Dans un contexte où l’on cherche à limiter l’empreinte écologique milieu bâti et à valoriser les ressources locales, le bois s’est imposé comme un matériau incontournable dans le secteur de la construction. Parmi les produits de bois d’ingénierie, le bois lamellé-collé est l’un des plus fréquemment utilisés. Les produits actuellement offerts sont presque exclusivement composés d’espèces résineuses. Toutefois, un regain d’intérêt pour les espèces feuillues est aujourd’hui manifeste, en raison de leurs propriétés mécaniques impressionnantes ainsi que de leur apparence noble et distinctive. L’objectif de ce projet était d’évaluer la faisabilité technique d’un bois lamellé-collé structural composé d’espèces feuillues du nord-est de l’Amérique du Nord. Le chapitre consacré à l’identification des propriétés indicatrices pertinentes à la prédiction de la résistance en traction des espèces étudiées a permis de conclure qu’il est possible de classer ces dernières selon leur résistance à partir de propriétés mesurables en contexte industriel. Le chapitre consacré à l’évaluation de la résistance au cisaillement d’assemblages composés de différentes espèces feuillues et adhésifs structuraux a permis d’identifier les combinaisons les plus appropriées pour un produit d’ingénierie structural composé de ce type. Le troisième et dernier chapitre a permis de sélectionner un profil de joint à entures multiples qui convient aux espèces étudiées et de mettre à l’essai des poutres pleine grandeur. Les résultats ont confirmé que la rupture de l’élément se produit consécutivement à la rupture d’un joint situé dans la lamelle inférieure de la poutre. Une optimisation plus poussée des paramètres d’aboutage permettrait d’augmenter considérablement la résistance du produit. Les poutres fabriquées et mises à l’essai ont atteint une résistance de 47,0 MPa pour le frêne d’Amérique et de 41,6 MPa pour le bouleau jaune, pour des modules d’élasticité respectifs de 15 078 et 16 712 MPa. La rigidité supérieure constitue un atout majeur du produit. / The current growing demand for engineered wood products in the construction sector is largely attributable to their outstanding ecological performance. Aware of the market opportunities as well as of the lack of high value-added opportunities for some wood species, industry and policy-makers from several jurisdictions have recently joined forces to develop products made from non-conventional species, especially with hardwoods. In addition to the possibility of creating products with a noble and distinctive appearance, the high mechanical properties of some hardwood species offer the opportunity to create engineered products of outstanding strength. The objective of this study was to assess the technical feasibility of a glued-laminated timber made from northeastern North American hardwood species. Work presented in the first chapter confirmed that it is feasible, using a modelling approach, to predict the UTS of white ash and yellow birch lumber from the density, dynamic modulus of elasticity, sinus of the maximum local grain deviation (SGDmax) and Knot Area Index (KAI). Work presented in chapter 2 has shown that acceptable wood failure levels can be achieved in bondline shear strength tests with commercially available structural adhesives. Tensile tests on finger-jointed lamellae presented in chapter 3, allowed to select the 15 mm finger joint as the most appropriate for the jointing of the investigated species. Bending tests conducted on full-size hardwood glued-laminated timber beams, also presented in chapter 3, confirmed the possibility to achieve a bending strength up to 47.0 MPa for white ash and 41.6 MPa for yellow birch, with a corresponding modulus of elasticity of respectively 15 078 and 16 712 MPa. Since the failure of the beams initiated at the finger joints, further study and optimization of the finger-jointing parameters would lead to a superior bending strength.

Ce mémoire de recherche-création documente les qualités et les contraintes du panneau X-LAM. Le potentiel d’utilisation mis en exergue par une recension de littérature est ensuite mis à contribution dans un projet de création architecturale pour en explorer les possibilités structurales et architecturales en contexte canadien. Le projet de création consiste en un bâtiment de hauteur moyenne situé dans l’écoquartier de la Pointe-aux-Lièvres à Québec. En effectuant une portion de la démarche par l’exploration architecturale, cette recherche-création veut approfondir non seulement les connaissances, mais aussi les pratiques liées à l’utilisation du panneau X-LAM. La présence simultanée de recherche et d’expérimentation vise aussi à questionner les liens qui unissent la recherche et la création en conception architecturale. / This research-creation thesis addresses the qualities and constraints of X-LAM panels. Its proprieties, first gathered in a literature review, are used as input in an architectural creation project to explore the panel structural and architectural potential in Canadian context. The conception project is a mid-rise building located in Pointe-aux-Lièvres’s econeighborhood, in Québec city. By completing part of the process with architectural exploration, this research-creation seeks to deepen the knowledge and practice related to the uses of X-LAM panels. The simultaneous presence of research and experimentation also wants to question the relationship uniting research and creation in architectural conception.

On assiste à une reprise d’intérêt pour l’utilisation du bois comme matériau structural dans la construction de ponts et d’édifices. Le bois lamellé-collé (BLC) est généralement le produit de bois d’ingénierie retenu pour la fabrication des poutres de bois à longue portée. Cependant, de nouvelles approches sont nécessaires afin d’augmenter la longueur des portées actuellement réalisables avec ce matériau compte tenu des limites imposées par les propriétés mécaniques du bois et par les caractéristiques géométriques des sections de BLC. Une approche abordée dans ce mémoire est le développement de sections composites combinant le BLC avec d’autres matériaux. Ce mémoire rapporte la conception et les essais sur des configurations innovatrices de poutres en bois lamellé-collé assemblées avec une ou des planches en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) et des bars d’armature en acier ou en polymère renforcé de fibres (PRF). Le document fournit des détails sur les concepts généraux étudiés, décrit certains des problèmes rencontrés lors de la fabrication des poutres composites et fait ressortir les résultats des essais de flexion en quatre points qui ont été effectués sur les spécimens.

L’objectif de cette étude est de comprendre le comportement d’éléments en bois lamellé-collé sollicités en compression selon un angle donné incluant le renforcement par frettage de vis. Les résultats expérimentaux montrent que le critère en absence de renforcement fonctionne sur l’association de la résistance de compression et de la résistance de cisaillement associée à trois facteurs fonction des données géométriques. Cette association est par la suite traduite par un calcul géométrique d’une longueur efficace tenant compte des longueurs de débord et zones d’interaction. En présence de renforcement, le critère fonctionne sur l’association de cette longueur efficace traduisant un effet de diffusion de l’effort et de l’effort repris par les vis de renforcement. Une démarche est proposée pour choisir entre les deux modes de rupture dits unitaires observés sur une vis ; la portance de la vis et le flambement de la vis. Cependant, l’effort apporté par les vis peut être traduit par un calcul géométrique d’une longueur efficace permettant d’intégrer le troisième mode de rupture, appelé « Compression en pointe de vis ». Cet objectif a donc permis au final d’élaborer une règle de dimensionnement pour les éléments sollicité en compression selon un angle donné avec ou sans renforcements / The objective of this study is to understand and model the behaviour of glulam beam solicit compression at given angle to the grain including reinforcement of self-tapping screw. Experimental results show that the tests in the absence of reinforcement operate on the association between the compression strength and the shear strength associated with three factors based on geometric data. This association is translated by a geometric calculation of effective length taking into account the lengths of overhang and interactions. In the presence of reinforcement, the test works on the association of the effective length reflecting a spreading effect and the effort takes by reinforcing screws. An approach is proposed to choose between the two failures modes observed on a screw called; the withdrawal of the screw and the buckling of the screw. However, the effort made by the screws can be translated by a geometric calculation of effective length for integrating third failure mode called "Compression in a plane formed by the screw tips". This objective has therefore enabled the development of a final dimensioning rule for the elements under compression at a given angle with or without reinforcements

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Malgré un engouement grandissant pour la construction massive en bois, celle-ci est limitée dans les codes du bâtiment pour des raisons de sécurité incendie. Au Canada le code restreint la construction en bois massif à certain groupe d'usage principal. Une solution de rechange peut toutefois être élaborée grâce à l'ingénierie de la sécurité incendie. Cette conception par objectifs de performance peut nécessiter des essais à grande échelle coûteux en temps et financièrement. Selon la complexité du scénario, ces essais pourraient être remplacés par une approche analytique plus rapide et moins dispendieuse. L'objectif du projet était de développer un modèle analytique prédisant la dynamique incendie, ainsi que la profondeur de carbonisation, lors d'un incendie dans un compartiment de construction massive en bois, ayant diverses quantités de bois exposé. L'analyse de quatre modèles existants a mis en lumière la nécessité de prendre en compte l'impact de la concentration d'oxygène et du flux thermique incident à la surface des éléments en bois sur leur vitesse de carbonisation. Le modèle à deux zones développé prédit le débit calorifique, la température et la concentration d'oxygène dans la couche de gaz chauds, ainsi que la profondeur de carbonisation des éléments en bois exposés. Les prédictions ont été comparées à 20 essais de feu de compartiment de construction massive en bois totalement ou partiellement encapsulé qui ont été réalisés au fil des dernières années. Les analyses qualitatives et quantitatives ont démontré que le modèle prédit fidèlement la dynamique générale des incendies expérimentaux. Les profondeurs de carbonisation prédites sont conservatrices et proches des valeurs expérimentales. Cinq limites du modèle et pistes d'améliorations ont été identifiées pour les versions futures du modèle. Le modèle développé devrait faciliter et soutenir la conception par performance de bâtiments en bois massif, ainsi que de potentiels changements pour augmenter les limites prescriptives sur l'exposition d'élément en bois massif dans les codes du bâtiment. / Despite a growing interest, mass-timber construction is currently limited by most building codes mainly due to fire safety concerns. In Canada, the building code restricts mass timber construction to a limited group of major occupancy. However, an alternative solution can be developed through fire safety engineering. This performance base design can require large-scale tests that are costly and time consuming. Depending on the complexity of the scenario, these tests could be replaced by a faster and less expensive analytical approach. The objective of the project was to develop an analytical model predicting the fire dynamics as well as the char depth during fire in mass timber construction compartment with different amounts of exposed surfaces. The analysis of four existing model highlights the necessity to account for the impact of the heat flux impinging on the surface and the oxygen concentration, on the timber element charring rate. The developed two-zone model predicts the heat release rate (HRR), the upper-layer temperature and oxygen concentration, as well as the char depth of exposed timber element. The model predictions were compared to 20 experimental mass timber compartment fires partially or fully encapsulated that were recently over the past few years. The qualitative and quantitative analysis showed that the model captures well the general fire dynamic i.e., HRR and temperature. Five limitations and improvements have been discussed and will be considered in future versions of this model. The developed model will facilitate and support performance-based fire design of timber buildings as well as potential changes to increase the prescriptive limits of exposed mass timber in building codes.

Le lamellé collé est un produit adapté pour répondre à la demande croissante du marché de la construction de Guyane, compte tenu de la ressource forestière. Cependant, des problèmes techniques, climatiques et économiques rendent le collage trop difficile en Guyane. Les professionnels de la construction bois, proposent souvent de réaliser des assemblages mécaniques simples en substituant la colle, mais aucun référentiel technique ne permet de justifier parfaitement ce produit. Le boulonnage seul conduit à une poutre insuffisamment rigide du fait que les lames glissent l'une sur l'autre. Le clou est un organe d'assemblage simple et adapté à la reprise d'efforts tangents. Les travaux entrepris dans cette thèse se sont concentrés sur la question : comment des poutres constituées de lames en gonfolo clouées peuvent présenter une rigidité suffisante en flexion ? Une série d'essais a permis de définir le comportement non linéaire d'un assemblage cloué cisaillé par le glissement des lames. D'autres essais, réalisés sur des bilames cloués sollicités en flexion 4 points, ont montré qu'une densité de clouage suffisante permettait de se rapprocher de la rigidité que conférerait un collage. La modélisation par éléments finis des lames clouées fléchies, utilisant la loi de comportement expérimentale de l'assemblage cloué, permet de définir la performance du bilame en fonction de la densité de clouage et du niveau de chargement. La prédiction correspond bien avec les résultats expérimentaux. Finalement, un assemblage, caractérisé par une densité de clous prédite par le modèle, permet de conférer une rigidité satisfaisante à une poutre lamellée clouée lorsqu'elle est sollicitée en flexion.

Cette recherche présente des résultats théoriques et expérimentaux sur le renforcement de poutres en lamellé collé par composite à base de fibres, l'application recherchée étant la proposition de structures de tabliers de ponts de haute résistance. Le concept retenu est une structure multi renforcée par la disposition de lamelles de composites entre les lamelles en bois dans la zone de traction. On montre que ce type de renfort possède expérimentalement, à taux de renfort donnée, des propriétés plus élevées que celles obtenues par des méthodes courantes consistant au renforcement en face inférieure d'une seule couche de composite. On montre en particulier que la distribution statistique de la rupture en traction du bois est resserrée grâce à la présence du composite. Ainsi, un renfort de faible épaisseur, réparti convenablement entre les lamelles de bois, a un double effet, celui attendu de diminuer les contraintes dans les fibres de bois, mais aussi, celui de réduire la distribution statistique de résistance. La prise en compte des renforts dans les calculs revient donc à redéfinir une résistance caractéristique d'un bois homogène équivalent ayant les propriétés du bois renforcé. De plus, on montre qu'il existe des configurations telles que les fissures transverses dans les lamelles de bois engendrées par la contrainte normale de traction sont stoppées par les lamelles de renfort et qu'il est possible d'obtenir un schéma de rupture multi fissuré. Un critère de rupture par délaminage de l'interface bois-composite est proposé et déterminé expérimentalement à cette fin. Enfin, des expérimentations sur prototypes hybrides constituées d'un multi couches bois-carbone-béton ultraperformant, est présentée. Les résultats ont permis de valider la méthode proposée de répartition du renfort en couches réparties de faible épaisseur.

Les bâtiments multi-étagés en bois sont de plus en plus populaires en remplacement aux structures de béton armé et d’acier particulièrement en raison de leur bonne performance structurelle et de leur impact environnemental positif. Davantage de recherches sur les systèmes de résistance aux forces sismiques en bois sont donc nécessaires pour que les bâtiments en bois soient considérés comme une alternative viable. Dans cette optique, une des solutions développées en Nouvelle-Zélande pour des structures en bois massif est connue sous le nom de "Pre-stressed Laminated Timber" (Pres-Lam). Le Pres-Lam est une adaptation du "PREcast Seismic Structural System" (PRESSS) utilisé pour les bâtiments en béton armé et en acier afin de résister aux forces sismiques. Jusqu’à présent des systèmes Pres-Lam à section basculante simple ont été développés et analysés en assumant des connexions rigides, s’il y a lieu, entre les sections des murs créant ainsi de l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieurs de la structure. Des recherches effectuées sur les structures en béton armé ont démontré qu’il est possible de réduire cette amplification en introduisant des connexions simples permettant le basculement des sections aux joints de construction créant ainsi des systèmes à sections basculantes multiples. Les objectifs du projet sont de comparer les exigences de conception des systèmes Pres-Lam à section basculante simple et multiples en LVL et en CLT et de développer la procédure de conception d’un système Pres-Lam en CLT à sections basculantes multiples pour un bâtiment de 11 étages au Canada. Les résultats des études montrent que, dus à des résistances mécaniques plus faibles des panneaux de CLT, de plus larges murs sont nécessaires afin d’obtenir le même comportement moment-rotation que dans les systèmes en LVL. Les analyses effectuées montrent que l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieures est significativement réduite dans les systèmes à sections basculantes multiples. De plus, la conception des connexions permettant le basculement des sections peut aussi être simplifiée par rapport aux connexions typiques des systèmes à section basculante simple réduisant ainsi le coût de la main-d’oeuvre. Finalement, l’analyse du bâtiment d’étude de 11 étages prouve que le CLT peut être une alternative viable dans les systèmes Pres-Lam. / Multistorey timber buildings are gaining popularity around the world as a replacement for concrete and steel structures because of their good structural performance and a more environmentally friendly choice. Further research on lateral force resisting systems for timber buildings needs to be done in order for them to be a viable alternative. One of the solutions is the Pre-stressed Laminated (Pres-Lam) system proposed for mass timber structures in New Zealand as an adaptation of the PREcast Seismic Structural System (PRESSS) used for concrete and steel structures to resist earthquakes. So far, single rocking section Pres-Lam systems were developed and analyzed assuming rigid connections, if present, between wall segments, resulting in a dynamic amplification of the forces in the upper storeys and costly solutions. The previous research on concrete structures has shown that it is possible to reduce this amplification by introducing simple connections allowing a gap opening at construction joints. The objectives of this project are to compare the design requirements for the Pres-Lam systems with single and multiple rocking segments made of LVL and of CLT and to develop the design procedure for the Pres-Lam technology with multiple rocking CLT segments for an 11-storey building in Canada. The results of the analysis show that due to a lower mechanical resistance of the CLT, wider cross-sections are needed to obtain the same moment-rotation behavior as LVL sections. Results of the modeling show that forces in the upper storeys are significantly reduced by allowing gap openings between the segments along the height of the structure. Furthermore, the connection design for construction joints can also be simplified in comparison with the typical connections used in single rocking segment systems thus minimizing material and labor costs. The results of the 11-storey case study building analysis proved that CLT can be a suitable material for Pres-Lam systems in Canada.

Alors que les principes de développement durable, d’écologie du bâtiment et d’efficacité énergétique prennent une place toujours plus importante dans le design architectural, le CLT, par ses caractéristiques intrinsèques, est un matériau de construction idéal pour une architecture écoresponsable. Cependant, les bâtiments en CLT aspirant à offrir de bonnes performances énergétiques sont généralement limités par les directives et règles de conception, ce qui encourage peu les expérimentations formelles qui permettraient d’explorer des stratégies passives alternatives basées sur la forme du bâtiment. Le mémoire vise à démontrer qu’une approche de conception intégrée conjuguée avec la précision et la diversité des éléments issus de la fabrication numérique permet dorénavant aux architectes d’intégrer des formes et des espaces complexes dans la conception de bâtiments en CLT. Par un processus de recherche -création, le projet de recherche démontre qu’il est possible d’effectuer des explorations formelles tout en validant la composition structurelle et en générant les détails d’assemblage de la structure. L’utilisation d’une seule et unique interface de travail, nommément un logiciel de modélisation paramétrique 3D, simplifie le travail du concepteur. Ce logiciel permet en effet un partage aisé du modèle entre les différents professionnels associés au projet et, en plus, il génère les fichiers de découpe pour les machines-outils à commande numérique, ce qui contribue à une réalisation plus efficace. / While the principles of sustainable development, building ecology and energy efficiency are becoming ever more important in architectural design, the CLT, by its intrinsic characteristics, is an ideal building material for eco-responsible architecture. However, CLT buildings aspiring to provide good energy performance are generally constrained by design guidelines and rules, which does not encourage formal experiments that would explore alternative passive strategies based on the shape of the building.The purpose of the dissertation is to demonstrate that an integrated design approach combined with the precision and diversity of the elements of digital fabrication now allows architects to integrate complex shapes and spaces into CLT building design. Through a research-creation process, the research project demonstrates that it is possible to carry out formal explorations while validating the structural composition and generating the assembly details of the structure. The use of a single work interface, namely 3D parametric software, simplifies the work of the designer. This software makes it easy to share the model among the various professionals associated with the project and, in addition, it generates the cutting files for CNC machine tools, which contributes to a more efficient realization.

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.