L’utilisation des goujons collés dans les structures bois répond au souci de conservation du bâti et de discrétion de l’intervention. A ce jour, plusieurs procédés de caractérisation et de dimensionnement sont disponibles, sans pour autant donner un socle commun à l’évaluation de la résistance des assemblages collés. L’utilisation des goujons collés suscite des interrogations concernant leur tenue au feu. Bien que le matériau bois entourant les tiges de renforcement soit isolant, il est nécessaire de fournir de plus amples estimations concernant la tenue mécanique des polymères pour différentes températures que l’on pourrait trouver au sein d’une liaison au cours d’un incendie. La présente étude permet de coupler méthodes expérimentales et simulations numériques, afin d’appréhender les mécanismes gouvernant la rupture de ces assemblages. La caractérisation expérimentale permet d’estimer les propriétés mécaniques locales des assemblages suivant divers paramètres (les longueurs de scellement, l’orientation du fil du bois, l’essence de bois, ou encore la température d’exposition), ainsi que les propriétés intrinsèques aux matériaux constitutifs. Cette base de données expérimentale est indispensable pour l’ajustement du modèle aux éléments finis en élasticité linéaire. L’approche numérique met en évidence une présence importante de contraintes normales en tête de collage, avant l’apparition de contraintes de cisaillement. Les outils de la Mécanique Linéaire Élastique de la Rupture équivalente permettent d’établir des courbes de résistance liées à chaque mode de ruine (mode I et mode II). Enfin, afin de décrire précisément le processus complet de rupture de ces assemblages, un critère de rupture en mode mixte (mode I et mode II) est utilisé. Une formulation analytique permettant d’estimer la charge au pic est proposée et permettra la réalisation d’abaques de dimensionnement des assemblages par goujons collés, utilisables en bureau d’études. / Glued-in-rods lead to overcome the use of traditional bolted connections, preserve a large part of original timber and offer aesthetic benefits (since the repair is hidden in the cross sections of the members). Despite previous research programs in many countries, some design rules, predicting the axial strength of such connections, are available, but a common criterion is still lacking. However, the durability of this process according to fluctuating temperature is not well known. During fire exposure, connections are not directly in contact with flames, since they are isolated by surrounding wood. The current study combines experiments with finite element computations, in order to lead a better to a better knowledge about their mechanical and fracture behaviors. An important experimental campaign is carried out on such connections and provides the influence of various parameters, such as the anchorage length, the rod-to-grain angle, the specie of wood or the temperature exposure, on their mechanical behaviors. Moreover, the inherent mechanical properties of the rod and the adhesives used are also studied. The finite element modeling reproduces the experimental configuration, and reveals significant tensile stresses in comparison with shear stresses. Within the framework of equivalent linear elastic fracture mechanics, R-curves in mode I and mode II can be estimated for each specimen. Finally, a fracture criterion in mixed mode is used to describe the complete fracture process of glued-in rods. An analytical formulation is then proposed and allows the evaluation of peak load of each specimen. This approach leads to realize design tables, usable by design offices.

L'utilisation des goujons collés dans les structures bois répond au souci de conservation du bâti et de discrétion de l'intervention. A ce jour, plusieurs procédés de caractérisation et de dimensionnement sont disponibles, sans pour autant donner un socle commun à l'évaluation de la résistance des assemblages collés. L'utilisation des goujons collés suscite des interrogations concernant leur tenue au feu. Bien que le matériau bois entourant les tiges de renforcement soit isolant, il est nécessaire de fournir de plus amples estimations concernant la tenue mécanique des polymères pour différentes températures que l'on pourrait trouver au sein d'une liaison au cours d'un incendie. La présente étude permet de coupler méthodes expérimentales et simulations numériques, afin d'appréhender les mécanismes gouvernant la rupture de ces assemblages. La caractérisation expérimentale permet d'estimer les propriétés mécaniques locales des assemblages suivant divers paramètres (les longueurs de scellement, l'orientation du fil du bois, l'essence de bois, ou encore la température d'exposition), ainsi que les propriétés intrinsèques aux matériaux constitutifs. Cette base de données expérimentale est indispensable pour l'ajustement du modèle aux éléments finis en élasticité linéaire. L'approche numérique met en évidence une présence importante de contraintes normales en tête de collage, avant l'apparition de contraintes de cisaillement. Les outils de la Mécanique Linéaire Élastique de la Rupture équivalente permettent d'établir des courbes de résistance liées à chaque mode de ruine (mode I et mode II). Enfin, afin de décrire précisément le processus complet de rupture de ces assemblages, un critère de rupture en mode mixte (mode I et mode II) est utilisé. Une formulation analytique permettant d'estimer la charge au pic est proposée et permettra la réalisation d'abaques de dimensionnement des assemblages par goujons collés, utilisables en bureau d'études.

Le problème de la dimension stochastique élevée est récurrent dans les analyses probabilistes des structures. Il correspond à l'augmentation exponentielle du nombre d'évaluations du modèle mécanique lorsque le nombre de paramètres incertains est élevé. Afin de pallier cette difficulté, nous avons proposé dans cette thèse, une approche à deux étapes. La première consiste à déterminer la dimension stochastique efficace, en se basant sur une hiérarchisation des paramètres incertains en utilisant les méthodes de criblage. Une fois les paramètres prépondérants sur la variabilité de la réponse du modèle identifiés, ils sont modélisés par des variables aléatoires et le reste des paramètres est fixé à leurs valeurs moyennes respectives, dans le calcul stochastique proprement dit. Cette tâche fut la deuxième étape de l'approche proposée, dans laquelle la méthode de décomposition de la dimension est utilisée pour caractériser l'aléa de la réponse du modèle, par l'estimation des moments statistiques et la construction de la densité de probabilité. Cette approche permet d'économiser jusqu'à 90% du temps de calcul demandé par les méthodes de calcul stochastique classiques. Elle est ensuite utilisée dans l'évaluation de l'intégrité d'une toiture à ossature bois d'une habitation individuelle installée sur un site d'aléa sismique fort. Dans ce contexte, l'analyse du comportement de la structure est basée sur un modèle éléments finis, dans lequel les assemblages en bois sont modélisés par une loi anisotrope avec hystérésis et l'action sismique est représentée par huit accélérogrammes naturels fournis par le BRGM. Ces accélérogrammes permettent de représenter différents types de sols selon en se référant à la classification de l'Eurocode 8. La défaillance de la toiture est définie par l'atteinte de l'endommagement, enregistré dans les assemblages situés sur les éléments de contreventement et les éléments d'anti-flambement, d'un niveau critique fixé à l'aide des résultats des essais. Des analyses déterministes du modèle éléments finis ont montré que la toiture résiste à l'aléa sismique de la ville du Moule en Guadeloupe. Les analyses probabilistes ont montré que parmi les 134 variables aléatoires représentant l'aléa dans le comportement non linéaire des assemblages, 15 seulement contribuent effectivement à la variabilité de la réponse mécanique ce qui a permis de réduire la dimension stochastique dans le calcul des moments statistiques. En s'appuyant sur les estimations de la moyenne et de l'écart-type on a montré que la variabilité de l'endommagement dans les assemblages situés dans les éléments de contreventement est plus importante que celle de l'endommagement sur les assemblages situés sur les éléments d'anti-flambement. De plus, elle est plus significative pour les signaux les plus nocifs sur la structure.

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.

Le problème de la dimension stochastique élevée est récurrent dans les analyses probabilistes des structures. Il correspond à l’augmentation exponentielle du nombre d’évaluations du modèle mécanique lorsque le nombre de paramètres incertains est élevé. Afin de pallier cette difficulté, nous avons proposé dans cette thèse, une approche à deux étapes. La première consiste à déterminer la dimension stochastique efficace, en se basant sur une hiérarchisation des paramètres incertains en utilisant les méthodes de criblage. Une fois les paramètres prépondérants sur la variabilité de la réponse du modèle identifiés, ils sont modélisés par des variables aléatoires et le reste des paramètres est fixé à leurs valeurs moyennes respectives, dans le calcul stochastique proprement dit. Cette tâche fut la deuxième étape de l’approche proposée, dans laquelle la méthode de décomposition de la dimension est utilisée pour caractériser l’aléa de la réponse du modèle, par l’estimation des moments statistiques et la construction de la densité de probabilité. Cette approche permet d’économiser jusqu’à 90% du temps de calcul demandé par les méthodes de calcul stochastique classiques. Elle est ensuite utilisée dans l’évaluation de l’intégrité d’une toiture à ossature bois d’une habitation individuelle installée sur un site d’aléa sismique fort. Dans ce contexte, l’analyse du comportement de la structure est basée sur un modèle éléments finis, dans lequel les assemblages en bois sont modélisés par une loi anisotrope avec hystérésis et l’action sismique est représentée par huit accélérogrammes naturels fournis par le BRGM. Ces accélérogrammes permettent de représenter différents types de sols selon en se référant à la classification de l’Eurocode 8. La défaillance de la toiture est définie par l’atteinte de l’endommagement, enregistré dans les assemblages situés sur les éléments de contreventement et les éléments d’anti-flambement, d’un niveau critique fixé à l’aide des résultats des essais. Des analyses déterministes du modèle éléments finis ont montré que la toiture résiste à l’aléa sismique de la ville du Moule en Guadeloupe. Les analyses probabilistes ont montré que parmi les 134 variables aléatoires représentant l’aléa dans le comportement non linéaire des assemblages, 15 seulement contribuent effectivement à la variabilité de la réponse mécanique ce qui a permis de réduire la dimension stochastique dans le calcul des moments statistiques. En s’appuyant sur les estimations de la moyenne et de l’écart-type on a montré que la variabilité de l’endommagement dans les assemblages situés dans les éléments de contreventement est plus importante que celle de l’endommagement sur les assemblages situés sur les éléments d’anti-flambement. De plus, elle est plus significative pour les signaux les plus nocifs sur la structure. / The problem of the curse of dimensionality is frequently encountered in practical applications. It can be defined as the significant increase of the number of mechanical model calls with the number of uncertain parameters. To overcome this difficulty, a two-steps stochastic approach has been developed in this work. The first step of this approach consists in calculating the stochastic effective dimension by the means of Morris screening method. Once the most significant uncertain parameters on the variability of the mechanical responses are identified, they are modeled as random variables and the remaining parameters are fixed to their respective mean values. This allows us to reduce significantly the stochastic dimension of the problem in the second step of the approach where the decomposition method is used to estimate the statistical characteristics of the mechanical responses. The efficiency and the accuracy of this approach are evaluated through an academic problem dealing with the assessment of the integrity of a three-span five-story frame structure subjected to horizontal loads. We have demonstrate that we can reduce about 90% of the computation time required by the classical stochastic methods. Then, the proposed approach is used to the analysis of the integrity of timber roofs under seismic loading. The behaviour of this structure is described through a finite element model where the timber joints are modeled by anisotropic hysteresis law, and the seismic action is represented by eight real earthquake ground motion records. These accelerograms provided by the French institution involved in geosciences BRGM allow us to take into account different soil types according to the classification provided by the europeen design code dealing with seismic events Eurocode 8. The failure of timber roofs is reached when the damage levels in the timbers joints localized on the buckling and bracing members reach the critical value. It is shown, through a deterministic analysis, that the structure resists the seismic hazard representing the city of Le Moule in Guadeloupe. The stochastic analysis has shown that, among the 134 random variables representing the uncertainty in the nonlinear behaviour of the timber joints, only 15 have a significant effect on the variability of the structural response, which allow us to reduce the stochastic dimension in the computation of the statistical moments. According to the estimates of the mean and the standard deviation, we have shown that the variability of bracing members damage is greater than the variability of buckling members damage. Moreover, the variability of the bracing members damage is more significant for the earthquake ground motion records having the lowest collapse PGA.

Cette étude consiste en l'élaboration d'un modèle éléments finis tridimensionnel décrivant le comportement des assemblages brochés et boulonnés des structures bois sous actions thermiques. Ce modèle intègre les champs de températures dans un modèle mécanique non linéaire. La validation du modèle réalisé à l'aide d'essais est faite en trois étapes : la validation mécanique à froid, celle thermique et celle thermomécanique. Après validation, le comportement des assemblages brochés unitaires est modélisé pour différentes durées d'exposition au feu. Enfin, la modélisation d'assemblages multiples met en évidence la caractérisation du nombre effectif en fonction des champs thermiques.