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.

Le bois abouté est souvent utilisé dans la fabrication de produits de bois d’ingénierie structuraux tels que le lamellé-collé et la poutrelle en I. Au Québec, les fabricants de produits de bois d’ingénierie utilisent principalement du bois du groupe Épinette-pin-sapin (EPS) qui comporte des essences de résineux acceptées dans les normes canadiennes. Étant un bois de feuillus, l’érable à sucre n’est pas une essence prescrite dans les normes de fabrication par contre, en théorie, ce bois peut offrir une alternative intéressante aux bois résineux compte tenu de sa résistance mécanique supérieure. Une revue de la littérature démontre qu’il existe plusieurs recherches sur l’aboutage par entures multiples, mais que celles portant sur l’aboutage de bois de feuillus sont plutôt rares. Plusieurs paramètres d’usinage doivent être contrôlés afin de fournir de belles surfaces de collage et d’optimiser le procédé d’aboutage. Ce projet vise à définir un intervalle de paramètres d’usinage pour l’aboutage structural par entures multiples de l’érable à sucre afin de développer les meilleures résistances mécaniques que ce bois peut potentiellement offrir. Plus spécifiquement, ce projet étudie la résistance en traction parallèle au fil en variant la vitesse de coupe ainsi que l’avance par couteau (chip-load). Des deux paramètres étudiés, la vitesse de coupe semble être le paramètre ayant le plus d’effet sur la résistance en traction parallèle au fil de l’érable à sucre. Les meilleures résistances furent atteintes avec une vitesse de coupe de 2726 m/min et une avance par couteau de 0,60 mm. La vitesse de coupe de 2726 m/min semble être la meilleure afin d’atteindre les meilleures résistances en traction parallèle au fil, et ce, peu importe l’avance par couteau. Finalement, les résultats obtenus nous permet de croire que l’érable à sucre abouté possède un bon potentiel pour des applications structurales dont la fabrication de produits de bois d’ingénierie structuraux. / Finger-jointed softwood lumber is often used in manufacturing of structural engineered wood products such as glued laminated (glulam) beams and prefabricated wood I-joists. In Québec, producers of engineered wood products utilize generally wood species of Spruce-pine-fir (SPF) group, which includes softwood species recognized in Canadian standards. As hardwood species, sugar maple is not listed in the product standards, although, presumably, it can offer an interesting alternative to softwoods from the view point of strength. Literature review shows that there are many studies on finger-jointing but there are few on finger jointing of hardwoods. Certain machining parameters have to be controlled in order to produce suitable gluing surfaces and to optimize the finger-jointing process. The main objective of this study was to evaluate the effect of machining parameters on the ultimate tensile strength parallel to grain (UTS) of finger-jointed sugar maple dimension lumber. Three different chip-loads and three cutting speeds were used as variables. Based on test results, the cutting speed appeared to influence the UTS the most. The best UTS (47.1 MPa) of finger-jointed sugar maple specimens were achieved with a chip-load of 0.60 mm and a cutting speed of 2726 m/min (rotation speed of 3250 RPM and feed speed of 11.7 m/min). Finally, results of the study show that finger-jointed sugar maple possesses a good potential for structural applications including fabrication of structural engineered wood products.

Le bois a été l’un des premiers matériaux utilisés par l’homme et possède encore aujourd’hui beaucoup de potentiel dans la construction. En effet, de nombreux matériaux d’ingénierie ont été développés à partir du bois, comme les panneaux de bois lamellé-croisé (CLT). Ces matériaux permettent d’être compétitifs avec le béton ou l’acier en termes de performance, de coût et d’empreinte environnementale. L’extraction des ressources, la fabrication de matériaux de construction et la construction elle-même (transport et machinerie) sont énergivores et à l’origine d’importants dégagements de gaz à effet de serre. Le bois est une ressource renouvelable qui a l’avantage de fixer du carbone lors de sa croissance et de le conserver une fois en service. Durant sa vie utile, un bâtiment va aussi consommer de l’énergie pour le chauffage / la climatisation et l’éclairage. C’est pourquoi la recherche de l’efficacité énergétique est nécessaire. Le CLT est un matériau d’ingénierie qui a le potentiel de démocratiser les bâtiments de moyenne hauteur en bois. En cela le CLT est avantageux pour la performance énergétique, puisque les panneaux font un effet barrière à l’air, à la vapeur et à la chaleur. Dans le système constructif en CLT, les jonctions avec les autres panneaux et les percements sont les principaux chemins de fuites pour l’air. Les infiltrations/exfiltrations vont être responsables d’importantes pertes thermiques. De plus, les exfiltrations peuvent induire une humidité excessive en présence de chaleur dans le mur, provoquant la croissance de moisissure et de pourriture du bois. La résistance des matériaux et la santé des occupants peuvent être compromises à moyen et long terme. Le but de ce projet est d’évaluer l’impact des tolérances d’assemblages, en présence d’une fuite d’air, sur la performance énergétique et la durabilité du mur afin de vérifier si les tolérances d’assemblages représentent un risque à prendre en considération ou non. Des thermographies d’une jonction en angle de murs en CLT prises lors d’une dépressurisation du bâtiment ont permis d’identifier une fissure. Un travail de modélisation de la fissure en fonction des températures observables a ensuite permis de dimensionner la fissure (0,72 mm traversant l’isolation) en considérant une tolérance d’assemblage pour le CLT de 2 mm. Cette fissure « modèle » a ensuite été transposée dans le cas d’un mur plat, afin que ne soit pas considéré le pont thermique lié à l’angle. Une analyse de l’impact sur la performance énergétique de tolérances d’assemblages variables a été réalisée par simulation informatique, pour une infiltration et une exfiltration. La simulation a également permis d’analyser l’impact sur la durabilité, en termes de développements fongiques et de risque de condensation, d’une exfiltration sur notre fissure « modèle ». La simulation a montré que l’impact d’une infiltration sur la performance énergétique est 1,62 fois plus grand que pour une exfiltration, qui est elle-même 1,37 fois plus énergivore qu’un mur sans fissure. L’influence de la largeur de la tolérance d’assemblage est minorée par la dimension de la fissure dans le reste du mur. La simulation des échanges hygriques dans la fissure a montré que la croissance de moisissure est à craindre en surface, lorsque l’humidité relative de l’air est de 40 % et plus. La zone touchée est principalement l’isolation, mais s’étend jusqu’au CLT à mesure que l’humidité relative de l’air exfiltré augmente. L’humidité de l’air condense à proximité de la sortie de l’exfiltration, ce qui peut mener à une accumulation de givre sous le revêtement extérieur. Le résultat de ces simulations permet de mettre l’accent sur l’importance de la continuité du pare-air et de la mise en place de mesures pour éviter qu’une tolérance d’assemblage soit un chemin libre pour l’air. L’utilisation de joints adhésifs souples pouvant épouser la découpe irrégulière du CLT et amortir les variations dimensionnelles permettrait de réduire les risques liés aux fuites d’air. / Wood is one of the first material mankind used to work with and is still full of potential for building sector. Many engineering materials have been developed from wood, such as the cross-laminated timber (CLT). Wooden engineering materials are as performant as steel and concrete but are also cost effective and have a lower environmental footprint. Resources extraction for the manufacture of building materials and the building phase itself require a lot of energy, and generate or release important amount of greenhouse gaz. Wood is a sustainable resource that has the benefit of being able to capture carbon during its growing phase and to preserve it. In service, buildings will have heating and cooling loads, depending of their energy efficiency, high energy efficiency is required to lower the overall energy footprint of buildings. CLT has the potential to be a greener substitute to reinforced concrete in the mid-rise building. CLT helps to reach energy efficiency because wood panels act as a barrier for air, vapor and heat. In CLT building system, junctions between panels and with other elements (ducts, wiring, etc) are the main leakage paths through the envelope. Infiltrations and exfiltrations are responsible for important heat losses. Exfiltrations can also lead to excessive moisture accumulation in the walls, resulting in mold and rot growth. Structural integrity and air quality can be jeopardized on the average/long term. The aim of this project was to assess the impact of gaps between CLT panels, in case of air leakages, on the energy efficiency and durability of the wall. A real case of infiltration in a corner of a CLT building was used to size an air leakage area in the insulation (0.72 mm through the insulation considering a 1 m high wall), intended an assembly tolerance or gap of 2 mm. The gap was then extrapolated to a flat wall, to exclude the thermal bridge effect of the corner. An energy efficiency assessment was done using simulations for both cases of infiltration and exfiltration, with variable assembly gap. Simulation also permits to assess the impact on durability, on mold growth risks, of the exfiltration for variable exfiltrated air relative humidity. Results show that infiltration has a greater impact (1.62 times) than exfiltration, which is itself 1.37 times more energy-consuming than a perfect wall. The impact of the assembly gap variations in the CLT is restricted by a maximum flow rate dicted by the air leakage path in the insulation. Simulation of moisture transfer shows that mold growth is to fear on the gap surface through the wall, when the exfiltrated air relative humidity exceeds 40 %. The first mold development should primarily affects the insulation, but extends to the CLT as the relative humidity of the exfiltrated air increases. Condensation occurs in the insulation near the outlet of the exfiltration, leading to an accumulation of ice behind the external cladding. Results of simulations show how important it is to keep the air barrier continuous, and to avoid that assembly gaps in the CLT act as shortcut for eventual air leaks. The use of flexible adhesive joints, which can match the irregular cut of the CLT and dampen the dimensional variations would reduce the risks of air leakage.

Les bâtiments et les matériaux de construction doivent avoir un degré de résistance au feu suffisant pour prévenir l'effondrement prématuré de la structure et fournir des moyens sécuritaires d'évacuation des occupants tels qu'exigés dans le Code National du bâtiment au Canada. Jusqu'à maintenant, l'Annexe B de la norme CSA O86 « Règles de calcul des charpentes en bois » fournit une méthode de calculs afin de déterminer la résistance au feu des éléments structuraux en bois massif. Toutefois, cette méthode ne considère pas l'effet du temps, le mode de rupture et l'interaction entre les différents matériaux en situation incendie. Ce projet de recherche étudie la performance au feu des assemblages utilisant des vis auto-taraudeuses pour les constructions massives en bois au Canada. Dans un premier temps, des essais expérimentaux combinés à des résultats d'articles scientifiques fourniront une représentation du comportement mécanique d'assemblages vissés utilisés dans la construction massive en bois. Dans un second lieu, ces données expérimentales viendront valider un modèle thermique par la méthode des éléments finis prédisant le transfert thermique en situation incendie. Puis, les résultats expérimentaux pourront être comparés avec les valeurs caractéristiques prédites par calculs selon la méthode de conception de la norme la norme CSA O86 « Règles de calcul des charpentes en bois » utilisée au Canada. Les résultats présentent la grande performance de feu de l'utilisation de vis auto-taraudeuses utilisées dans les assemblages en bois lamellé-collé sous longue durée d'exposition. Étant généralement de plus petit diamètre et plus élancées que les boulons et les goujons, les vis auto-taraudeuses limitent la conduction thermique le long de la section transversale et maintiennent la température le long de l'attache relativement faible. Principalement influencée par la réduction de la résistance du bois à des températures élevées, l'étude présente de nouveaux principes de conception pour prédire les profils de température le long de l'attache non protégée avec l'influence de la zone chauffée thermiquement du bois afin de déterminer la longueur de pénétration résiduelle qui fournira la résistance résultante. Lors du maintien d'une capacité structurale adéquate des fibres du bois, la capacité des vis auto-taraudeuses a été peu influencée par une augmentation de la durée d'exposition. La méthode de conception présentée ici permet de calculer la résistance résiduelle des vis auto-taraudeuses non protégées exposées au feu jusqu'à deux heures. / Buildings and building materials are required to provide sufficient fire-resistance to prevent collapse and safe means of evacuation to the occupants based on requirements set forth in the National Building Code of Canada. Annex B of the Canadian standard for wood engineering design provides a design methodology to calculate structural fire-resistance of large cross-section timber elements. However, it does not address failure modes, interactions between materials and reduced capacities under fire. This project addresses the connection design using self-tapping screw in mass timber construction in Canada. First, a test program combined with several researcher results were carried out to provide a good representation of the mechanical behavior of screw connections commonly used in mass timber construction. Secondly, the test results are used to validate a three-dimensional transient heat transfer model using the finite element method and to predict the heat transfer when exposed under fire conditions. Then, the test results were compared with the predicted characteristic and average withdrawal resistance values according to the design methodology in the Canadian standard for wood engineering design used in Canada. The results present the great fire performance of using self-tapping screws under long time exposure on connections in mass timber construction. The smaller heated behavior has limited thermal conduction along the cross-section area and maintained the temperature profiles relatively low along the self-tapping screw shanks for long fire exposures. Based on the heat affected area, the study presents new design principles to determine the residual length of penetration that would provide adequate load-capacity of the fastener under fire conditions. When maintaining adequate structural capacity of the surrounding wood fibers, the capacity of the self-tapping screw was not influenced with an increase of exposure duration. The design method presented herein allows calculating the residual capacity of unprotected STS exposed to fire up to 2-hours.

L'objectif de l'étude est de développer l'information requise pour la conception structurale des joints utilisés dans les armatures des meubles rembourrés construites avec des panneaux OSB. On présente trois niveaux d'essais: 1) le matériau, avec interaction matériau / attaches (vis et agrafe), 2) le joint (plaques gousset et métallique), et 3) modélisation d'une structure de sofa en OSB. En premier, les essais des propriétés des matières premières OSB, MDF et PB, notamment l'effet de la densité localisée sur la performance en résistance de l'attache dans les panneaux à base de bois, sous les chargements statique et cyclique ont été examinés. Les résultats montrent que l'OSB a obtenu la variation de densité la plus élevée dans le plan et en épaisseur, avec une résistance plus critique avec les vis qu’avec les agrafes. La densité des panneaux MDF a moins varié, conférant une résistance plus homogène. En second, on a déterminé la résistance en flexion dans le plan et dehors du plan des joints de gousset et de plaque métallique avec différentes configurations sous les charges statique et de fatigue. Les résultats indiquent que l'adhésif est le facteur le plus important affectant l'efficacité des joints. Une augmentation de longueur des goussets de 102 à 203 mm (4 à 8 po) a accru la charge maximale pour le joint collé et pour le joint sans colle. L'utilisation de deux paires de plaques était le facteur prédominant dans l'efficacité des joints avec métal. Un rapport de résistance statique-à-fatigue peut être adopté comme rapport de dépassement pour la conception des armatures de meubles rembourrés avec les joints réalisés avec des goussets (2,1) et plaques métalliques (2,5). En général, la résistance en flexion dans le plan était beaucoup plus grande que la résistance en flexion en dehors du plan pour les joints réalisés avec des plaques métalliques et avec goussets. Finalement, trois configurations d'armature de sofa trois-places fait en OSB avec deux types de joints et trois niveaux de charges ont été modélisés en utilisant le logiciel SAP2000. Le modèle optimal s’avère utilisable en chargement léger, moindrement pour un chargement moyen et inutilisable pour un chargement élevé. / The objective of the study was to develop the information needed for the engineered design of joints used in upholstered frames constructed of OSB. Presented are three levels of tests: 1) material level, including interaction of material/fasteners (screw and staple), 2) joints level (gusset-plate and metal-plate), and 3) modeling of a sofa frame made of OSB. First, tests of basic material properties of OSB, MDF and PB, and localized density effecting on fastener holding capacities in wood-based panels under static and cyclic loading were examined. Results showed that in both static and cyclic loads, OSB had the highest density variation in plane and through thickness, which was more critical to the screw than to the staple holding capacities. The density of MDF panels varied the least, leading to a more uniform fastener holding capacity. Second, in-plane and out-of-plane moment capacities of OSB gusset-plate and metal-plate joints with different configurations were determined under static and fatigue loads. Results indicated that application of glue was the most important factor affecting the performance of the joints. An increase in length of gusset-plate from 102 to 203-mm (4 to 8-in) increased the peak load for both glued and unglued joints. For metal-plates, the use of two pairs of plates was the most important factor that affected the performance of the joints. For fatigue tests, the average values of 2.1 and 2.5 can be used as the passing static-to-fatigue ratio for design of upholstered furniture frames with OSB gusset-plate and metal-plate joints, respectively. In general, in-plane moment capacities were found to be 4 to 6 times higher than out-of-plane moment capacities for both metal-plate and gusset-plate joints. Finally, three configurations of three-seat sofa frame made of OSB with two types of joints under three levels of service acceptance loads were modeled using the finite element program SAP2000. The results demonstrated that the sofa frame model can pass light-service acceptance level load; there is the limit to pass medium-service acceptance level load; and it could not serve the heavy-service acceptance level load.