Experimentation and modeling of the mechanical behavior of wood-concrete composite structures
Expérimentation et modélisation du comportement mécanique de structures multi-matériaux bois-béton
Résumé
The objective of this project is to develop composite structures. These kinds of structures are made with wood, concrete, adhesive and rebar. The purpose is to take advantages of each material in order to improve the mechanical behavior of the hybrid structure. New bonding systems are proposed and studied to offer innovating solutions in Civil Engineering.The first part is dedicated to the study of the liaison between wood and concrete by gluing. An experimental analysis is done with push out tests in order to determine the best configurations to connect wood and concrete. Two constructive methods have been retained: a dry way and a humid way.The second step consists to test these methods of fabrication in real condition. An experimental campaign on beams and panels is launched with 4 points bending tests and under static loading to characterize the mechanical behavior of eleven beams. The interest of such hybrid sections is confirmed: gain of the bearing capacity and rigidity. The gluing and the new system of bonding are both performing and avoid slip between materials. Tests on panels show a security margin compared to classic loads in construction, for both limit states.The last stage of the thesis focuses on the study of cyclic loading of hybrid panels where 4 points bending test is used to load panels for one million cycles between 4 and 20 kN. These loads correspond respectively to the dead load on the unloaded panels and the panels loaded with regulatory live loads. After cyclic tests are performed, a bending test to the rupture is conducted.In parallel, an analytical study to model the instantaneous mechanical behavior of composite structure is proposed. This model is based on an iterative calculation by studying the deformation of the section and by equilibrating internal forces. The mechanical behavior of each material is takes into account with their non-linearity. This modelling is developed for static loads and was adapted to take in consideration creep of materials and thus obtain the differential behavior of wood-concrete structures
L'objet de ce travail de recherche est d'étudier le comportement mécanique de structures multi-matériaux d'un point de vue empirique et théorique. Ces structures mixtes s'articulent autour de plusieurs matériaux : le bois, le béton, les résines et les armatures. Le but est de tirer avantage de chaque matériau pour améliorer le comportement général de la structure tant au niveau de la résistance ultime que de la rigidité. De nouvelles méthodes de liaison sont également étudiées pour proposer de nouvelles solutions constructives innovantes dans le domaine du Génie Civil. La première partie de ce travail est consacrée à l'étude des liaisons bois-béton. Ainsi une analyse expérimentale est menée à l'aide d'essais push out pour déterminer les meilleures configurations permettant la connexion des matériaux bois et béton. Ces essais push out ont permis de caractériser les joints collées bois-béton sous différentes configurations et ont également permis de retenir deux systèmes constructifs : une par voie sèche et une par voie humide. La seconde étape consiste à tester ces méthodes de fabrication à grande échelle. Une campagne expérimentale sur des poutres de 8 m de long et des planchers de 8,15 m a donc débuté. Des essais de flexion 4 points en chargement quasi statique ont permis de caractériser le comportement mécanique de onze configurations de poutres. Les résultats confirment l'intérêt des sections hybrides dans la construction : gain de capacité portante et gain de rigidité. Le collage et le nouveau système de liaison sont donc des systèmes performants qui évitent tout glissement entre les matériaux. Les tests sur plancher montrent que comparer aux charges classiques en bâtiment, les panneaux ont une marge de sécurité vis-à-vis de l'état limite de service et de l'état limite ultime. La dernière étape se concentre sur l'étude d'un chargement cyclique des panneaux hybrides. Un essai de flexion 4 points est utilisé pour solliciter pendant un million de cycles les planchers entre 4 et 20 kN. Ces charges correspondent respectivement à un plancher déchargé avec le poids mort du carrelage, cloisons et faux-plafond et un plancher chargé avec des charges d'exploitation de bureaux. Après les essais cycliques, un test de résistance résiduelle est également effectué. En parallèle, une étude analytique pour modéliser le comportement mécanique instantané des structures hybrides est effectuée. Ce modèle analytique se base sur un calcul itératif en étudiant les déformations de la section et en équilibrant les forces internes. Le comportement mécanique de chaque matériau est pris en compte et notamment leur non-linéarité. Ce modèle développé en chargement statique a également été adapté pour prendre en considération le fluage des matériaux et ainsi obtenir le comportement différé des structures bois-béton
Origine : Version validée par le jury (STAR)