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.

La conception d'assemblages demeure une étape cruciale durant la conception de structures en bois et peut mobiliser jusqu'à 70% du temps d'ingénierie. Les assemblages doivent a cher une résistance et rigidité adéquate en plus d'offrir une capacité de déplacement a n de compenser le comportement fragile du bois à la rupture. Pour l'industrie, ces critères de conception doivent accompagner d'autres critères clés comme le niveau de préfabrication, le coût ainsi que la facilité de fabrication et d'installation. Parmi les alternatives innovantes, les assemblages avec tiges collées (ATC) procurent une grande rigidité et résistance aux structures de bois, mais offrent également une solution esthétique en cachant les tiges à l'intérieur du bois. Malgré ces avantages, l'utilisation des ATC demeure très limitée en Amérique du Nord vu le manque de règles de calcul et de fabrication. La majorité des essais sur le sujet ont été réalisées avec des assemblages ne comportant qu'une seule tige collée a n d'évaluer l'impact des différents paramètres d'assemblage sur sa résistance. Toutefois, l'utilisation d'assemblages avec une seule tige n'est pas pratique courante pour des raisons de stabilité et de résistance. Cela dit, les ingénieurs concepteurs requièrent des instructions claires sur la conception des ATC. À ce jour, il existe un nombre restreint d'équations qui tiennent compte d'un facteur d'ajustement pour les ATC multi-tiges. La résistance des ATC peut être gouvernée par différents modes de défaillance. Dans le but de compenser la distribution non uniforme de la force à travers les tiges et d'atteindre la plastification des tiges (ductilité), les ATC doivent être conçus pour plastifier avant la rupture du bois ou de l'adhésif étant un mode de défaillance fragile. Basé sur la conception aux états limites, il est probabilistiquement acceptable de considérer la rupture ductile des tiges lorsque la résistance par arrachement au 5e percentile est supérieure à la résistance des tiges au 95e percentile. Toutefois, cette affirmation ne peut qu'être exacte que si le fendage du bois est évité. Le projet de recherche porte sur l'étude de l'e et de groupe d'assemblages avec tiges collées comportant 4, 6, 8 et 10 tiges. Les tests quasi-statiques sont effectués sur des spécimens constitués de bois lamellé-collé 20F-EX, de tiges filetées 5/8 po. (15.9mm) ASTM A307 et d'un adhésif structural de type polyuréthane à deux composantes. Les paramètres d'assemblage ont ii été choisis spécifiquement pour assurer la rupture ductile des assemblages avec une longueur d'ancrage de 400mm, tout en assurant une compatibilité de la rigidité des tiges et du bois (Aw · Ew = As · Es). Sept spécimens par série ont été testés. A n d'évaluer un potentiel e et de groupe ductile, les tiges non collées ont également été mises à l'essai. Il a été constaté que la somme des résistances individuelles des tiges a égalé la résistance des spécimens. En d'autres termes, aucun e et de groupe ductile n'a été observé lorsque la rupture ductile gouverne la rupture des assemblages. Par contre, cette affirmation devient invalide lorsqu'une rupture fragile du bois (arrachement, fendage ou rupture de groupe) survient. Au total, la résistance de 29 des 35 tests expérimentaux a été gouvernée par la plastification et la rupture des tiges filetées a chant un déplacement à la rupture de 3 à 7 mm. Vu la faible capacité à se déformer, la plastification des tiges doit être considérée plus importante pour la prédictibilité du comportement de l'assemblage que pour l'obtention d'un certain niveau de ductilité. Lorsqu'une rupture fragile ne peut être écartée, certaines mesures doivent être prises a n de minimiser la distribution non uniforme de la force à travers les tiges d'un ATC et limiter l'e et de groupe. Par sa grande rigidité, les ATC peuvent rompre fragilement ou atteindre la limite élastique des tiges à l'intérieur du premier millimètre de déplacement. Ceci implique un haut niveau de précision en ce qui a trait à la conception, à la fabrication et à l'installation de l'assemblage. Les résultats de l'étude ont montré qu'un torque controllé de 75 N-mm (55 lbf-ft) combiné à une composante métallique de transfert plus rigide ont augmenté la rigidité effective des assemblages de 207%. Premièrement, la rigidité du système de transfert de la charge vers les ATC jouent inévitablement un rôle important dans la distribution de la force à travers les tiges. Deuxièmement, les écrous des tiges filetées doivent être serrés selon un niveau de serrage minimal permettant de fermer les jeux d'assemblage initiaux et d'engager simultanément toutes les tiges d'un ATC. De plus, l'utilisation de contre-écrous est fortement recommandée a n de générer une force de serrage au lieu d'induire une précharge à la portion collée lors de l'installation. La résistance ultime des tiges filetées ASTM A307 a varié de 410 MPa (60 ksi) jusqu'à 640 MPa (93 ksi) soit 50% au-delà de l'exigence minimale. La surrésistance imprévisible peut directement nuire à la capacité du joint à plastifier et donc, absorber la distribution non uniforme de la force à travers les tiges. Par conséquent, il est recommandé d'utiliser une nuance d'acier telle que ASTM F1554 (Classe 36) qui est soudable, tous les deux économiques, possède une résistance minimale semblable (400 MPa / 58 ksi), mais également une résistance ultime maximale (558 MPa / 80 ksi). / The design of connections remains a crucial aspect in the development of timber structures and can represent up to 70% of the design e ort in timber engineering. Connections must provide su cient strength and sti ness, but also su cient ductility and displacement capacity to compensate for the natural brittleness of wood. For the industry, these fundamental criteria must go along with other key criteria like a high degree of prefabrication, cost e ectiveness, aesthetics and ease of installation and manufacturing. Among alternatives to traditional fastening methods, assemblies with glued-in rods provide high sti ness and strength to timber structures and o er aesthetic solutions by hiding the rods inside the timber. Despite these advantages, the use of glued-in rods in North America is still very limited. Most of the previous studies on the subject have been focused on assemblies with single glued-in rods to measure the impact of the various parameters on the performance of the joints. However, using single rods is not common in practice, and the engineers need relevant guidance for the design of assemblies with multiple glued-in rods. To date, a very few design equations include an adjustment factor to account for the group e ect. The resistance of assemblies with multiple glued-in rods can be governed by di erent failure modes. In order to compensate for the uneven force distribution among the rods and to achieve plastic behaviour of the connections, i.e., ductility, the rods must be designed to yield before withdrawal from the wood. To this end, based on the limit states design philosophy, it is probabilistically acceptable to consider a ductile failure when the 5th percentile (characteristic) strength of the bondline is greater than the 95th percentile strength of the steel rod. This project is focused on the investigation of the group e ect on the short-term behaviour of connections with multiple threaded steel rods glued-in parallel to grain of glulam timber and loaded in tension. An experimental study has been conducted on joints with 4, 6, 8 and 10 threaded rods made of mild steel ASTM A307 with a diameter of 15.9 mm (5/8 in.) and a bonded length of 400 mm using a two-component polyurethane adhesive. The joints have been designed with the intent to yield the rods while optimizing the cross-sections to achieve an equal tensile sti ness of the timber elements and the steel rods: AwEw = AsEs. Seven specimens of each joint con guration have been tested in tension by static loading until failure. The tensile strength of individual rods has been determined by testing as well. It iv has been found that the resistance of the joints equaled the sum of the tensile resistance of individual rods. In other words, no group e ect has been observed within this type of failure when the resistance is exclusively governed by the resistance of the rods. However, this statement becomes invalid when brittle failures (splitting) of timber occurs. To minimize the risk of splitting, transverse reinforcement using self-tapping screws was applied in one test series. When brittle failure cannot be avoided, provisions should be made to minimize the non-uniform force distribution among the rods and thus minimize the group e ect. Due to the high sti ness of the connections, the glued-in rod assemblies can fail in a brittle manner or reach the elastic limit within the rst millimeter of displacement. This implies a high level of precision with regards to the design, production and installation of the assemblies. In total, the resistance of 29 out of 35 specimens has been governed according to yield of threaded rods displaying a displacement of 3 to 7 mm. Because of the low displacement capacity of the connection, yielding of the glued-in rods connections should be considered even more important with regards to the behaviour of connections for providing ductility. First, the sti ness of the load-transferring xture plays an important role in the force distribution among the rods. Second, the nuts must be tightened at a minimal controlled torque in order to close initial gaps and engage simultaneously the glued-in rods. Furthermore, counternuts are highly recommended to generate clamping force rather than pre-stressing the bonded inner part while tightening the rods. The test results showed that using a sti load-transferring xture and a controlled torque of 75 N-mm (55 lbf-ft) led to an increase of the e ective sti - ness by 207% compared to specimens tested with a exible load-transferring xture and with nger-tightened nuts. The tensile strength of the threaded mild steel A307 rods varied signi cantly between the minimum required 410 MPa (60 ksi) up to 640 MPa (93 ksi), i.e., over 50% higher than the minimum requirement. The unpredictable over-strength can directly a ect the capacity of the joint to yield, i.e., to absorb the uneven force distribution among the rods. Thus, it is recommended to use a more reliable steel grade, such as ASTM F1554 (Grade 36), which is weldable, has a similar minimum tensile requirement (400 MPa / 58 ksi), but also has a maximum tensile strength requirement (558 MPa / 80 ksi).