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HAL Id: tel-00725264 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00725264 Submitted on 24 Aug 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation du comportement mécanique d’assemblages bois avec prise en compte de critères de rupture Bohan Xu To cite this version: Bohan Xu. Modélisation du comportement mécanique d’assemblages bois avec prise en compte de critères de rupture. Génie des procédés. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2009. Français. NNT : 2009CLF21956. tel-00725264 N° DU : 1956 Année 2009 N°ED : 447 UNIVERSITE BLAISE PASCAL – CLERMONT II ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L’INGENIEUR DE CLERMONT-FERRAND Thèse Présenté par Bohan XU DEA Sciences du bois − ENSTIB Formation Doctorale : « Génie Mécanique − Génie Civil » Pour obtenir le grade de : DOCTEUR D’UNIVERSITE SPECIALITE : GENIE CIVIL Modélisation du comportement mécanique d’assemblages bois avec prise en compte de critères de rupture Soutenue publiquement le 9 Octobre 2009, devant le jury composé de : F. DUBOIS Rapporteur P. TRIBOULOT Rapporteur J-F. BOCQUET Examinateur F. BOS Examinateur M. TAAZOUNT Examinateur A. BOUCHAIR Examinateur P. RACHER Directeur de thèse Thèse préparée au LaMI − Polytech’Clermont Ferrand, Université Blaise Pascal A mon père et à ma mère pour leur affection et leur soutien inconditionnel. A ma sœur pour la chaleur familiale dont elle m’a entourée très généreusement. A toutes les personnes qui ont fait de moi ce que je suis. Avant propos 1 Avant propos Arrivé au bout de ce travail, effectué au sein du Laboratoire de Mécanique et Ingénieries “LaMI” de l’Unversité Blaise Pascal (Clermont-Ferrand), je tiens donc à associer à l’aboutissement de ce travail toutes les personnes qui m’ont permis de le réaliser et celles qui m’ont apporté leur soutien. Je remercie en premier lieu M. Patrick RACHER, Directeur Recherche et Développement, à l’Aubrilam, qui était Maître de Conférences Hors Classe et Habilité à Diriger les Recherches à Polytech’Clermont-Ferrand, pour m’avoir accepté au sein du laboratoire LaMI et pour son support et ses conseils scientifiques. J’exprime ma profonde reconnaissance à M. Abdelhamid BOUCHAIR, Professeur de l’Unversité Blaise Pascal, correspondant universitaire, qui m’a fait l’honneur de diriger ce travail. Il m’a apporté aussi bien techniquement que personnellement Toutes les discussions ont été productives grâce à ses compétences et sa grande disponibilité pour cette recherche. Je tiens à l’assurer de mon profond repect et sympathie. Je tiens à remercier M. Mustapha TAAZOUNT, Maître de Conférences à Polytech’Clermont- Ferrand, pour l’encadrement et le soutien qu’il a su m’apporter. Qu’il trouve ici l’expression de toute mon amitié et mes sincères remerciements. M. Frédéric DUBOIS, Professeur à l’Université de Limoges, et M. Pascal TRIBOULOT, Professeur à l’ENSTIB, ont accepté d’examiner et de rapporter ce travail. Ils m’ont fait l’honneur d’effectuer cette tâche avec une grande objectivité. J’attache une grande importance à les remercier pour m’avoir consacré une partie de leur temps précieux et pour leurs fructueuses remarques. J’exprime également ma sincère reconnaissance à M. Jean-François BOCQUET, Maître de Conférences à l’ENSTIB, et M. Frédéric BOS, Professeur à l’Université Bordeaux 1, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner ce travail. Je voudrais également remericer les membres et les thésards du laboratoire “LaMI” − Polytech’Clermont Ferrand pour leur bonne humeur qui m’a accompagnée durant ces années de travail. Enfin, je remercie tous mes amis qui m’ont aidé et encouragé. Qu’ils soent assurés de mon amicale sympathie. 2 Résumé 3 Résumé Les liaisons par broches ou boulons, largement utilisés dans les structures en bois, sont conçues pour transmettre des efforts de cisaillement et des moments de flexion entre les éléments assemblés tels que les poteaux et les poutres dans les portiques traditionnels. Pour ce type de liaison, les assemblages bois-bois sont souvent utilisés avec ou sans renforcement par plaques collées en contre-plaqué ou autres matériaux. Pour répondre à certaines exigences architecturales, de résistance mécanique et de tenue au feu, les assemblages bois-bois sont souvent remplacés par des assemblages mixtes bois-métal où la plaque métallique est protégée par les éléments en bois. Des essais sont réalisés sur des assemblages bois-métal à organes multiples sollicités en traction parallèle et perpendiculaire aux fibres et en flexion pour disposer de résultats expérimentaux de référence. En se basant sur ces résultats, un modèle éléments finis 3D est développé en utilisant les hypothèses suivantes: une loi matérielle élasto-plastique non linéaire pour l’acier, des lois de contact et de frottement entre les broches métalliques et le bois et une loi élastique parfaitement plastique pour le bois sur la base du critère de Hill associé ou non au critère de Hoffman qui représente la rupture du bois. Pour la modélisation du matériau bois, qui est la partie la plus délicate, différentes approches sont utilisées dans la littérature. Il s’agit de modèles souvent basés sur des critères de plasticité anisotrope comme celui de Hill. Cependant, ce critère ne prend pas en compte la dissymétrie du comportement du bois entre traction et compression et ne tient pas compte du caractère fragile du matériau en traction perpendiculaire au fil ou en cisaillement. Pour combler ces insuffisances, le critère de Hill est associé au critère de Hoffman qui représente l’évolution du dommage dans le matériau bois par une réduction du module d’élasticité. Ce critère est particulièrement adapté au comportement mécanique fragile de la traction perpendiculaire au fil du bois. Ainsi, le critère de Hill gère la plasticité bien acceptée pour les sollicitations du bois en compression et le critère de Hoffman est utilisé pour représenter le comportement fragile du bois en traction perpendiculaire et en cisaillement. La confrontation des résultats numériques et expérimentaux montre que le modèle numérique proposé représente de façon satisfaisante le comportement d’assemblages bois sous différents types de sollicitations. Le modèle ainsi validé est utilisé pour mener des études paramétriques sur des configurations d’assemblages plus variées que celles des essais expérimentaux. Sur la base des résultats du modèle, des expressions analytiques portant sur la prédiction du comportement des assemblages sont proposées ou vérifiées. Mot clés: modélisation numérique, éléments finis, assemblages bois-métal, nonlinéarité matérielle, critère de rupture, évolution du dommage 4 Titre en anglais 5 Numerical modelling of the behaviour of timber connections considering the damage evolution 6 Abstract 7 Abstract The dowel-type connections largely used in the timber structures are designed to transmit shear forces and bending moments between the assembled elements such as the columns and the beams in the traditional portal frames. For this type of connection, the timber-to-timber joints are often used with or without reinforcement by glued plywood plates or other materials. Complying with the actual architectural trends, the high strength requirements and fire behaviour, the timber-to-timber joints are often replaced by the steel-to-timber joints where the steel plate is protected by the timber elements. Tests were performed on the multiple-dowel steel-to-timber joints loaded by tension parallel and perpendicular to grain and bending. From these results, a three-dimensional finite element model was developed using the following hypotheses: a non-linear elasto-plastic material law for steel, the laws of contact and friction between the dowels and the timber and an elastic perfectly plastic law for timber on the basis of the Hill criterion associated with or without the Hoffman criterion which represents the failure of timber. For the modelling of timber material, which is the most difficult part of modelling, various approaches are used in the literature. These models were often based on criteria of anisotropic plasticity such as Hill. However, this criterion does not take into account the asymmetry mechanical behaviour of timber material in tension and compression. Besides, it dose not consider brittle behaviour of material in tension perpendicular to grain and in shear. To fill the gaps, the Hill criterion is associated with the Hoffman failure criterion which represents the damage evolution of the timber by a reduction of the elastic modulus. This criterion is particularly suited to the brittle tension behaviour in the direction perpendicular to grain. Thus, the Hill criterion controls the plasticity accepted well for the timber wood loaded in compression and the Hoffman criterion is used to represent the brittle behaviour of timber in certain directions. The comparison between the experimental and numerical results shows that the proposed modelling is in good agreement with experimental results. The validated model is used for the parametric study on the geometry of timber joints. On basis of numerical results, the analytical models predicting the behaviour of joints are proposed or verified. Keywords: numerical modelling, finite element, steel-to-timber joints, material nonlinearity, failure criterion, damage evolution 8 Sommaire 9 Sommaire Table des illustrations ............................................................................................................ 15 Table des tableaux .................................................................................................................. 19 Nomenclature .......................................................................................................................... 23 Introduction ............................................................................................................................ 27 PARTIE A : Bibliographie ............................................................................................. 31 1. Matériau bois .................................................................................................................... 33 1.1. Généralités ................................................................................................................ 33 1.2. Propriétés mécaniques du bois uploads/Science et Technologie/ 2009-clf-21956.pdf