Pour répondre à la fois à la croissance de la population urbaine mondiale et aux changements climatiques, de nouveaux systèmes structurels à haut niveau de préfabrication et utilisant des matériaux renouvelables doivent être développés. L'ossature légère peut avoir un taux de préfabrication très élevé, mais est actuellement limitée à 6 étages. Un nouveau système structurel qui pourrait permettre l'utilisation de la construction modulaire à ossature légère dans les immeubles de grande hauteur est modélisé et analysé. Ce système est composé d'une hyperstructure supportant les charges de sous-structures superposées de 4 étages en ossature légère. Des hyperstructures de 20 étages, en glulam, en béton et hybride bois-béton sont conçues selon le Code national du bâtiment du Canada 2015 et comparées. Un modèle simplifié pour les modules à ossature légère selon la norme CSA O86-19 est proposé. L'interaction entre les deux systèmes et l'impact sur les sous-structures sont analysés. Les résultats de l'analyse du spectre de réponse sismique et de l'analyse dynamique du vent montrent qu'avec une hyperstructure en glulam, les modules peuvent être reliés aux colonnes et aux planchers ou seulement aux planchers. Avec une hyperstructure en béton, les modules doivent être connectés aux colonnes et aux noyaux. Pour les murs de refend, des compositions standards suffisent à résister au cisaillement induit par les charges gravitationnelles, de vent et sismiques. L'analyse indique que le système pourrait être viable, mais des recherches plus approfondies devraient être menées, en particulier sur les connexions et la résistance incendie. / To respond to both global urban population growth and climate change, new structural systems with a high level of prefabrication and renewable materials need to be developed. Light-frame construction can have a very high prefabrication rate but is currently limited to 6 storeys. A new structural system that could allow the use of light-frame modular construction in high-rise buildings is modeled and analysed. This system consists of a hyperstructure supporting the loads of 4-storey light-frame superimposed substructures. Twenty-storey hyperstructures, in glulam, concrete and wood-concrete hybrid are designed according to the 2015 National Building Code of Canada and compared. A simplified model for the light-frame modules according to the CSAO86-19 is proposed. The interaction between the two systems and the impact on the substructures are analysed. The results of the seismic response spectrum analysis and the dynamic wind analysis show that with a glulam hyperstructure, the modules can be connected to the columns and floors or only to the floors. With a concrete hyperstructure, the modules must be connected to the columns and the cores. Standard shearwall assemblies are sufficient to resist the shear induced by gravity, wind and seismic loads. The analysis indicates that the system could be viable, but further research should be carried out, particularly on connections and fire resistance.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / L'industrie de la construction est en changement de paradigme. Sur les marchés, la demande ne cesse de croître, alors que l'offre ne peut répondre à la demande. De nouvelles méthodes et techniques sont utilisées pour contrer la pénurie de main d'œuvre, la crise climatique et la faible productivité. Certaines de ces méthodes impliquent la préfabrication de modules et de panneaux en bois dans un environnement de production contrôlé. Alors que la construction de bâtiments évolue en processus manufacturiers, le taux de productivité demeure faible. Ceci est en partie dû au faible taux d'adoption de technologies et d'automatisation dans les lignes de production. Ce projet de maîtrise se concentre sur le processus manufacturier de la préfabrication de murs à ossature légère. Une revue de littérature fait état de l'art sur le niveau d'automatisation, les types d'environnement de production et les outils technologiques impliqués dans la préfabrication de murs à ossature légère. Un cas d'études impliquant une entreprise qui a développé un système constructif pour les murs à ossature légère est étudié en détail. Des aménagements de production allant de peu a très automatisés sont conceptualisés pour la préfabrication de murs à ossature légère. Les différents aménagements sont testés dans un modèle de simulation et l'impact sur les différents indicateurs de performance est observé. Une analyse économique est effectuée sur les différents aménagements proposés et une méthodologie d'implantation est suggérée. Les indicateurs de performance mis en place démontrent que l'aménagement de production impliquant une cellule robotisée avec un haut niveau d'automatisation projette des résultats de performance intéressants. / The construction industry faces a paradigm shift. On the markets, the demand is rising, while the supply cannot satisfy the demand. New methods and techniques are being used to overcome the labour crisis, climate crisis, and productivity crisis. Some of these methods include the prefabrication of modules and wood panels in a factory. Although the construction of buildings is evolving into a manufacturing process, the prefabrication sector still lacks productivity and efficiency. This is mainly due to the low adoption of automation and technologies in the production lines. More specifically, this master's thesis focuses on the production processes of prefabricated timber frame walls. First, a literature review is done to assess the level of automation, the types of production environment, and technological tools involved in the prefabrication of timber frame walls. Thereafter, a case study involving a company who has developed a fully prefabricated timber frame wall system is studied in detail. The focus is on the production environment and the level of automation needed regarding several performance indicators for the studied system. These different layouts with different automation levels are tested in a simulation model to see their impact on several performance indicators. An economic analysis is done on the different layouts and a methodology of implementation is suggested. Results show that the most performing scenario involve a robotic cell with the highest level of automation.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La consommation énergétique lors de la phase d'exploitation des bâtiments est une des phases du secteur de la construction qui contribue le plus aux changements climatiques. Alors que les chercheurs s'efforcent de trouver des innovations pour réduire la consommation énergétique des bâtiments, les demandes du secteur de la construction pour réduire les délais de fabrication et de livraison sont réelles et doivent affecter les méthodes de construction innovantes. De ces méthodes, la préfabrication peut permettre de réduire les délais, compter sur une assurance qualité et diminuer les coûts. Néanmoins, pour maximiser la performance de l'enveloppe et la productivité sur site, le développement de méthodes de scellement aux joints des composantes préfabriqués est essentiel. En ce sens, l'objectif général de ce projet était de concevoir un joint autoscellant pour des murs en ossature bois totalement préfabriqués (MCPB) permettant d'atteindre des standards de performance énergétique élevés et d'accélérer la construction sur chantier. Les matériaux de scellement utilisés pour cette jonction ont été mis à l'essai en laboratoire et leurs performances en étanchéité à l'air ont été comparées à différents scellants. Un assemblage complet utilisant le système de jonction autoscellant a également été mis à l'essai en laboratoire et sur chantier pour évaluer ses performances en termes d'étanchéité à l'air, de comportement thermique et de vitesse d'assemblage. Ces performances ont été comparées à celles générées par un assemblage en ossature légère de bois conventionnel. Des matériaux étudiés, le ruban de butyle a montré les résultats les plus étanches à l'air, permettant à l'assemblage développé d'être plus étanche que la solution conventionnelle. Disposé adéquatement, cet assemblage permet également de limiter les perturbations thermiques lors de pression de vent. Moins rapide à l'assemblage, ce système propose néanmoins une mise en chantier de murs plus achevés que les murs préfabriqués traditionnels. Sur la totalité d'un projet de construction unifamilial, le système développé permettrait en autres de diminuer le délai de construction. Comptant sur une solution en panneau, ce système permettrait également de diminuer les coûts de transports vis-à-vis des solutions modulaires. Contribution rare à la recherche dans ce domaine, ce projet s'inscrit dans une démarche innovante de performance énergétique et d'amélioration de la productivité du secteur de la construction préfabriqué en bois. / Energy consumption during the operational phase of buildings is one of the largest contributors to climate change in the construction sector. As searchers seek to find innovations to reduce the energy consumption of buildings, the demands of the construction industry to reduce manufacturing, construction and delivery times are real and must affect innovative construction methods. Of these methods, prefabrication can help reduce time, rely on quality assurance and lower costs. Nevertheless, to maximize the envelope performance and on-site productivity, the development of sealing methods at the joints of prefabricated components is essential. In this sense, the objective of this project was to design a self-sealing joint for totally prefabricated wood-frame walls to achieve high energy performance standards and accelerate on-site construction. The sealant materials used in this joint were tested in the laboratory to compare their airtightness performance to other sealants used in construction industry. A complete assembly using the self-sealing joint system was also tested on-site and in the laboratory to evaluate its performance in terms of airtightness, thermal behavior and assembly speed. These performances were compared to those generated by a conventional light wood-frame assembly. Of the materials studied, the butyl tape showed the tightest results, allowing the developed assembly to be more airtight than the conventional solution. When properly placed, this assembly also limits thermal disturbances under wind pressure. Not as fast to assemble, this system nevertheless offers a more finished wall than traditional prefabricated light wood-frame walls. For a single-family construction project, the system developed could reduce the construction time. Relying on a panel solution, this system could also reduce transportation costs compared to modular solutions. A rare contribution to research in this field, this project is part of an innovative approach to energy performance and productivity improvement in the prefabricated wood construction sector.

De nombreux programmes de construction écologique ont vu le jour depuis la dernière décennie visant à promouvoir la construction de bâtiments plus durables. Considérant que les matériaux biosourcés peuvent aider à réduire l’empreinte environnementale des bâtiments, il est judicieux d’en étendre leur utilisation. Un récent engouement s’est créé pour les sous-produits de culture céréalière en guise de remplacement aux fibres isolantes non renouvelables dans les structures en bois. De nombreux chercheurs ont étudié certaines isolations naturelles alternatives utilisées de nos jours. En comparaison aux matériaux d’isolations commerciaux, ces matériaux ont un impact environnemental remarquablement faible. Dans cette optique, l’utilisation de la paille compressée comme isolant offre un très faible impact dans l’analyse de son cycle de vie. Cependant, la sécurité incendie a toujours été une grande préoccupation pour les constructeurs utilisant des matériaux naturels combustibles. L'objectif de cette étude est de documenter le risque incendie de la paille compressée lorsqu'elle est utilisée comme matériau isolant dans des assemblages à ossature en bois. Trois densités de paille comprimée (75, 125 et 175 kg/m3) ont été sélectionnées pour évaluer leurs propriétés de combustion et leur conductivité thermique, en essayant de déterminer laquelle avait la meilleure combinaison de propriétés. La paille de la densité sélectionnée a ensuite été comparée aux matériaux d'isolation combustibles disponibles sur le marché pour comparer leur risque d'incendie. Par la suite, cet isolant de même densité a été testé dans un assemblage à ossature en bois à moyenne échelle pour évaluer l'impact de sa charge combustible comparativement à un matériau d'isolation incombustible. Les résultats ont démontré que la paille compressée d'une densité de 75 kg/m3 avait les meilleures propriétés de combustion et d'isolation. Les résultats suggèrent que la paille compressée aurait très probablement un meilleur comportement au feu par rapport à ceux des matériaux d'isolation combustibles disponibles sur le marché. Malgré la nature combustible de la paille compressée, l'impact de sa charge combustible dans un système de construction en bois a été moins important que prévu. Les propriétés de combustion de la paille compressée étant moins dangereuses que les matériaux d'isolation combustibles disponibles sur le marché, ainsi que l'impact de sa charge calorifique dans une structure à ossature de bois, l'utilisation de ce matériau comme isolant principal dans un bâtiment est, par bonne conception, gérable sans augmenter les risques / Many green building programs have emerged since the last decade to promote the construction of more sustainable buildings. Considering those biobased materials can help reduce the environmental footprint of buildings, it is wise to expand their use. A recent craze has emerged for cereal crop byproducts as a substitute for nonrenewable insulation fibers in wood structures. Many researchers have studied some of the alternative natural insulation materials used today. Compared to commercial insulation materials, these materials have a remarkably low environmental impact. In this context, the use of compressed straw as insulation offers a very low impact in the analysis of its life cycle. However, fire safety has always been a big concern for builders using natural combustible materials. The objective of this study is to document the fire hazard of compressed straw when it is used as an insulating material in wood frame assemblies. Three compressed straw densities (75, 125 and 175 kg/m3) were selected to evaluate their combustion properties and thermal conductivity, in attempt to determine which had the best combination of properties. The selected density straw was then compared to commercially available combustible insulation materials to compare their fire risk. Subsequently, this same density straw was tested in a medium-scale wood frame assembly to evaluate the impact of its fuel load comparatively to a non-combustible insulation material. The results showed that compressed straw with a density of 75 kg/m3 had the best properties of combustion and insulation. The results suggest that compressed straw would most likely have better fire performance compared to combustible insulation materials available on the market. Despite the combustible nature of the compressed straw, the impact of its fuel load in a wooden construction system was less than expected. Because the burning properties of compressed straw are less hazardous than commercially available combustible insulation materials and the impact of its heat load in a wood frame structure, the use of this material as an insulator in a building is, by design, manageable without increasing risks.

L’objectif principal du projet de recherche est le développement d’une méthode de calcul parasismique pour les structures multiétagées à ossature légère en bois de moyenne hauteur. Actuellement, l’analyse dynamique linéaire (LDA) est très peu utilisée par l’industrie de la construction en bois dû à la complexité de modéliser le comportement non linéaire ce type de structure. La méthode de la charge statique équivalente (ESFP) est la plus utilisée en raison de sa simplicité. Cette étude est basée sur une récente méthodologie qui utilise un processus itératif pour simuler le comportement non linéaire d’une structure à ossature légère en bois dans une LDA. Dans la méthode proposée, la rigidité minimale des murs de refends est utilisée afin d’éliminer le processus itératif et le comportement non linéaire. L’utilisation de la LDA pour la conception de structures multiétagées à ossature légère en bois est ainsi simplifiée. Aux fins de validation de la méthode, une comparaison de la distribution du cisaillement, des moments de renversement, des flèches inter étages ainsi que de la flèche totale inélastique est effectuée pour des murs de refends de six-, quatre- et deux étages ayant des rapports géométriques variant de 0.6 à 6.0. Les murs utilisés pour la comparaison sont tirés d’un exemple de calcul sur un bâtiment de six étages à ossature légère en bois situé dans la ville de Québec. Ce projet démontre que l’ESFP sous-estime les forces de cisaillement dans les étages supérieurs et surestime les moments de renversement à la base des structures multiétagées à ossature légère en bois en comparaison avec la LDA. Les résultats démontrent que l’utilisation de la méthode simplifiée de LDA permet d’optimiser la conception de murs de refends à ossature légère en bois de moyenne hauteur. / The main objective of the research project is to develop a seismic design methodology for mid-rise multi-storey light-frame wood structure. Currently, linear dynamic analysis (LDA) is rarely used in design of light-frame wood structures because of the complexity of modelling the non linear behaviour. Equivalent static force procedure (ESFP) is mostly used because of its simplicity. The study is based on a recently developed methodology using an iterative process to simulate non linear behaviour of light-frame wood structure in LDA. In the proposed methodology, the iterations are eliminated by using the minimum shear stiffness of shear walls. To validate the proposed simplification, shear force distributions, overturning moments, interstorey drifts and total inelastic deflections of shear walls with different aspect ratios, from 0.6 to 6.0, in six-, four- and two-storey buildings located in Quebec City were calculated and compared against the results obtained with iterative LDA and with ESFP. The results show that ESFP underestimates the storey shear at the top floor and overestimates the overturning moment at the base of a multi-storey light-frame wood structure in comparison with LDA. The results show that the simplified LDA can be used to optimize the design of mid-rise light-frame wood shear walls.

Dans un édifice à ossature légère, ce sont les diaphragmes et les murs de refend qui transfèrent les charges latérales à la fondation par cisaillement et par résistance au soulèvement. L’utilisation d’ancrage de retenue verticale permet de limiter le renversement et d’améliorer ainsi la résistance latérale du système. Par contre, ces ancrages sont rarement utilisés dans les constructions en ossature légère traditionnelles rendant généralement leur résistance inconnue. Un des facteurs limitant le renversement des murs partiellement ancrés est l’action des charges verticales. Une étude a été réalisée à l’Université Laval dans le but de déterminer l’influence des charges verticales appliquées au mur sur sa performance latérale. Les essais consistaient en 43 tests statiques et cycliques effectués sur des murs en ossature légère à échelle réelle avec et sans ancrage de retenue verticale. Les murs avaient une hauteur de 2,44 m et une longueur de 2,44 ou 4,88 m et étaient revêtus de panneaux OSB sur un côté. Trois intensités de charge de gravité ont été appliquées aux murs non ancrés : poids d’un toit, poids d’un étage et poids à appliquer pour prévenir tout renversement (correspondant à un mur ancré). Trois murs de 4,88 m avec ancrage ont été testés sous le poids d’un étage. Une série de contrôle de chaque configuration a été réalisée sans charge verticale selon les normes de l’ASTM. Les résultats ont démontré que l’application de charges verticales permet d’augmenter la résistance maximale des murs non ancrés peu importe le protocole de chargement. Une comparaison entre les différentes méthodes de calcul de la résistance latérale des murs soumis à des charges combinées a été faite avec une vérification expérimentale. Les résultats ont démontré que la méthode donnée dans CSA-O86 demeure conservatrice pour de faibles charges verticales, mais semble surestimer la capacité latérale d’environ 10% à des charges plus élevées. La méthode proposée par Källsner et al. est la plus conservatrice. Dans l’ensemble, les méthodes donnent une estimation raisonnable de la capacité des murs non ancrés utilisée en pratique. Le calcul de la flèche proposé par CSA-O86 a également été vérifié. Selon les résultats obtenus, ce calcul semble surestimer la rigidité des murs non ancrés. Afin de rester conservateur, une note devrait être ajoutée à la définition de la déformation des clous, en, mentionnant que la charge par clou doit être celle qui serait observée pour un mur ancré. Cette formulation est basée sur l’hypothèse que tous les clous dans le bas des panneaux atteingnent leur capacité ultime. Finalement, il a été observé qu’une augmentation de la charge verticale diminue le soulèvement des montants d’extrémité et augmente alors le travail des clous en périphérie. Une plus grande rotation des panneaux par rapport à l’ossature est alors observée. / In light-frame buildings, it is diaphragms and shear walls that transfer the lateral forces to the foundation through shear and hold-down restraint. The use of hold-down anchoring devices limits the overturning and therefore improves the lateral resistance of the system. However, these anchors are rarely used in the traditional light-frame construction and the lateral resistance of such systems is largely unknown. One of the factors limiting the overturning of partially restrained walls is the action of the vertical loads. A study was performed at the Laval University aiming at the determination of the influence of the vertical load applied to a wall on its lateral performance. The experimentation program consisted of 43 static and cyclic racking tests on full-size light-frame walls with and without hold-downs. The walls were 2.44-m tall and 2.44-m and 4.88-m long fully sheathed with OSB panels on one side. Three intensities of the vertical dead load were applied to walls without hold-downs: roof load, one storey load and load needed to prevent any overturning (corresponding to a fully restrained wall). Three 4.88-m long walls with hold-downs were tested under one storey load. Control specimens of each configuration were tested without vertical load according to relevant ASTM standards. Results show that application of vertical loads improves maximum capacity of non-anchored walls regardless the load protocol. A comparison of various methods of calculation of the lateral resistance of walls under combined loads was done using experimental verification. The results show that the CSA-O86 method is conservative for low vertical loads, but seems to overestimate the lateral capacity up to 10% for higher loads. The Källsner method is the most conservative. Overall, the design methods give reasonable estimate of the capacity of non-anchored walls used in practice. The calculation of the wall deflections proposed by CSA-O86 was also verified. This formula seems to overestimate the rigidity of non-anchored walls. To stay conservative, a note should be added to the definition of nail deformation, en, indicating that the load per nail should be the one observed for an anchored wall. This formulation is based on the assumption that all sheathing-to-bottom plate nails reach its ultimate capacity. Finally, it was observed that increasing the vertical load decreases the amount of uplift of the chords and therefore increases the work of the nails along the perimeter of the panel, which allows greater rotation of the panels about the frame.