Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mars 2004). Bibliogr.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. [84]-89. Publié aussi en version électronique.

La technique des goujons collés dans les structures bois allie performances mécaniques et esthétisme. Elle répond au besoin de conservation du bâti pour le domaine de la rénovation et au besoin d’assemblages de plus en plus rigides et résistants en construction neuve avec l’avènement des structures bois de grandes ampleurs et l’arrivée de nouveaux produits tels que le bois lamellé croisé (CLT). De nombreuses études de caractérisation mécanique ont été menées au cours de ces 35 dernières années. L’enquête menée auprès des professionnels et experts en vue de l’introduction de cette technique dans l’Eurocode 5 a néanmoins révélé des attentes et lacunes particulières vis-à-vis des connaissances sur le comportement des assemblages multi-tiges, le choix des adhésifs, le comportement à long terme du collage et les techniques de contrôle qualité. Les travaux de cette thèse, menés en collaboration entre l’université de Bordeaux et l’Université Laval (Québec, Canada), ont pour objectif d’apporter des réponses sur le comportement mécanique des adhésifs, et assemblages sous sollicitation thermique et d’initier les développements sur le comportement à long terme et les assemblages multi-tiges. Les principaux résultats sont issus de travaux expérimentaux et numériques valorisés sous la forme d’articles scientifiques. Les essais mécaniques dynamiques menés sur une colle polyuréthane (PUR) et une résine époxy (EPX) entre 30°C et 120°C mettent en avant des différences importantes de raideur et de dégradations entre les deux adhésifs. Exposés à la chaleur, les assemblages sont eux aussi affectés avec des pertes de raideur et de résistance dès 40°C, en amont de la température de transition vitreuse et de la dégradation des adhésifs. Amené à suivre le régime de température extérieur, l’assemblage doit par sa conception être isolé afin de prévenir les risques aux états limites de service (ELS) et aux états limites ultimes (ELU). Très peu de données sont disponibles dans la littérature sur le comportement à long terme des assemblages goujons collés. L’étude du fluage ajoute une dimension temporelle aux problématiques de raideur. La base de données expérimentales collectée dans ces travaux repose sur 12 campagnes d’essais de 1 à 2 mois en conditions climatiques régulées en température et humidité relative, ou variables (service classe 1). Chargement et climat influent sur le glissement, mais aussi sur la durée de vie. Si des disparités sont présentes entre EPX et PUR, les études menées à 20°C et 50°C révèlent à nouveau l’importance de prendre en considération la température, notamment aux ELS. L’étude en régime variable illustre de son côté la sensibilité du système aux variations de température et d’humidité. L’étude de la répartition des efforts en fonction de la raideur des goujons est choisie comme fil conducteur pour investiguer le passage vers des éléments multi-tiges. Un modèle 3D mono-tige aux éléments finis est tout d’abord développé pour prendre en compte l’orthotropie du bois et regarder l’influence du centre de moelle jusqu’à présent négligée. Par la suite ce modèle est étendu aux configurations multi-tiges afin de simuler différentes configurations d’essais. Un prototype d’essai de caractérisation mécanique des assemblages multi-tiges est finalement présenté. / Glued-in rods have successfully been used for connections or reinforcement of timber structures. With the development of tall and large timber buildings and new products such as Cross Laminated Timber (CLT), there is an increasing need for connections that provide high stiffness and strength. Timber connections using glued-in rods have a general aesthetic appeal, and take advantage of the structural adhesives that provide a high stiffness and load capacity. During the last 30 years, multiple applications have been developed for renovation and new construction. In parallel, numerous investigations have characterized the mechanical performance of these connections, but harmonized design rules are not available. A lack of knowledge on the multiple-rod connections, on the choice of adhesives, on long-term effects and on the control of quality is identified by a recent study and must be investigated before a new submission to Eurocode 5. This thesis is performed in the framework of collaboration between Université de Bordeaux (France) and Université Laval (Canada). Objectives are focused on the mechanical performance of adhesives and glued-in rod connections under elevated temperature, on the development of creep tests and the investigations of multiple-rod connections. This study combines experimental and finite element modelling results, which are presented in the form of scientific articles. A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) on one polyurethane (PUR) and one epoxy (EPX) adhesives followed by static tensile tests on the connections with small-diameter steel glued-in rods have been conducted at different temperatures. High differences in stiffness are observed between the two adhesives. Glued-in rod connections with the EPX and PUR adhesives demonstrate significant losses of stiffness and resistance beyond 40°C, before the glass transition temperature of the adhesive. Following the outside temperature, connections must be insulated to prevent excessive slip and risk of failure at the Serviceability Limits State (SLS) and at the Ultimate Limit States (ULS). Few data on the long-term effects are available in the literature. In this work, 12 campaigns of creep tests, adding time effects to previous work, have been performed. Glued-in rod connections were tested during one to two months in a conditioning room where temperature and relative humidity were controlled or in a room with a variable climate representative of service class 1. Disparities were observed between EXP and PUR. Creep tests conducted at 20°C and 50°C revealed an important role of the temperature, particularly for SLS. Creep tests in variable climate illustrated the sensibility of connections to the temperature and humidity variations. The stiffness and stress distribution in multiple-rod connections were investigated. First, a 3D model was developed to observe the influence of the wood orthotropy on the stiffness and stress distribution in a connection with a single rod. Then, the model was extended to multiple-rod connections to simulate different loads and boundary conditions. Finally, a prototype of a connection with multiple glued-in rods was tested.

L'assemblage de pièces de bois est un préalable à la réalisation de produits finaux dans les domaines des armoires de cuisines et de l'ameublement. Celui-ci est réalisé principalement soit par le biais de connecteurs (métalliques ou en bois), soit par l'utilisation exclusive de colles. Dans ce projet, le soudage du bois est effectué par insertion d'un goujon en rotation à haute vitesse dans un substrat-bois dans un trou pré-percé. La friction provoque une augmentation de la température qui est à l'origine de la transformation thermique du bois et de la formation d'un joint solide entre les deux morceaux de bois. Dans ce travail, l'étude a été effectuée sur deux espèces canadiennes feuillues couramment utilisées pour le mobilier: l'érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). L'objectif était d'étudier l'influence de plusieurs paramètres, tels que l'espèce, l'orientation du grain du substrat, la vitesse de rotation du goujon et le diamètre du trou pré-percé, sur la résistance à la traction des joints soudés afin de déterminer la combinaison permettant d'obtenir le joint le plus résistant. Les résultats montrent que les deux espèces de bois utilisées dans ce procédé de soudage du bois permettent d'obtenir des joints ayant une résistance à la traction comparable à celle obtenue avec la colle (PVAc) couramment utiliseée dans le mobilier d'intérieur. De plus, nos essais ont démontré que le bois soudé présente une meilleure résistance à l'eau que le bois collé. L'analyse par rayons-X confirme par ailleurs une augmentation de la densité de la matière interfaciale lors de la formation du joint entre le substrat de bois et le goujon et met en évidence la variabilité entre les deux espèces avec un profil de densité à l'interface plus uniforme dans le cas de l'érable. Les images par microscopie électronique à balayage confirment qu'un soudage a bien eu lieu dans la zone de contact des deux pièces de bois. Toutefois, même si l'interface est bien soudée, il y a des cas pour lesquels les valeurs de résistance à la traction sont faibles (en particulier pour le bouleau), .

Le but de cette thèse fut d'optimiser le procédé d'aboutage par entures multiples du bois d'épinette noire. L'approche développée propose une méthodologie basée sur l'optimisation des paramètres de procédé dans les différentes étapes de l'aboutage soit l'effet de la forme et géométrie des joints, l'effet de la pression et temps de durcissement de l'adhésif, l'effet de la température et de la teneur en humidité du bois et les effets de la vitesse de coupe et de l'avance par couteau. Les variables étudiées ont été choisies suite à un sondage effectué dans cinq usines de bois abouté du Québec. La méthodologie adoptée a considéré des essais préliminaires et des essais d'optimisation du procédé. La thèse fournit de l'information sur des paramètres optimisés de l'aboutage du bois de l'épinette noire, inconnus jusqu'à aujourd'hui. / In Eastern Canada, black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) has recently been introduced to finger-joined wood products. While there is a growing economic importance of the species in such applications, little information is available on the manufacturing parameters that influence the finger-jointing process for this species. The purpose of this work was to optimize the finger-jointing process of black spruce wood. Various parameters associated with the finger-jointing process were evaluated. Those included the following: finger-joint configurations, curing time and end-pressure, wood temperature and moisture content and wood machining parameters. Isocyanate adhesive was used for all types of evaluations. Results from configurations evaluation indicated that the feather configuration performs better than male-female and reverse profiles, especially for horizontal structural joints. The effect of moisture content on the mechanical performance of joined black spruce wood was not very conclusive. However, the experiment on wood temperature showed the lowest tensile strength at -5°C. Results on the effect of pressure and curing time showed that curing time and end-pressure have a statistically significant influence on the performance of structural finger-joints. Analysis indicated that finger-joined black spruce has the best performance at an end-pressure of 3.43 MPa (498 psi). For wood machining parameters, results indicated that suitable finger-jointing in black spruce could be achieved within a range of 1676 m/min (5498 feet/min) and 2932 m/min (9621 feet/min) of cutting speed and between 0.86 mm and 1.14 mm of chip-load. The microscopical analysis of damaged cells confirmed the effect of cutting speed on the finger-jointing process. In general, depth of damage was more severe as cutting speed increased. Results obtained in this research could help mills to optimize the process and improve the mechanical performance of finger-joined black spruce product.

L’objectif principal de cette étude est l’évaluation des systèmes de connexions pour les murs préfabriqués à ossature légère en bois, en vue de leur amélioration future. Les critères de performance considérés sont la résistance et la conformité aux exigences des codes du bâtiment Nord Américains pour les zones de grands vents et de séismes. Les systèmes de connexion évalués ont été choisis pour leur facilité d’installation et leur disponibilité à faible coût. Trois configurations de connexion pour joindre des segments de murs préfabriqués furent étudiées. Neuf tests de flexion et dix-huit tests statiques et cycliques de cisaillement des murs à l’échelle réelle furent réalisés. Les résultats des tests de flexion démontrèrent que la configuration de connexion utilisée pour connecter les segments de murs n’a pas d’influence importante sur la performance des murs assemblés. D’un autre côté, la fixation des murs à la fondation à l’aide des boulons permet d’atteindre plus de résistance et de rigidité. En moyenne, les murs assemblés résistèrent à des pressions équivalentes à 4.3 kPa, correspondant à une vitesse de vent de 232 km/h. Les résultats des tests de cisaillement indiquèrent que la configuration de connexion entre segments n’a pas d’influence significative sur la performance des murs assemblés. Par contre, les murs ancrés montrèrent le double de résistance par rapport aux murs non-ancrés. Ces derniers résultats furent comparés avec les résistances requises par la norme CSA-086. Les calculs indiquèrent que les valeurs expérimentales étaient en accord avec les exigences de la norme sauf pour la résistance maximale d’un mur non-ancré soumis au chargement statique. La modélisation numérique fut utilisée pour prédire la performance des murs sous conditions de charge de cisaillement dans le plan et en flexion perpendiculaire au plan du mur. Des essais auxiliaires sur des assemblages cloués et vissés fournirent les données d’entrée. Les modèles montrèrent des prédictions satisfaisantes pour l’identification des zones de rupture et pour le comportement non-linéaire des murs préfabriqués. L’information compilée permet de réaliser des analyses quantitatives des murs conventionnels et d’ingénierie. Cette information devrait être utile pour le développement des méthodologies de design pour les systèmes résistant aux forces latérales des maisons préfabriquées. / The objective of this research was the evaluation of connection systems for prefabricated light-frame wall-panels for potential improvement. The performance criteria were the resistance and compliance with North-American building codes for high-wind and seismic zones. The studied connection systems were chosen according to their ease of installation, low cost and availability. Three inter-segment connection configurations joining prefabricated wall segments were studied. Nine out-of-plane bending tests and eighteen static and cyclic racking tests were conducted on full-size walls. Results of bending tests indicate that the type of inter-segment connection did not influence the behaviour of the assembled walls. However, the attachment to the foundation with bolts allowed for reaching higher capacity and stiffness. On average, the assembled walls resisted pressures equal to 4.3 kPa, which corresponds to 232 km/h wind-speed. The racking tests results indicated that the configuration of inter-segment connection did not have a significant influence on the performance of wall assemblies. The walls with hold-down anchors showed a double resistance in comparison with walls without hold-downs. Shear capacities of tested walls were in close agreement with the design values specified in CSA-086 for shear walls except for one monotonic test of a non-anchored specimen. Finite element models were used to study the behaviour of walls assemblies subjected to in plane racking and out-of-plane bending loads. Auxiliary tests on nailed and screw connections provided input data for the model. Modeling results showed satisfactory predictions for identifying the failure zones and describing non-linear behaviour of prefabricated walls. The collected information contributes to a quantitative analysis of conventional and engineered light-frame walls. This information is crucial for the development of design methodologies for lateral load resisting systems of prefabricated houses.

Les charpentes en bois doivent inévitablement inclure des assemblages pouvant transférer les charges entre les éléments de façon adéquate pour assurer l’intégrité de la structure. Les assemblages sont une partie critique des structures en bois puisque dans la plupart des cas, ce sont ceux-ci qui permettent de dissiper l’énergie et d’obtenir un mode de rupture ductile sous les charges sismiques. Ce mode de rupture est préférable, puisqu’il donne lieu à une grande déformation avant effondrement, permettant ainsi une évacuation des occupants en toute sécurité lors de tremblement de terre. Les assemblages à petits diamètres tels que les clous, les rivets et les vis sont fréquemment utilisés dans les constructions en bois et on suppose qu’ils amènent une rupture ductile bien qu’il soit impossible pour les concepteurs de prédire exactement le mode de rupture à l’aide de la méthode de calcul actuelle. De plus, les rivets ont une application très limitée dû au fait que la méthode de calcul utilisée actuellement s’applique à des configurations, essences et types de produits de bois très spécifiques. L’objectif de ce projet est d’évaluer une nouvelle méthode de calcul proposée par des chercheurs de Nouvelle-Zélande, Zarnani et Quenneville, pour les assemblages à rivets, mais adaptable pour les assemblages de bois à attaches de petits diamètres. Elle permet au concepteur de déterminer avec précision le mode de rupture des assemblages de différentes configurations avec différents produits de bois. Plus de 70 essais sur les assemblages à rivets et à clous résistants à des charges variant de 40kN à 800kN ont été effectués dans le cadre de ce projet de recherche afin de valider l’utilisation de cette méthode avec le produit du bois lamellé-collé canadien Nordic Lam et la comparer avec celle présentement utilisée au Canada. Les modes de rupture ductile, fragile et mixte ont été prévus avec l’emphase sur le mode fragile puisque c’est celui-ci qui est le plus variable et le moins étudié. Les assemblages en bois lamellé-collé Nordic Lam étaient cloués ou rivetés selon différentes configurations variant de 18 à 128 clous ou rivets. Les résultats démontrent une bonne prédiction de la résistance et des modes de rupture des assemblages à clous et à rivets. Pour quelques configurations des assemblages à rivets, les prédictions de la nouvelle méthode sont plus élevées qu’avec la méthode actuelle. Les assemblages à clous ont démontré des ruptures de la tige de clous au niveau du plan de cisaillement lors de tous les essais effectués, ce qui ne correspond pas à un mode ductile ou fragile prévue par la méthode de calcul. / Connections in wood structures must be able to transfer the load between the elements to ensure the structure integrity. Connections are critical in wood structures because under seismic load, they are used to ensure a ductile failure of the entire structure. This failure mode is preferable because it allows to dissipate the energy by developing large deformation, so that safe evacuation of occupants before the building collapse is possible. Small diameter fasteners like nails, screws and rivets are used a lot in wood structures under the assumption that they lead to a ductile failure although the calculations made with the current design method does not allow the designer to be sure of that. Furthermore, rivets have a very limited application because the current design method only applies to very specific configurations and wood species products. The objective of this project is to evaluate a new calculation method proposed by Zarnani and Quenneville from New-Zealand for connections with rivets, which can be extended to other small diameter fasteners in timber connections. It is not limited to specific configurations or wood products and it allows the designer to predict the failure mode. Over 70 tests on riveted and nailed connections with resistances varying from 40kN to 800kN were conducted during this project in order to validate the application of this method using a Canadian-made glulam timber. The new method was compared with design methods currently used in Canada. Ductile, mixed and brittle failure modes were targeted with the emphasis on brittle failure because it has the highest variability and it is the least studied.Wood connections were made of Nordic Lam glulam using rivets or nails with configurations varying from 18 to 128 fasteners. The results show good predictions of the connection resistance and the failure modes of connections with nails and rivets. For some configurations of rivets connections, the predictions of the new method are higher than predictions using the current design method. The nails connections showed rupture of the nails shank near the shear plane in all tests, which does not correspond to ductile or brittle failure modes predicted by the model.