion. Ainsi la vitesse moyenne
de combustion obtenue est de 0,71mm/min (Tab.2). Cette valeur est tout à fait
comparable à celle préconisée par l’EN1995-1-2 qui est égale à 0,70mm/min.
Figure 3. carbonisation du bois
Figure 4. courbe ISO 834
Les résultats de mesure sont résumés dans le tableau 2 ci-dessous, où le
coefficient n,mean désigne la vitesse de carbonisation moyenne en (mm/min), n,lat,l et
n,lat,r sont les vitesses de carbonisation latérales droite et gauche respectivement, et
n,h,t , n,h,b sont celles des faces supérieures et inférieures respectivement.
N°
t (min)
n,lat,l
n,lat,r
n,h,t
n,h,b
S1
S2
S3
S4
37
40
30
30
0,71
0,73
0,76
0,75
0,70
0,76
0,77
0,74
0,67
0,67
0,71
0,71
0,69
0,62
0,74
0,79
n,mean
0,71
Tableau 2. Vitesses de carbonisations
2.3.
Températures dans le bois proche des tiges et dans l’interface boisplaque métallique
Au voisinage du trou d’assemblage, on observe bien l’effet de transfert de
températures entre la tige de l’organe d’assemblage et la plaque métallique (Fig.5).
Transfert thermo-hydrique dans les assemblages bois sous incendie.
5
Cet effet peut s’avérer important lors d’une sollicitation mécanique d’une liaison
sous incendie. Car, il permet de créer des points faibles de rupture et favorise
l’oblongnage des trous d’assemblage.
Figure 5. échauffement de la broche et de la plaque
Les températures relevées par les thermocouples TC1, TC2, TC3 et TC4 placés
au voisinage de la tige métallique sont représentées sur les figures 7,8, où TC n-dxx,
désigne le thermocouple, « n » son numéro, « d » désigne broche, « xx » la
dimension du diamètre en mm (16 ou 20).
Sur la figure 6, on constate que les courbes des températures sont en bonne
concordance avec l’emplacement des thermocouples car les TC2 (TC3) sont plus
protégés par le bois et les courbes des températures des TC4 (TC1) sont supérieures
à celles des TC2(TC3) dans les deux cas d’éprouvettes (Ø16 et Ø20). Les
différences de températures observées (Fig.6) entre les éprouvettes de diamètre Ø16
et celles de diamètre Ø20 pour le même thermocouple sont dues à la différence
d’épaisseur « B » des éprouvettes (voir annexe).
Figure 6. températures du bois
proche de la tige
Figure 7. températures à
l’interface bois-plaque
Les températures au voisinage de la plaque métallique ont été mesurées à l’aide
des thermocouples TC9, TC10, TC11 et TC12 (a).
Les courbes de la figure 7 montrent les évolutions de la température au niveau de
l’interface des deux éléments en bois. La courbe en bleu correspond à l’assemblage
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
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bois-métal-bois (BMB) et l’autre à l’assemblage BB. On remarque que les deux
courbes sont proches lorsque la valeur de la température est en dessous de 90°C. Audelà de ces valeurs, la courbe BB continue normalement son évolution alors que la
courbe en vert présente un palier de ralentissement de température qui se situe entre
5 à 7 min de temps. La courbe BB atteint la valeur de 150°C au bout d’un
échauffement de 30min contre 100°C pour la courbe BMB (avec plaque). Ce
phénomène de changement de phase (BMB) est dû à la présence de la plaque
métallique à l’interface entre les deux éléments en bois. Pendant l’échauffement du
bois, l’eau contenue dans celui-ci migre vers l’intérieur et stagne contre la plaque et
provoque ainsi une réaction chimique endothermique conduisant au ralentissement
de la combustion du matériau.
3. Modèle éléments finis
La modélisation par éléments finis de la liaison a été effectuée sous le code de
calcul « Msc.Marc ». Chaque solide a été discrétisé séparément (Fig.8 & 9) avec des
éléments volumiques hexaédriques à 20 nœuds, puis l’ensemble de la liaison est
rassemblée par définition de points de contact entre solides. Pour assurer une bonne
continuité du champ thermique, le maillage est plus concentré dans les zones de
contact entre solides. La moitié de la liaison a été modélisée en tenant compte de la
symétrie et le maillage global est continu.
Figure 9. élément broche
Figure 8. modèle EF
3.1.
Conditions initiales et limites
La température nodale initiale, égale à 20°C est imposée à tous les nœuds du
maillage. Les faces en contact avec les gaz chauds sont soumises à des actions
thermiques qui évoluent selon la courbe ISO834, équation (1). L’assemblage placé
dans le four reçoit un flux convectif et un flux de rayonnement dont la somme
s’écrit :
(
)
(
)
(2)
est la température à la surface de la pièce, est le coefficient de convection,
est le coefficient d’émissivité et est la constante de Boltzmann.
Transfert thermo-hydrique dans les assemblages bois sous incendie.
3.2.
7
Propriétés thermo-physiques des matériaux
Les propriétés thermo-physiques de l’acier sont celles fournies par l’EuroCode-3
[EUR 03]. Pour le bois, le choix de ces propriétés n’est pas immédiat car celles-ci
varient en fonction de la température et particulièrement en fonction du flux
hydrique pour les assemblages bois-métal-bois. La masse volumique et l’humidité
du bois sont celles données précédemment (§2). Tandis que les évolutions de la
conductivité thermique bois(T) et de la chaleur spécifique cp bois(T) en fonction de la
température sont issues des résultats de recherche de sensibilité réalisée dans les
précédents travaux [EUR 03], [KNU 75], [FRE 93],[JAN 94]. Les valeurs du couple
(bois(T)/ cp bois(T)) adoptées sont celles données par Fredlund/Janssens pour les
assemblages bois-métal-bois et Fredlund/EC5 pour les liaisons bois-bois (Fig.10 &
11).
Figure 10 : conductivité du bois
Figure 11 : chaleur spécifique du bois
La valeur de pic de cp=10 (kJ/kg/°K) est surtout indispensable dans le cas des
liaisons bois-métal-bois pour tenir compte du phénomène de changement de phase
de l’eau accumulée sur les interfaces de la plaque métallique au voisinage des
températures se situant entre 90°C et 110°C.
3.3.
Résultats numériques et comparaisons
Le calcul global par éléments finis a montré une bonne concordance avec les
observations expérimentales comme le montre le résultat de la vitesse de
carbonisation de la figure-10 ci-dessous. L’épaisseur de carbonisation numérique est
homogène sur toutes les faces car les mêmes valeurs de conductivité thermique et de
la chaleur spécifique ont été utilisées pour l’ensemble des éléments bois (Fig.10-B).
La valeur moyenne de la vitesse de carbonisation obtenue est MEF=0,9 mm/min, ce
qui reste acceptable devant EXP=0,70 mm/min et EC5=0,71 mm/min. Soit une
différence relative par rapport à la valeur réelle d’environ 29%.
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
8
(A)
(B)
Figure 12. carbonisation expérimentale et numérique du bois
interface
boispalque
proche
de la partie
broche
Le tableau 3 rassemble les températures obtenues pour différents temps
d’exposition des éprouvettes au feu (t=10 min, t=20 min et t=30 min). Elles sont
comparées aux températures expérimentales et les erreurs relatives sont calculées
pour chaque cas.
TC
EXP/NUM
TC1
(TC4)
EXP
NUM
Diff (%)
EXP
TC6(TC7)
t=10 min
BB
BMB
38
30,7
26,8
30,7
29%
0%
28,9
29,5
t=20 min
BB
BMB
87,6
66
58,7
77,8
33%
18%
34
33,6
t=30 min
BB
BMB
141
197,7
104,8
157
26%
21%
77,3
79,8
NUM
26
29
26,7
47,5
53
95
Diff (%)
10%
2%
21%
41%
31%
19%
Tableau 3. comparaison entre modélisation et expérimentation.
Globalement les champs thermiques donnés par le modèle sont satisfaisants en
comparaison aux valeurs expérimentales avec une erreur relative inférieure à 35%.
Cette différence s’explique notamment par la grande variabilité des caractéristiques
thermo-physiques du bois et du couplage des flux thermiques et hydriques dans les
liaisons, chose qui rend la modélisation numérique assez complexe.
4. Conclusion
Ce travail a consisté en la comparaison du comportement thermo-hydrique des
liaisons bois brochés bois-bois (BB) et bois-métal-bois(BMB). Les résultats obtenus
montrent que l’évolution des températures au sein des liaisons BMB présente un
ralentissement temporel de 5 à 7 min environ lorsque la température est proche de
100°C. Un modèle numérique de simulation du comportement de ces types de
liaisons a été proposé en tenant compte de l’état actuel de données disponibles. Ce
Transfert thermo-hydrique dans les assemblages bois sous incendie.
9
modèle est validé par comparaison entre les évolutions des températures calculées et
mesurées.
References
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modeling of the thermo-mechanical behavior of dowelled steel-to-timber joints. 4th
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[RAC 10] RACHER P., LAPLANCHE K., DHIMA D., BOUCHAIR A., Thermo-mechanical
analysis of the fire performance of dowelled timber connection ; Engineering Structures,
Volume 32, Issue 4, Pages 1148-1157, April 2010.
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
10
Annexes
Pour le repérage sur les schémas, on a TC1 correspond à la notation 1, TC2 à 2 et
ainsi de suite.
Tige
4
3
9 10
8
7
4
11
1
12
3
2
2
6
1
5
Plaque
métallique
Plan « YOZ »
Plan « XOZ »
A1: Disposition des thermocouples pour éprouvettes Φ16.
Plaque
métallique
4
4
3
9 10
8
11
12
1
7
2
2
6
1
5
Tige
plan « XOZ »
plan « YOZ »
A2: Disposition des thermocouples pour éprouvettes Φ20.
3