Optimisation des structures bois : l'influence des assemblages.
Porté par le développement industriel de la filière, mais aussi par la volonté de favoriser l’emploi de matériaux biosourcés dans le bâtiment, la construction bois est aujourd’hui en plein essor.
Le bois (re)découvre dans nos ouvrages des portées et des hauteurs remarquables, bien plus en accord avec les performances mécaniques intrinsèques d’un matériau présentant un des meilleurs ratio résistance ou raideur sur densité.
De nombreux efforts sont encore à produire afin de lever les freins réglementaires et techniques s’opposant à ce développement. Notamment, la construction bois encourage aujourd’hui les ingénieurs à s’interroger en profondeur sur les typologies structurelles et les principes constructifs adaptés au matériau.
Comment optimiser une structure en bois ?
Se pose dès lors la question des méthodes de conception des structures bois. Peut-on construire une charpente de stade en bois comme on le fait pour une charpente acier ?
Dès les premières phases de conception, les spécificités des structures bois exigent par exemple une attention toute particulière sur le comportement et la mise en œuvre des assemblages.
En s’inspirant d’un problème bien connu de la littérature scientifique, nous avons récemment publié une étude dans le journal Engineering Structures [1] sur l’optimisation de l’exosquelette d’un Immeuble de Grande Hauteur qui explore l’influence de la souplesse des assemblages sur le comportement d’une structure bois.
[1] K. Mam, C. Douthe, R. Le, 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.
(c) Quickit //Art&Build
Projet de la Tour Silva à Bordeaux et sa structure exosquelette en pignon (Image non contractuelle). Ilot mixte bois incluant un parking silo absorbé, une tour de 125 logements haute de 50 mètres, des bureaux, commerces, et 75 logements locatif social et accession modérée. Maître d’ouvrage : Kaufman & Broad ; Architectes Art&Build et Bellecour architectes.
On cherche ici à déterminer la solution optimale d’un exosquelette composé de plusieurs modules de contreventement en X superposés dont la géométrie (hauteurs des modules et points d’intersection des diagonales) et la topologie (nombre de modules) peuvent varier (voir ci-dessous). On suppose que les éléments possèdent des assemblages par broches à chacune des extrémités.
Optimisation géométrique d’un exosquelette d’un bâtiment bois de grande hauteur. Comparaison des résultats avec et sans prise en compte des raideurs d’assemblage. Résultats pour 4 (gauche) et 5 (droite) modules de contreventement superposés le long de la hauteur d’un bâtiment de 80 m et de 12 m de large.
L’introduction du comportement local de l’assemblage, modélisée par une simple relation linéaire raideur/effort, conduit à des solutions optimales bien différentes. Comme on pouvait s’y attendre on constate tout d’abord une augmentation du volume de bois de l’exosquelette qui vient compenser la perte de raideur due aux assemblages. Mais bien plus important, la prise en compte du comportement semi-rigide de l’assemblage influence directement la géométrie (hauteur des modules) et topologie (nombre de modules) optimales du système.
Les assemblages au cœur de la conception bois.
Cette étude s’inscrit dans un projet de recherche plus large dont l’objectif est de démontrer qu’il existe un équilibre en termes de performances mécaniques, mais aussi environnementales, entre l’optimisation topologique visant la minimisation de la matière et la rationalisation inhérente aux caractéristiques des structures bois.
A ce titre, l’assemblage est un enjeu central dans la conception. D’un point de vue mécanique c’est une zone de faiblesse pouvant directement dicter le dimensionnement des éléments, influencer les déformations globales, mais aussi la distribution des efforts au sein de la structure
Les assemblages au cœur de la conception des structures bois ? Croquis d’un assemblage de la structure de la couverture du stade de l’Allianz Riviera à Nice.
Croquis d’un assemblage de l’exosquelette en façade de la tour Silva à Bordeaux.
La fabrication des assemblages requiert des procédés de fabrication complexes : de l’acier, de l’usinage, du fraisage et donc un temps machine plus ou moins grand. L’assemblage représente donc dans ce système un coût économique, mais aussi environnemental non négligeable.
En fonction de la typologie structurelle et du choix d’une technique d’assemblage, la quantité d’acier dans les connections peut fortement varier. Prenons l’exemple d’une structure composé de 1 m3 de bois lamellé collé et d’une quantité de connecteurs acier (plaques, broches, vis etc.) représentant entre 5% et 25% de la masse de bois. A partir d’hypothèses simplifiées du coût de production des deux matériaux (voir ci-dessous), on observe ainsi que la quantité d’acier contenue dans les assemblages influence directement le bilan carbone et financier de la structure.
L’influence de la quantité d’acier dans les assemblages sur le prix et le bilan carbone d’une structure en bois.
Dès lors, deux visions se complètent : une plus classique qui définit la structure comme un ensemble d’éléments connectés par des noeuds ; et une autre où la structure est davantage perçue comme un ensemble d’assemblages séparés par des éléments. L’optimisation des structures bois reviendrait alors à optimiser le nombre, la position, et le comportement des assemblages.
Koliann Mam
Ingénieur Structure et Doctorant CIFRE
« Ingénieur Structure et Doctorant CIFRE chez Elioth, je travaille depuis 3 ans sur l’exploration structurelle et environnementale des ouvrages bois de grande portée. Que ce soit dans ma thèse ou sur mes projets chez Elioth, je cherche à intégrer dans le processus de conception et de recherche de solutions performantes (matériaux, typologies, géométrie etc.), des méthodes d’évaluation environnementale des structures. L’essort de la filière bois et plus largement des produits biosourcés offre aujourd’hui l’opportunité, non pas d’abandonner les matériaux de construction plus classique, mais bien celle d’améliorer, d’innover et repenser nos méthodes de conception de nos ouvrages, dans le but de promouvoir une mixité matériautique, et ce à toutes les échelles de la structure. »
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