Essais de cisaillement du bois à hautes températures

M. Audebert1, D. Dhima

4, A. Bouchaïr

2,3, P. Racher

2,3

1 Université de Lyon, Ecole Nationale d’Ingénieur de Saint-Etienne, Laboratoire de

Tribologie et de Dynamique des Systèmes (LTDS), UMR 5513, rue Jean Parot,

42023 Saint-Etienne, Cedex 2, France

2Clermont Université, Université Blaise Pascal, Institut Pascal, BP 206, F-63000

Clermont-Ferrand, France

3CNRS, UMR 6602, Institut Pascal, F-63171 Aubière, France

4CSTB, Centre Scientifique et Technique du bâtiment- 84 avenue Jean Jaurès 77447

Marne-la-Vallée Cedex 2

RÉSUMÉ. Les méthodes avancées de calcul des éléments de structures bois en situation

d’incendie proposées par l’EN1995-1-2 donnent des évolutions des caractéristiques

mécaniques du bois en fonction de la température en utilisant des coefficients de réduction

des propriétés du matériau. Les valeurs fournies pour la réduction de la résistance en

traction et en compression sont bien documentées. En revanche, les coefficients de réduction

de la résistance au cisaillement du bois n’ont pas fait l’objet d’études connues. La présente

étude porte sur la réalisation d’une campagne expérimentale pour caractériser l’évolution de

la résistance au cisaillement du bois en fonction de la température. Elle s’appuie sur une

éprouvette spécifique originale, développée pour cette étude. Les résultats expérimentaux

permettent d’évaluer les valeurs données dans l’EN1995-1-2.

ABSTRACT. The advanced calculation methods for wood structural elements in fire

situations proposed by EN1995-1-2 provide reduction factors of wood strength according to

the temperature. The values of these reduction factors given for compression and tension

strength are relatively well documented. However, the reduction factors of wood shear

strength with temperature were not studied. This study concerns experimental investigations

conducted to characterize the evolution with temperature of the shear strength of wood. The

tests are realized using a specific original specimen specially developed for this study. The

experimental results allow evaluating the values given in EN1995-1-2.

MOTS-CLÉS : Essais, cisaillement, bois, hautes températures, éprouvette cisaillement.

KEY WORDS: Tests, shear, wood, high temperatures, shear specimen.

XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 2

1. Introduction

Le développement du bois dans le domaine de la construction connaît un regain

d’intérêt pour ses qualités esthétiques, environnementales et techniques. Néanmoins,

la combustibilité du matériau suscite des interrogations quant à la résistance au feu

des structures bois. La connaissance du comportement thermomécanique du bois

repose encore sur un nombre insuffisant d’études expérimentales et numériques.

Au sein des structures bois, les liaisons jouent un rôle important dans la capacité

résistante globale de la structure. L’EN1995-1-2 [EUR 04] relatif au calcul des

structures bois en situation incendie traite des assemblages, mais de façon limitée et

peu précise [AUD 10] en raison du manque de données scientifiques [KÖN 04].

L’Annexe B de cet Eurocode propose des données pouvant servir de base à

l’élaboration de calculs avancés de la résistance au feu des assemblages bois. C’est

ainsi que sont fournies des évolutions des propriétés thermiques et mécaniques du

bois en fonction de la température à travers des coefficients de réduction. Ces

données sont utilisées pour développer des modèles numériques représentant le

comportement thermomécanique d’assemblages de structures bois soumis à une

sollicitation de traction parallèle au file [AUD 11]. Pour mettre en place des modèles

intégrant d’autres sollicitations (traction transversale, flexion), il a été nécessaire de

caractériser les propriétés du matériau. En effet, si les valeurs des coefficients de

réduction de la résistance du bois en traction et en compression, fonction de la

température, sont bien documentées [ZEE 05], les coefficients de réduction de la

résistance au cisaillement n’ont pas fait l’objet d’études connues. Dans les

assemblages de structures réelles, les sollicitations du matériau bois combinent

traction, compression et cisaillement.

La présente étude porte sur la réalisation d’essais de cisaillement d’éprouvettes

bois à hautes températures dans la direction parallèle au fil du bois. L’éprouvette

originale développée pour les essais, le dispositif d’essais ainsi que le programme

expérimental sont présentés. Les résultats d’essais sont discutés et confrontés aux

valeurs des coefficients de réduction de résistance au cisaillement du bois proposées

dans l’EN1995-1-2.

2. Eprouvettes de cisaillement et dispositif expérimental

Les essais réalisés concernent deux campagnes expérimentales menées en 2008-

2010 puis en 2012 au CSTB (Marne-la-Vallée, France). Ces deux campagnes

s’appuient sur des géométries d’éprouvettes différentes. Pour la première série

d’essais, qui porte sur 16 éprouvettes, une géométrie originale a été mise au point

(Figure 1). La forme cylindrique de l’éprouvette permet le développement de

gradients thermiques au sein du matériau, dans le plan radial autour de la section

cisaillée, comme lors de la combustion réelle d’éléments bois. Cette forme favorise

aussi le maintien de conditions thermo-hydriques constantes dans la section cisaillée.

La géométrie des éprouvettes utilisées lors de la deuxième campagne expérimentale

Essais de cisaillement du bois à hautes températures 3

a été simplifiée puisque l’influence de la présence de gradients thermiques au sein du

bois n’était pas étudiée. Des éprouvettes parallélépipédiques ont alors été utilisées,

tout en gardant la même géométrie circulaire de la section cisaillée interne.

Figure 1. Géométrie des éprouvettes de cisaillement (1ère campagne d’essais).

Sur la Figure 1, T1 et T2 représentent les positions des thermocouples utilisés

pour mesurer les températures au niveau de la section cisaillée. Pour la première

campagne expérimentale, trois thermocouples additionnels (TS1, TS2, TS3) étaient

positionnés à la surface des éprouvettes afin de contrôler l’échauffement du bois.

Pour obtenir un arrachement complet de la section cisaillée ainsi qu’une

distribution uniforme des contraintes durant l’essai, la hauteur de la section cisaillée

a été choisie en recherchant une valeur optimale. Le choix a été opéré à partir d’une

étude numérique aux éléments finis basée sur un modèle élastique 2D. Le modèle a

été réalisé sur le code MSC Marc [MSC 05]. L’évolution des contraintes de

cisaillement le long d’une section cisaillée de 35 mm de hauteur montre que

l’uniformité de la distribution des contraintes est atteinte à partir d’une hauteur de 24

mm. La hauteur de la section cisaillée a ainsi été prise égale à 25 mm.

L’effort était appliqué aux éprouvettes par un cylindre métallique de diamètre

39,8 mm. Pour les essais avec gradients thermiques, le dispositif d’essai représenté

sur la Figure 2 a été utilisé. Les éprouvettes étaient introduites dans un four

permettant de maintenir une température constante dans son enceinte (Figure 2).

Pour la seconde campagne expérimentale, les éprouvettes étaient préalablement

mises à la température désirée dans des étuves. Elles étaient ensuite retirées juste

avant de procéder à l’essai mécanique.

La masse volumique moyenne du bois utilisé lors de la première campagne

expérimentale était de 447,5 kg/m3 avec une humidité moyenne des échantillons de

8%. Pour la seconde série d’essais, la masse volumique moyenne des éprouvettes

était de 460,6 kg/m3 avec une humidité moyenne du bois de 11,6%. Le bois utilisé

XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 4

correspondait dans les deux cas à un lamellé-collé de classe GL24h. Néanmoins, les

lamelles n’avaient pas la même épaisseur : 45 mm pour le premier lot et 31 mm pour

le second. Les éprouvettes utilisées lors de la seconde campagne expérimentale sont

donc moins homogènes au niveau de la section cisaillée qui fait intervenir 3 lamelles

différentes de bois.

Figure 2. Eprouvette équipée de

thermocouples à la sortie du four

Figure 3. Four utilisé pour maintenir la

température des éprouvettes constante

3. Programme expérimental

Le programme expérimental concerne 47 éprouvettes au total testées dans deux

campagnes distinctes. La vitesse de chargement des éprouvettes, contrôlée par

déplacement imposé du cylindre d’application de la charge, était égale à 5m/s.

Différents types d’essais à hautes températures ont été réalisés. Ces différents essais

sont récapitulés ci-après en fonction de la campagne expérimentale considérée.

3.1. Première campagne expérimentale

Cette campagne expérimentale, réalisée en 2008-2010, concernait 16 éprouvettes

de cisaillement. Cinq types d’essais différents ont été réalisés (Tableau 1):

- Essais 1 à 6 : pour ces essais, la température du four est stabilisée aux alentours

de 250°C. Le chargement mécanique est appliqué lorsque les températures

mesurées à l’interface cisaillée (T1 et T2) atteignent 100°C. Ce protocole

expérimental permet d’obtenir un gradient thermique au sein du matériau. Les

gradients thermiques sont sensiblement les mêmes que ceux observés sur des

structures bois en situation d’incendie.

- Essais 7 à 10 : la température du four est stabilisée aux alentours de 105°C. Les

éprouvettes testées ont été préalablement entreposées 3 jours dans une étuve à

105°C. La température de l’interface cisaillée est donc homogène autour de

100°C et la teneur en eau des éprouvettes est nulle. Il n’y a donc pas de

gradient thermique dans le matériau pour ces essais.

- Essais 11 et 12 : la température du four est stabilisée à 250°C et le chargement

mécanique est appliqué lorsque les températures à l’interface cisaillée

Essais de cisaillement du bois à hautes températures 5

atteignent 150°C. Les 2 éprouvettes testées ont été préalablement entreposées

dans une étuve à 105°C et leur teneur en eau tend vers zéro.

- Essai 13 : le protocole expérimental est identique à celui utilisé pour les essais

11 et 12 mais l’éprouvette ici testée n’a pas été préalablement séchée en étuve.

- Essais 14 à 16 : ces essais sont des essais à froid réalisés à température

ambiante (~20°C) pour obtenir les valeurs de référence.

3.2. Deuxième campagne expérimentale

Pour cette campagne expérimentale, réalisée en 2012, seules des éprouvettes

préalablement mises à l’étuve ont été testées. Ces essais réalisés sur 31 éprouvettes

ne se focalisent pas sur les gradients thermiques au sein du matériau. 4 niveaux de

températures à l’interface cisaillée ont été étudiés : 50°C (4 éprouvettes), 100°C (10

éprouvettes), 140°C (4 éprouvettes) et 150°C (7 éprouvettes). Les thermocouples T1

et T2 permettent de connaître la température au moment de la rupture et ainsi de

contrôler un éventuel refroidissement de l’éprouvette entre sa sortie de l’étuve et la

réalisation de l’essai. Six essais à température ambiante (~20°C) ont été également

réalisés. Le programme expérimental de ces essais est résumé dans le Tableau 1.

Tableau 1. Programme expérimental

N° Essai T1 = T2 Tfour ou Tétuve Gradients

Campagne 1

(2008-2010)

1 à 6 100°C 250°C Oui

7 à 10 100°C 105°C Non

11 à 13 150°C 250°C Oui

14 à 16 Tambiante (~20°C) - -

Campagne 2

(2012)

17 à 20 50°C 50°C Non

21 à 30 100°C 110°C Non

31 à 34 140°C 150°C Non

35 à 41 150°C 160°C Non

42 à 47 Tambiante (~20°C) - -

4. Résultats expérimentaux

4.1. Première campagne expérimentale

La Figure 4 montre les courbes force-déplacement obtenues pour les éprouvettes

des essais 1 à 6. La Figure 5 présente l’évolution de la courbe force-déplacement

pour l’essai 5 avec les valeurs des températures au niveau de l’interface cisaillée (T1

et T2). La Figure 6 présente les résultats des essais 7 à 10 réalisés sur des éprouvettes

sèches sans gradient thermique dans le matériau. La Figure 7 présente les résultats

pour les éprouvettes 11 à 13 qui concernent les essais de cisaillement à 150°C.

Le Tableau 2 récapitule les résultats de la première campagne expérimentale.

Ainsi, les températures moyennes à l’interface cisaillée au moment de la rupture et la

charge de rupture Frupt sont données.

XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 6

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 1 2 3 4 5

F (

N)

g (mm)

Essai 1 Essai 2

Essai 3 Essai 4

Essai 5 Essai 6

Figure 4. Courbes force-déplacement

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Fo

rce (N

)

Te

mp

era

ture

(°C

)

Time (min)

T1

T2

Force (N)

Figure 5. Courbes force-temps +

température-temps (essai 5)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5

F(N

)

Déplacement [mm]

Essai 7 Essai 8

Essai 9 Essai 10

Figure 6. Courbes force-déplacement

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 1 2 3 4

F (

N)

Déplacement (mm)

Essai 11 Essai 12

Essai 13

Figure 7. Courbes force-déplacement

De ces résultats, plusieurs remarques peuvent être tirées :

- Pour les essais 1 à 6, une rupture progressive des éprouvettes est observée.

Ceci peut s’expliquer par le fait que l’eau contenue dans le bois a migré au

niveau de l’interface cisaillée. L’humidité des fibres du bois dans cette zone

engendre une rupture progressive du bois et augmente le frottement à

l’interface cisaillée. Cette remarque est confirmée par l’observation du profil de

rupture de l’éprouvette (Figure 8). En effet, une couleur brune du bois est

observée au niveau de l’interface cisaillée, due à la migration de l’eau contre le

cylindre métallique d’application de la charge, et la surface de rupture apparaît

irrégulière.

- Pour les essais 7 à 10 réalisés à 100°C sur des éprouvettes sèches, l’allure des

courbes force-déplacement apparaît différente, avec une rupture qui semble

plus fragile. L’observation des éprouvettes à la fin des essais montre en effet

que la couleur brune du matériau précédemment observée n’apparaît pas ici et

que la surface de rupture à l’interface cisaillée est nette et lisse (Figure 9).

Cependant, le niveau de résistance des éprouvettes est sensiblement identique à

celui des essais 1 à 6.

- Les charges de rupture obtenues par les essais à froid montrent que la

résistance au cisaillement des éprouvettes est réduite en moyenne de 43% à

100°C. Cette réduction est de 47% à 150°C.

Essais de cisaillement du bois à hautes températures 7

Ces résultats montrent que la teneur en eau du bois n’affecte pas la résistance au

cisaillement des éprouvettes. Le même niveau de contrainte est obtenu pour les

essais 1 à 10 (3,9 MPa en valeur moyenne). En revanche, la présence d’eau dans le

matériau modifie le mode de rupture des éprouvettes.

Tableau 2. Températures et charges de rupture (1ère

campagne expérimentale)

Type d’essai N° Essai Température moyenne (°C) Frupt (kN)

T1=T2=100°C

Gradients thermiques

=8%

1 103,6 11,95

2 105,5 8,54

3 105,4 10,77

4 109,8 11,15

5 112 15,04

6 116 13,97

T1=T2=100°C

=0%

7 83,7 11,87

8 95,2 9,69

9 98 9,68

10 100 12,61

T1=T2=150°C

Gradients thermiques

=0%

11 159,8 5,78

12 154,7 12,26

T1=T2=150°C

Gradients thermiques

=8%

13 154 14,19

Essais à froid

14 Tambiante (~20°C) 22,16

15 Tambiante (~20°C) 23,67

16 Tambiante (~20°C) 27,86

Figure 8. Vue d’une coupe après essai

(éprouvettes 1 et 2).

Figure 9. Vue d’une coupe après essai

(éprouvette 7).

4.2. Deuxième campagne expérimentale

Le Tableau 3 récapitule les valeurs de résistance au cisaillement des éprouvettes

17 à 47 et la température mesurée à l’interface cisaillée au moment de la rupture. Ces

XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 8

éprouvettes sont caractérisées par une certaine hétérogénéité du lamellé-collé au

niveau de la zone cisaillée. Une corrélation importante entre la masse d’éprouvette et

la résistance au cisaillement a été observée. Les résultats ont donc été triés en 3 lots

d’éprouvettes définis à partir des masses mesurées des échantillons.

Tableau 3. Températures et charges de rupture (2ème

campagne expérimentale)

Lot N° Essai Température moyenne

(°C) Frupt (kN) Ms (g)

1

42 Tambiante (~20°C) 16,00

724 < Ms < 751 23, 29 101 14,20

31 133 10,98

35, 36 148 9,00

2

45 Tambiante (~20°C) 18,26

789 < Ms < 817

20 50 15,71

21, 25, 26 101 13,95

32-34 142 12,37

38-41 150 12,12

3

43, 44, 46, 47 Tambiante (~20°C) 24,20

839 < Ms < 913

17-19 50 22,00

22, 24, 27, 28,

30 103 19,65

37 150 14,20

La Figure 10 présente les courbes force-temps obtenues pour les essais 21 à 30.

La Figure 11 montre le profil de rupture de l’éprouvette 21 testée à 100°C. Les

résultats présentés sur la Figure 10 confirment ce qui avait été observé lors de la

première campagne expérimentale, à savoir que l’absence d’eau dans le matériau

conduit à une rupture fragile des éprouvettes. La Figure 11 montre une surface de

rupture nette et lisse de la section cisaillée avec une couleur claire du matériau

témoignant de l’absence d’eau à l’interface avec le cylindre métallique.

Les résultats présentés dans le Tableau 3 montrent que la résistance au

cisaillement des échantillons testés dépend fortement de la densité du matériau. Une

fois triés selon la masse des éprouvettes (Ms), les résultats présentent moins de

dispersion. Ces résultats montrent une réduction plus faible de la résistance au

cisaillement des échantillons en fonction de la température. C’est ainsi que ces

réductions de résistance au cisaillement, par rapport à la résistance à température

ambiante, à 50°C, à 100°C et à 150°C sont respectivement de 12%, 18,3% et 40%.

Essais de cisaillement du bois à hautes températures 9

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 50 100 150 200 250

F (N

)

Temps (min)

Essai 21 Essai 22

Essai 23 Essai 24

Essai 25 Essai 26

Essai 27 Essai 28

Essai 29 Essai 30

Figure 2. Courbes force-temps pour les

essais 21 à 30.

Figure 3. Profil de rupture de

l’éprouvette 21.

5. Confrontation aux résultats de l’EN1995-1-2

Les coefficients de réduction de la résistance au cisaillement dans la direction

parallèle au fil du bois en fonction de la température sont comparés aux valeurs

fournies par l’EN1995-1-2. Les coefficients de réduction calculés à partir des

résultats de la première campagne expérimentale sont proches de ceux proposés par

l’EN1995-1-2 (Figure 12). Les résultats de la seconde campagne d’essais montrent

une influence moins marquée de la température sur la résistance au cisaillement du

bois (Figure 13). Dans ce dernier cas, les valeurs de réduction de l’EC5 restent assez

conservatrices en comparaison avec les valeurs mesurées.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200 250 300 350

Fa

cte

ur

de

réd

ucti

on

kq

Température q [°C]

Eurocode 5 - 1.2 Essai 1 - 103,6°C

Essai 2 - 105,5°C Essai 3 - 105,4°C

Essai 4 - 109,8°C Essai 5 - 112°C

Essai 6 - 116°C Essai 7 - 83,7°C

Essai 8 - 95,2°C Essai 9 - 98°C

Essai 10 - 100°C Essai 11 - 159,8°C

Essai 12 - 154,7°C Essai 13 - 154°C

Figure 4. Coefficients de réduction de la

résistance au cisaillement du bois

(première campagne)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200 250 300

Fa

cte

ur

de

ré

du

cti

on

kq

Température q [°C]

Eurocode 5 - 1.2

Lot 1

Lot 2

Lot 3

Figure 5. Coefficients de réduction de la

résistance au cisaillement du bois

(deuxième campagne)

6. Conclusions

La présente étude porte sur la réalisation d’essais de cisaillement du bois à hautes

températures afin de déterminer des coefficients de réduction de cette résistance

pouvant être utilisés dans des modèles numériques du comportement

XXXIe Rencontres Universitaires de l’AUGC - Cachan, 29 au 31 mai 2013 10

thermomécanique d’assemblages bois. Pour réaliser ces essais, une géométrie

originale d’éprouvette a été mise au point permettant de reproduire les gradients

thermiques dans le bois similaires à ceux observés dans les structures réelles

soumises à un incendie.

Les résultats des essais montrent que la teneur en eau du matériau n’affecte pas le

niveau de résistance des éprouvettes mais influence leur mode de rupture. Ainsi, les

fibres humides du bois rompent graduellement. Ces résultats, obtenus pour une

humidité moyenne du bois de 8% mériteraient d’être confirmés par des tests sur des

échantillons ayant une humidité plus importante.

Les deux séries d’essais réalisés permettent d’observer la réduction de la

résistance au cisaillement du bois en fonction de la température. Les coefficients de

réduction obtenus sont comparés à ceux proposés par l’EN1995-1-2. Les valeurs

proposées par l’Eurocode apparaissent alors satisfaisantes car elles sont

conservatrices en comparaison avec les valeurs mesurées. Ces valeurs peuvent donc

être utilisées pour alimenter des modèles numériques du comportement

thermomécanique des assemblages bois. Elles mériteraient d’être complétées par des

échantillons plus larges avec différentes variétés de matériau.

7. Bilbiographie

[AUD 10] AUDEBERT M., BOUCHAÏR A., TAAZOUNT M., DHIMA D., « Thermal and thermo-

mechanical behaviour of timber connections in fire », Urban Habitat Under Catastrophic

Events (Proceedings), Cost Action C26, Naples, 16-18/09/ 2010, Taylor & Francis

Group, p. 189-194.

[AUD 11] AUDEBERT M., DHIMA D., TAAZOUNT M., BOUCHAÏR A., « Numerical investigations

on the thermo-mechanical behavior of steel-to-timber joints exposed to fire »,

Engineering Structures, vol.33, 2011, p. 3257-3268.

[KÖN 04] KÖNIG J., « Calculations vs. Fire testing – Limitations of Eurocode 5 and the need

of fire testing », International symposium on advanced timber and timber-composite

éléments for buildings, 2004, p. 27-29.

[EUR 04] EN 1995-1-2, Design of timber structures – General rules – Structural fire design,

2004.

[MSC 05] MSC. MARC, « User’s Manual Vol. A : theory and user information », MSC

Software Corporation, 2005.

[ZEE 05] Van Zeeland I. M., Salinas J. J., Mehaffey J. R., “Compressive Strength if Lumber

at High Temperatures”, Fire and Materials, n°29, 2005, p. 71-90.