Academic literature on the topic 'Bois d'oeuvre – Essais de comportement au feu'

Les structures hybrides acier-bois sont de plus en plus utilisées dans le secteur de la construction. Elles offrent plusieurs avantages pratiques en tant que solutions durables avec des capacités de charge et des résistances au feu élevées. Cependant, en raison de la conductivité thermique de l'acier et de la diminution de ses performances mécaniques à haute température, les structures en acier doivent être protégées contre le feu. Le bois, bien que combustible, a un effet isolant et peut être utilisé comme protection passive de l'acier en vue de maintenir sa résistance mécanique aussi longtemps que possible. Les travaux menés dans le cadre de la thèse visent à analyser le comportement thermique d'éléments hybrides acier-bois en combinant essais d’exposition au feu et modélisation numérique. Les essais sont réalisés dans un four construit au laboratoire permettant de monter à une température de 1200 °C. Ils permettent d’obtenir l'évolution de la température sur les surfaces des profilés en acier et dans le bois. Ainsi, des thermocouples sont installés sur la surface des profilés en acier et à différentes profondeurs dans les éléments en bois. Les essais au feu ont été réalisés sur différentes associations acier-bois en utilisant des sections en acier (T et I) et différentes essences de bois. Les résultats montrent que le bois offre une protection significative à la section en acier, principalement au profilé IPE entièrement encapsulé. Le bois se comporte comme un matériau isolant qui réduit de manière significative l'augmentation de température de l'acier. Cette solution contribue au développement de la protection passive des structures en acier en utilisant des matériaux biosourcés. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux obtenus par des simulations thermiques à l'aide du logiciel Abaqus. La comparaison montre que le modèle numérique peut être utilisé pour évaluer l'augmentation de température dans l'élément en acier protégé par du bois dans des conditions de haute température
Steel-timber hybrid structures are becoming more and more common in the construction industry. They offer high practical advantages as sustainable solutions with high load-bearing capacities and fire resistance. However, due to steel thermal conductivity and the decrease of mechanical performance with high temperatures, steel structures need to be protected in case of fire. Wood is occasionally used as passive protection of steel to maintain its mechanical strength as long as possible with the aim to prevent structural collapse under fire. This thesis aims to analyse the thermal behaviour of hybrid steel-timber elements through experimental tests and numerical modelling. Experiments in the furnace are performed to obtain the evolution of temperature on the steel profile surfaces and inside the timber element. Thus, thermocouples are installed on the steel profile surface and different depths of timber elements. The fire tests were performed on various steel-timber combinations using T and I steel cross-sections with various wood species. A high-temperature furnace up to 1200 °C built in the laboratory was used. The results show that wood provides significant protection to the steel cross-section mainly the fully encapsulated IPE profile. Wood behaves as an insulating material that significantly reduces the temperature rise in steel. This solution contributes to the development of passive protection of steel structures using bio-based materials. The experimental results are compared to those obtained through thermal simulations using Abaqus software. The comparison shows that the numerical model can be used to evaluate the temperature increase in the steel element protected by timber in high-temperature conditions

Le bois s'affinne de plus en plus dans l'ensemble des matériaux de construction, notamment gracé à de nombreuses caractéristiques spécifiques: par exemple, le bois est un très bon isolant grâce à sa faible conductivité thermique, il apporte aujourd'hui une réponse à la crise énergétique et conduit à une réduction du coût de la consommation d'énergie. Cependant, le bois est classé comme un matériel combustible, ce qui pose des questions quant à la résistance à l'incendie de structures en bois. Contrairement aux idées reçues et malgré cette classification, le bois offre une excellente résistance au feu: il est ainsi reconnu depuis longtemps que lors d'un incendie, une structure en bois perd moins rapidement sa capacité portante qu'une structure en acier ou en béton armé. Le contexte particulier de ce travail est lié à la problématique du feu appliquée aux poutres en bois lamellé collé. Actuellement, les adhésifs les plus utilisés dans l'industrie de bois lamellé collé sont: la résorcine-formaldéhyde, phénol-résorcine-fonnaldéhyde, l'urée-formaldéhyde, et la mélamine-urée-formaldéhyde. Les principaux inconvénients de ces adhésifs sont qu'ils se présentent sous la forme de deux composants (résine et durcisseur), ce qui rend leur utilisation assez délicate et que le bois doit être séché avant d'être collé, ce qui augmente le coût et le délai de fabrication. Pour répondre à ces inconvénients, d'autres solutions se présentent aujourd'hui sur le marché, comme les adhésifs polyuréthannes, qui se présentent sous fonDe d'un mono composant liquide directement applicable sur le bois et qui être utilisé sur du bois humide. Toutefois, ces colles présentent un niveau de fluage très élevé à haute température, ce qui peut conduire à des dangers importants dans un contexte d'incendie. Au cours de notre travail, nous avons caractérisé le comportement des colles polyuréthannes d'usage structurel dans une situation d'incendie en prenant comme paramètre de comparaison les deux colles les plus utilisées (phénolrésorcine-formaldéhyde et mélarnine-urée-fonnaldéhyde). Dans un premier temps, nous avons caractérisé le comportement des différentes colles soumises à de hautes températures (entre 20 et 250°C). Dans une seconde étape, nous avons établi le comportement au feu du bois lamellé collé avec ces différents adhésifs: pour ce faire, nous avons choisi de réaliser des essais avec des panneaux rayonnants en conservant un flux de chaleur constant (15, 25, 45 et 60 kW/m2). Le principal résultat est que le type de colle n'influence pas la résistance à l'incendie de poutres en bois lamellé-collé. Enfm, dans une troisième étape, nous avons modélisé les différents phénomènes: un modèle thermique par éléments finis pennet de suivre en continu l'évolution du champ de température au sein de la poutre en bois lamellécollé soumise à un flux de chaleur. En intégrant les données de raideur et de module d'élasticité issues des essais en fluage, nous avons alors pu prédire le comportement en fluage et le temps à rupture pour une poutre en bois lamellécollé soumise à un flux de chaleur simulant un incendie. Les résultats obtenus sont conformes à ceux des essais et montrent que le type de colle n'a pas d'influence sur la résistance au feu car le charbon créé à la surface du bois est un très bon isolant qui limite la profondeur de bois chaud et ainsi la perte de résistance mécanique
Wood is increasingly being used as building rnaterial due to its specific characteristics, such as its high insulating capacity given by its low thermal conductivity. Nowadays, wood may be considered as an answer to the cUITent energy cri sis, resulting in cost reduction in energy consumption. Wood is classified as a combustible material, which makes us doubt about its structural tire resistance. However, contrarily to !bis idea and spite of its classification, wood provides an excellent tire resistance. It bas long been recognized that under a tire situation, a wood structure loses resistance more slowly than a steel or concrete structure. The particular context of this study relates to tire applied to glulam. Currently, the most used adhesives in the glulam industry are: Resorcinol-Formaldehyde, Phenol-Resorcinol-Formaldehyde, Urea-Formaldehyde, and MelamineUrea-Formaldehyde. The main problem arising from these adhesives is their two-component fonnulation (adhesive and hardening), making their usage more complicated. Moreover, wood bas to be dried before gluing, which in turn increases the costs and building time. Ln order to solve these inconveniences, there are currently other solutions in the market, e. G. Polyurethane adhesives consist of only one liquid component applied directly on wood even if it is wet. However, this kind of adhesive shows a high level of creep at high temperatures, which rnay lead to a dangerous situation during a tire. Ln the development of !bis thesis, we characterized the behavior of structural polyurethane adhesives under tire, considering as parameter for comparison the most used adhesives, i. E. Phenol-Resorcinol-Formaldehyde and MelamineUrea-Formaldehyde. As a first stage we characterized the different adhesives subject to high temperatures (between 30°C and 250 °C). As a second stage we established the tire behavior of glulams under the different studied adhesives. For !bis, we chose to perfonn tests with a radiant panel at constant flow (15, 25, 45 and 60 kW/m2). The main result was that the kind of adhesive used in glulams bas no influence on tire resistance. The final stage of fuis study consisted on modeling the different occurring phenomena: A thermal model through a finite element allowed to follow-up in time the temperature distribution in the glulam transversal section subject to a heat flow. By integrating the stiffness database and the elasticity modulus resulting from the creep tests, we have been able to predict the creep behavior and failure time for a glulam subject to a temperature flow that simulates a tire. The results agree with the tests and show that the kind of adhesive bas no influence on tire resistance as the char layer that forms in the glulam surface is a good insulator that limits the depth of the wood darnaged by temperature and thus, its loss of mechanical resistance

La modélisation numérique des structures bois dans des conditions d’incendie nécessite la connaissance : de la variation des propriétés physiques du bois telles que la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité en fonction de la température ; de la dégradation thermique du bois au cours des phases de séchage, de pyrolyse et de combustion. En particulier, nous nous sommes intéressés à l’étude du comportement thermomécanique du matériau bois. La loi thermique est décrite par l’équation de la chaleur. Le modèle choisi intègre les trois modes du transfert de chaleur : la conduction, le rayonnement et la convection. La loi mécanique est modélisée dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles utilisant la notion des variables d’état. Elle tient compte du couplage entre le comportement élastique orthotrope, plastique anisotrope à écrouissage non linéaire isotrope et un endommagement isotrope. L’intégration numérique de la loi mécanique par un schéma implicite itératif combinant la technique du retour radial avec la réduction du nombre des équations est présentée. Le couplage thermomécanique est réalisé, selon l’approche réglementaire de l’Eurocode 5 relatif à la résistance au feu des structures en bois, en appliquant le facteur de réduction Kθ sur la résistance mécanique d’un résineux. Les aspects théoriques et les conditions aux limites associés au modèle thermomécanique sont abordés. L’identification des paramètres du modèle est réalisée sur des données expérimentales obtenues sur des tests réels d’incendie disponibles dans la littérature. À ce titre, plusieurs comparaisons avec différentes applications sont réalisées. Le modèle éléments finis reproduit avec précision la distribution du champ de température dans l’épaisseur des panneaux en bois, la formation du charbon ainsi que l’évolution de la résistance mécanique au cours de l’exposition au feu
Numerical modelling of timber structures in fire conditions requires the knowledge of the variation with temperature of the physical properties of the wood material (the thermal conductivity, the specific heat and the density) in order to take into account the thermal degradation of wood under high temperatures during the drying, pyrolysis and combustion phases, as well as the temperature profiles in the thickness of the surfaces exposed to fire. In particular, this work focusses on the thermomechanical behaviour of timber. The heat transfer analysis is described by the standard equations of heat conduction. It includes the three modes of heat transfer: conduction, radiation and convection. The structural response is modelled within the framework of thermodynamics of irreversible processes using the notion of state variables. It takes into account the coupling between the orthotropic elastic behaviour, the anisotropic plastic behaviour with isotropic nonlinear hardening, and isotropic damage. The numerical integration of the equilibrium equations is carried out with an iterative implicit scheme combining the technique of radial re- turn with the reduction of the number of equations. The thermomechanical coupling is carried out according to the approach recommended by Eurocode 5 for the fire resistance of timber structures by applying the reduction factor Kθ to the strength of a softwood. The theoretical aspects and boundary conditions associated with the thermomechanical model are also discussed. The parameters of the model are identified with experimental data obtained from actual fire tests available in the literature. Several comparative applications are carried out. The finite element model accurately reproduces the distribution of the temperature profile in the thickness of timber planks, the formation of the charred layer, and the evolution of the mechanical resistance during exposure to fire

La généralisation de l'utilisation du bois en construction se heurte à des questions concernant la sécurité incendie. Les réglementations imposent une durée de stabilité au feu permettant l'évacuation des locaux et le combat de l'incendie. La résistance au feu des charpentes étant reconnue, l'exigence de stabilité se traduit par un besoin de connaissances sur le comportement au feu des assemblages. Ce travail concerne l'étude du comportement au feu des assemblages bois monotiges. Il est divisé en trois parties: l'influence de la température sur le module d'élasticité en flexion et sur la portance locale; la carbonisation du bois et l'influence d'une tige métallique au sein de ce matériau, puis la modélisation du comportement au feu des assemblages bois monotiges. Les deux premières parties de l'étude ont fourni des données mécaniques et thermiques qui ont permis de mettre en place un modèle simulant le comportement de l'assemblage et sa résistance avant rupture sous l'effet du feu
The more generalized use of wood for building raises concern for fire safety. The current standards require the structure stability for a minimum time to ensure the building evacuation and the fire fight. Considering that the fire endurance of wood is well-known, the stability requirement is mainly reduced to the understanding of the behaviour of wood joints on fire. The aim of this work is to study the behaviour of single-dowel timber joints and it is divided into three parts. The first part is a study of the influence of temperature on the modulus of elasticity and on the embedding strength in a range between 20 and 300 °C. In the second part the wood charring and the influence of a metallic dowel embedded in wood, is studied. In the third part, the fire behaviour of single-dowel wood joints is tackled. The first two studies have provided mechanical and thermal data to allow the development of a model to simulate the joint behaviour and its fire endurance before fracture

La construction de bâtiments à énergie positive et à faible empreinte carbone constitue une véritable réponse aux enjeux et défis environnementaux de ces prochaines décennies. Un point clé pour la réalisation de tels bâtiments est le comportement au feu de ces ouvrages. En effet, lorsque le bois est soumis à une sollicitation thermique, celui-ci va se dégrader, voire même s’enflammer et, lorsque les conditions le permettent, s’éteindre. Cependant, l’état de l’art actuel met en évidence la disparité des résultats expérimentaux sur un même matériau soumis à un essai donné comme le cône calorimètre par exemple. L’objectif de la thèse présentée ici est d’appréhender expérimentalement l’auto-inflammation, la dégradation et l’auto-extinction du matériau bois utilisé dans les bâtiments. Pour cela, de nombreux essais à différentes échelles ont été effectués afin d’étudier la capacité du matériau bois à s’enflammer ou à s’éteindre de lui-même selon des conditions prescrites. Au total, 600 tests ont été effectués en orientation verticale et permettent de conforter les résultats avec une approche statistique. Une métrologie dédiée a été mise en place et a été déployée sur chaque dispositif expérimental étudié : une caméra infrarouge permettant d’obtenir la température de surface des échantillons lorsqu’ils sont soumis à une sollicitation thermique, deux caméras rapides (visible et infrarouge) pour filmer la localisation et les mécanismes d’auto-inflammation et des thermocouples très fins encastrés dans le bois de façon à mesurer l’évolution de la température dans le matériau selon des conditions fixées. Les travaux menés ont montré que pour l’auto-inflammation, la notion de température d’inflammation du matériau pouvait être discutable lorsque l’inflammation se produit à des temps courts. En effet, l’apparition de la flamme se situe alors, dans la majeure partie des expériences, à une distance éloignée de la surface exposée à la sollicitation thermique. Les mécanismes d'apparition de la flamme ne dépendent alors pas de la température de surface mais des conditions de mélange gaz/air ainsi que de la température de ce mélange. La température de surface à l'auto-inflammation n’a donc de sens que pour des temps d'auto-inflammation longs, pour lesquels l’inflammation se produit à proximité de la surface. La dégradation des échantillons dépend de nombreux facteurs. L’effet de certains de ces paramètres a été considéré dans ce travail. Une attention particulière a été portée sur la mise en place d’une métrologie visant à obtenir des mesures précises et fiables. Des thermocouples très fins, noyés dans l’échantillon et orientés parallèlement aux isothermes permettent une meilleure estimation de la température et ont donc été utilisés. Enfin, un nouveau dispositif expérimental basé sur deux cônes calorimètres disposés sur un système de table coulissante a été mis en place et a permis de déterminer des critères simples d’auto-extinction du bois à petite l’échelle
The construction of positive energy and low carbon footprint buildings is a real response to the environmental issues and challenges of the coming decades. An increasing number of high-rise building construction projects made largely of wood are either under study or under construction. A key issue for the construction of such buildings is the fire behavior of these structures. Indeed, when the wood is subjected to a high heat flux, it will degrade and it can self-ignite. Conversely, in certain conditions, wood can self-extinguish. However, the bibliography shows the disparity concerning experimental results for a same material subjected to a given test such as the cone calorimeter. The results on the wood extinction remain limited in view of recent research carried out on this phenomenon. The aim of the thesis is to experimentally study the self-ignition, degradation and self-extinction of the wood material used in buildings. For this, many tests at different scales have been performed to examine the ability of the wood material to self-ignite or self-extinct under prescribed conditions. A total of 600 tests, were performed in vertical orientation and allowed to consolidate results with a statistical approach. A dedicated experimental setup has been deployed on each experimental device studied: an infrared camera providing to measure the surface temperature of the samples when they are subjected to a heat flux, two fast cameras (visible and infrared) in order to record the location and the auto-ignition mechanisms and very thin thermocouples embedded in the wood to measure the temperature evolution in the material according to fixed conditions. Results showed that for the auto-ignition (i.e. without pilot), the notion of ignition temperature of the material could be questionable when the ignition occurs at short times. Indeed, the flame appearance is, in most of the experiments, at a distance far from the exposed surface to the heat flux. The ignition mechanisms do not depend on the surface temperature but on the gas / air mixing conditions as well as the mixture temperature. The auto-ignition surface temperature makes therefore sense only for long auto-ignition times, for which ignition occurs close to the surface. The samples degradation depends on many factors: sample orientation, sample humidity, wood species, oxygen concentration in the atmosphere. The effect of these parameters was considered in this work. A particular attention was focused on the establishment of a metrology aimed at obtaining precise and accurate measurements. Very thin thermocouples, embedded in the sample and oriented parallel to the isotherms allow a better estimation of the temperature and were therefore used. Finally, a new experimental device based on two cones calorimeter arranged on a sliding table system was set up and made it possible to determine simple criteria for wood self-extinguishment at small scale

La connaissance du comportement au feu des structures est primordiale pour la maîtrise des risques en situation d’incendie. Pour le bois, matériau combustible, des travaux expérimentaux et de simulations numériques ont montré que ce matériau avait un comportement intéressant en situation d’incendie, car il se consume de façon maîtrisable. Cependant, ces travaux restent limités au regard de la complexité du comportement du matériau, des composants et des assemblages à base de bois. L’étude de la stabilité au feu des structures bois nécessite la connaissance de l’évolution des caractéristiques mécaniques et thermiques des liaisons (résistance et rigidité) dont dépend le comportement mécanique des structures. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement mécanique des assemblages en situation d’incendie, la mise en place de modèles numériques, validés par essais, est nécessaire. Dans cette étude, l’objectif est d’utiliser un modèle numérique le plus précis possible afin de définir des méthodes simplifiées de calcul d’assemblages, facilement utilisables par les professionnels. Les résultats d’essais réalisés sur les assemblages bois-bois et bois-métal servant de base à la validation des modèles du comportement thermomécanique sont présentés. Il s’agit d’essais de traction longitudinale, transversale et d’essais de flexion sous conditions normales et sous actions thermiques normalisées. L’étude thermomécanique des assemblages est effectuée à partir de deux maillages tridimensionnels différents pour les calculs thermique et mécanique. Pour le modèle mécanique, les discontinuités sont prises en compte à travers des éléments de contact aux interfaces des pièces assemblées. Pour le calcul thermique, le maillage est continu et la résistance due au contact entre les éléments est ainsi négligée. Les modèles mécaniques et thermiques sont validés sur la base des résultats expérimentaux (courbes force-glissement et températures). Le modèle mécanique permet par ailleurs d’analyser la distribution des contraintes au sein des assemblages et d’évaluer l’influence de différents critères élasto-plastiques ou de rupture représentant le comportement mécanique du bois. Enfin, le modèle thermomécanique, a permis de simuler le comportement des assemblages testés en situation d’incendie. Le résultat utilisé pour valider le modèle thermomécanique est la durée de résistance au feu de l’assemblage. Cette durée est définie à l’aide des courbes glissement-temps obtenues par le modèle numérique. De bons résultats sont obtenus pour la prédiction des temps de rupture. L’évolution de la distribution des efforts sur les différents organes en fonction de la durée d’exposition au feu est aussi présentée. Ainsi, le modèle développé dans ce travail permet de bien représenter le comportement thermomécanique des assemblages étudiés. Il représente aussi un outil intéressant pour analyser le comportement au feu d’assemblages constitués de plusieurs organes métalliques. Il permet de servir de base pour développer une approche multiparamètre basée sur des plans d’expérience numérique. Ces travaux permettront de proposer des méthodes de dimensionnement simples, validés par les modèles numériques, et utilisables par les praticiens de la construction
The knowledge of the behavior of structures under fire conditions is essential to control the risks during a fire. As timber is a combustible material, fire safety is of main importance for the development of its use in buildings. Although experimental and numerical studies exist in the literature, their number still limited regarding the variety of the configurations and the complexity of the mechanical behavior of the connections. Among the various structural components, the joints are characterized by a complex thermomechanical behavior due mainly to the geometrical configuration combining various materials (steel and timber). They govern the load-carrying capacity of the structure and its safety, as well in normal conditions as in fire situation. Due to their complex geometrical, physical and material configurations, the behavior of the connections in fire is one of the more difficult to predict. The development of generalized models requires the combination of research based both on the experimental results given by full scale tests and the development of sophisticated numerical models validated on these tests.The experimental results of tests realized on timber-to-timber and steel-to-timber connections used as a basis for the validation of the numerical models are presented. They concern tests of longitudinal and transversal tension and flexion under normal conditions and under standardized thermal actions. The thermomechanical analysis of the connections is made from two different three-dimensional meshings for the thermal and mechanical calculations. The thermal model is continuous to take account of the thermal continuity between the joint components. The mechanical model is discontinuous to consider the contact evolution between the joint components. The thermal model isused to predict the evolution of the temperature field inside the joint depending on the gas temperature. It is validated on the basis of measured temperatures during fire tests. The mechanical model is validated by comparison with the experimental results of joints in normal conditions. It allows the analysis of the distribution of stresses within the joints. The influence of various criteria to represent the mechanical behavior of timber is also studied. Finally, the thermomechanical model, based on previous both models, allowed to predict the behaviorof the tested connections in fire situation. The thermo-mechanical model is validated considering the fire resistance duration of some joints. This duration is defined by means of displacement-time curves obtained by the numerical model. The models showed a good capacity to simulate the failure times of the timber joints in fire situations. The application of the model gave the possibility to analyse the load distribution among the fasteners of the studied joints.The model developed in this work represents well the thermomechanical behavior of the tested connections. These developed and tested models can be used as general tool to analyze the behavior of a large variety of joint configurations to constitute a data base that can be used in safe and economic practice of fire engineering of wood joints

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.

La mixité acier-bois présente un fort potentiel de développement : les composants en bois et en acier peuvent se renforcer mutuellement ; le bois, par son caractère isolant, peut être utilisé pour protéger l'acier du feu ; l'acier apporte son caractère incombustible. Cette forme de mixité est pourtant peu répandue malgré le récent essor du bois dans la construction de bâtiments multiétagés, à cause du manque de références scientifiques et techniques sur le sujet. On propose alors d'étudier des poutres mixtes pour lesquelles l'acier et le bois sont associés de manière à obtenir des performances les meilleures possibles, en situations normale et d'incendie. On décrit d'abord le comportement des matériaux acier et bois, à froid et en situation d'incendie. Une description de la combustion du bois est proposée pour mieux comprendre ce qui sous-tend l'évolution de ses propriétés avec la température. Un intérêt particulier est porté sur les transferts hydriques qui se produisent dans le bois lorsqu'il brûle. On examine ensuite la question de la mixité acier-bois à travers un aperçu global. Puis on passe en revue les travaux portant sur un certain type de configuration, qui consiste à insérer des poutres en bois entre les semelles d'un profilé en I laminé à chaud, tout en faisant en sorte que ce profilé soit protégé du feu par le bois. La description du comportement élastique à froid des poutres étudiées est réalisée par l'utilisation de la méthode gamma. La réalisation d'essais de flexion sur des poutres mixtes et leurs constituants permet de confirmer ce modèle analytique, mais un effet composite non-anticipé est observé dès lors que l'acier commence à se plastifier. Un gain de résistance significatif est alors permis par l'association du bois et de l'acier. On parvient à simuler ce comportement en augmentant la limite d'élasticité de l'acier modélisé par rapport à la valeur mesurée, ainsi que la résistance du bois en traction longitudinale. Des essais thermiques sur des éprouvettes acier-bois non chargées sont ensuite réalisés. On confirme à cette occasion que la mesure correcte des températures dans le bois nécessite d'orienter les thermocouples parallèlement aux isothermes. De nombreuses configurations sont comparées, ce qui permet d'appréhender finement l'efficacité de la protection au feu des profilés métalliques apportée par le bois. Les transferts de masse qui se produisent dans le bois se révèlent avoir un effet sensible sur la température des profilés métalliques protégés. La comparaison des températures mesurées et simulées permet de mettre en évidence l'importance de l'étanchéité des joints d'assemblage pendant l'exposition au feu. La combustion du bois et la température de l'acier sont observées après la fin de l'exposition au feu, on oppose alors le comportement des configurations creuses à celui des configurations pleines. Finalement, des essais au feu sur des poutres chargées mécaniquement montrent qu'un profilé protégé par une épaisseur de bois de 45 mm peut résister au feu pendant 81 min. On met en évidence un effet du chargement sur la température du profilé métallique par l'intermédiaire d'une ouverture des joints d'assemblage. La simulation numérique montre que le bois contribue à la résistance au feu de la poutre mixte non seulement en protégeant thermiquement l'acier, mais également en reprenant une partie des charges. Ces travaux montrent l'efficacité des poutres mixtes acier-bois, en situation normale et sous incendie, et contribuent à la compréhension de leur comportement. Ils permettent de formuler des propositions d'amélioration et d'identifier de nouvelles problématiques ouvrant des perspectives pour l'étude et l'utilisation de ces poutres mixtes
Timber-steel hybridization has great potential, because steel and timber component can reinforce each other, timber can be used to protect steel from fire, and the non-combustibility of steel can be used in an advantageous way. However, this form of hybridization is not widespread despite recent developments in the use of timber for multi-story buildings. Therefore, it is proposed to study composite beams made from timber and steel combined in such a way that the best possible performances are achieved, in normal and fire situations. Firstly, behavior of steel and timber is described in normal and fire situations. A description of wood combustion is proposed to better understand what underlies the temperature dependence of its properties. A focus is made on the mass transfer that occur into timber as it burns. Then, the timber-steel hybridization is addressed through an overview. Afterward, a literature review is made on a specific configuration type, which is assembled by inserting timber beams between the flanges of a hot-rolled “I” profile, while ensuring that this profile is protected from fire by timber. The description of the elastic behavior of studied beams in normal situation is achieved using the gamma method. Bending tests on hybrid beams and their components corroborate this analytical model, but an unexpected composite behavior is observed when steel yielding begins. Thus, a significant strength gain results from the combination of timber and steel. We manage to simulate this behavior by increasing the yield point of the modeled steel compared to the measured value, as well as the tensile strength of timber. Then, fire tests on unloaded specimens are performed. On this occasion, we confirm that correct temperature measurements into timber require orienting thermocouples parallel to isotherms. Many configurations are compared, which allows to understand in detail the effectiveness of the fire protection provided by wood to steel profiles. Mass transfers that occur into timber appear to have a significant effect on temperatures measured on protected steel profiles. The comparison of measured and simulated temperatures allows to highlight the importance of tightness of assembly joints during exposure to fire. Wood combustion and steel temperatures are observed after the end of the fire exposure, and the behavior of hollow configurations is contrasted with that of the timber filled configurations. Finally, fire tests on mechanically loaded beams show that a steel profile protected using 45 mm thick timber components can resist fire for 81 min. Thus, R60 is exceeded with relatively thin protection. Results show that the loading has an impact on steel temperatures, because of an opening of the assembly joints. Numerical simulations show that timber gives fire resistance of the composite beam both thermally and mechanically, by protecting the steel profile, but also by relieving its load. This work shows the effectiveness of steel-timber composite beams, in normal and fire situations, and contributes to the understanding of their behavior. However, proposals for improvement and new challenges are formulated, opening prospects for the study and use of these composite beams

L’évolution structurelle des bâtiments résidentiels du fait des réglementations thermiques, environnementales ainsi que du déploiement du Règlement des Produits de la Construction génère des enjeux majeurs pour les fabricants de conduit de fumée, notamment en ce qui concerne la sécurité des habitants en cas d’incendie. Deux scenarii de résistance au feu sont considérés par la règlementation européenne : celui associé au développement du feu dans la pièce où se situe le conduit et celui-ci relatif au développement du feu dans le conduit lui-même, par l’inflammation de dépôts. Dans les deux cas, le conduit ne doit pas être vecteur de propagation du feu aux pièces et aux matériaux combustibles adjacents. Dans ce contexte, la présente étude vise à caractériser les principaux transferts thermiques mis en jeu au cours des deux scenarii et de mieux comprendre la cinétique de formation, de décomposition, d’inflammation et de combustion des dépôts au sein des conduits. Pour ce faire, une démarche expérimentale et numérique a été adoptée. La partie expérimentale permet de déterminer les caractéristiques chimiques (analyses élémentaire et chimique) et thermo-physiques (densité, conductivité, effusivité et capacité thermique, porosité, pouvoir calorifique) de 24 résidus provenant d’installations réelles ou créés en laboratoire dans des conditions de combustion maîtrisées. Ces résidus sont par la suite étudiés en analyseur thermogravimétrique et au Cône Calorimètre afin de déterminer les étapes de décomposition thermique, ainsi que les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité, en inflammation pilotée et en auto-inflammation. Une base de données conséquente de l’ensemble des propriétés est alors générée. Un four de résistance au feu (selon la norme EN 1366-13) a permis l’étude de la participation du conduit à la propagation du feu d’une pièce à une autre, à travers la mesure de champs de température, notamment au-dessus du plafond. Les essais dans ce dispositif permettent l’acquisition de données essentielles à la définition des conditions initiales et aux limites nécessaires au développement et à la validation d’un modèle numérique développé sous Fluent. Ce modèle décrit les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement. Il permet d’estimer le niveau de température sur la paroi extérieure du conduit de fumée au-dessus du four, requis lors des essais de déclaration de performance EI selon la norme EN 1366-13 et ce, quelle que soit la configuration du conduit (diamètre, nature…). Les résultats obtenus répondent au besoin de Poujoulat, dont l’enjeu est de disposer d’un outil expérimental et numérique de développement de conduits résistant au feu et d’une base de données relative aux dépôts afin de préconiser des conseils d’utilisation aux habitants
The structural evolution of residential buildings due to thermal, environmental regulations and roll out of the Construction Products Regulation generate major challenge for chimney manufacturers, in particular with regard to the safety of residents during a fire. Two fire resistance scenarios are eloquent in European Regulations: the one associated with the development of fire in the room where the chimney is located and the last reported on the development of fire in the chimney itself, by ignition of the deposits. In both cases, the chimney must not be a vector for propagating fire to adjacent rooms and combustible materials. In this context, the present study aims to characterize the main thermal transfers involved in the two scenarios and to better understand the kinetics of formation, decomposition, ignition and combustion of the deposits within the chimney. To do this, an experimental and numerical approach was adopted. The experimental part allows to determine the chemical characteristics (elemental and chemical analyzes) and thermo-physical characteristics (density, conductivity, effusivity and thermal capacity, porosity, calorific value) of 24 residues from real installations or created in laboratory under representative conditions of combustion. These residues are then studied in thermogravimetric analyzers (TGA) and Cone Calorimeters in order to determine the thermal decomposition steps as well as the flammability and combustibility properties, in cases of piloted and auto-ignition. A consequent database of the set of properties has then been generated. A fire-resistant furnace (according to EN 1366-13) allowed the study of the chimney participation in the propagation of fire from one room to another, through the measurement of temperature fields, above the ceiling. The tests allow the acquisition of data essential to the definition of the initial conditions and the limits necessary for the development and the validation of a numerical model developed under Fluent. This model describes heat transfer by conduction, convection and radiation. It makes possible to estimate the temperature level on the outer wall of the chimney above the furnace, which is required in the EI performance declaration tests according to EN 1366-13, regardless of the configuration of the chimney (diameter, materials...). The results obtained correspond to the need for Poujoulat, whose challenge is to have an experimental and numerical tool for the development of fire-resistant chimney and a database relating to deposits in order to advise the habitants

Le scellement chimique est une technique d’assemblage structural permettant de connecter et d’assurer le transfert d’efforts entre deux éléments adjacents en béton, à travers le collage d’une armature en acier à l’aide d’une résine polymère. Les scellements chimiques ont été initialement utilisés dans les ouvrages en béton armé pour la rénovation, l’extension et la réparation des structures à travers l’ajout de nouvelles sections de béton aux éléments existants. L’évolution, au fil du temps, des propriétés mécaniques et des propriétés d’adhérence des résines polymères a permis d’améliorer le comportement mécanique des scellements chimiques, leur permettant d’atteindre des propriétés équivalentes ou même supérieures à celles des ancrages mécaniques classiques, à des températures normales de service. Ainsi, les scellements chimiques ont pu progressivement substituer les ancrages mécaniques classiques dans certaines applications, en proposant des solutions plus avantageuses et en offrant plus de flexibilité pour répondre aux exigences architecturales. Cependant, le comportement mécanique des scellements chimiques est principalement gouverné par celui des résines polymères, qui demeurent très sensibles à la variation de la température. Par conséquent, l’augmentation de la température au niveau des scellements chimiques présente un risque potentiel affectant leur sécurité d’utilisation. Par ailleurs, une situation d’incendie présente un danger sérieux qui doit être considéré lors du dimensionnement des scellements chimiques. Récemment, la technique des scellements chimiques, exclusivement utilisée dans les ouvrages en béton armé, a été transférée à la construction des ouvrages bois, sous l’appellation de « goujons collés ». Cette technique, originellement utilisée dans la rénovation et le renforcement des monuments historiques, est aujourd’hui employée dans la construction neuve grâce à la bonne tenue mécanique et séismique et aussi à la possibilité qu’elle offre pour réaliser des assemblages invisibles. Cependant, les goujons collés sont aujourd’hui confrontés aux mêmes problématiques que les scellements chimiques, notamment vis-à-vis l’augmentation de la température. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution du comportement mécanique de ces deux systèmes d’assemblages dans le but de proposer une méthode de dimensionnement permettant d’assurer leur tenue structurale en situation d’incendie. L’étude est répartie sur quatre niveaux :i. Etude du comportement des ancrages chimiques à l’échelle des matériaux à travers des essais de caractérisation des constituants de l’ancrage, avec une focalisation particulière sur l’étude des phénomènes se produisant à haute température dans la résine polymère.ii. Etude du comportement global de l’ancrage par le biais d’essais d’arrachement à haute température, à effort constant et à température stabilisée, réalisés sur des scellements chimiques dans des cylindres en béton et des goujons collés dans des parallélépipèdes en lamellé-collé d’épicéa.iii. Etude du comportement mécanique à haute température des ancrages chimiques à l’échelle de la structure à travers la réalisation d’un essai au feu à l’échelle 1 sur une dalle en console ancrée chimiquement dans un mur en béton par 8 scellements chimiques. Les résultats de cet essai ont permis de valider la méthode de dimensionnement proposée pour prédire la durée de résistance au feu des scellements chimiques lors d’une situation d’incendie.iv. Etude théorique portant sur l’évolution de la distribution des contraintes le long de l’ancrage lors d’une variation de la température, à travers le développement d’un modèle non linéaire de cisaillement différé « Shear-lag », permettant d’obtenir les profils théoriques des contraintes pour une distribution thermique quelconque, à partir des données d’entrée expérimentales obtenues par des essais d’arrachement
Post-installation of rebars is a structural joining technique allowing the connection and the load transfer between two neighboring structural elements using steel rebars and adhesive polymers. Post-installed rebars were initially used in concrete constructions in retrofitting, extension and in repairing structures by adding new concrete sections to existing elements. Over the time, the improvement in mechanical and adhesion properties of polymer adhesives have allowed to enhance the mechanical behavior of post-installed rebars and led to achieve equivalent or even higher mechanical responses than cast-in place rebars at normal operating temperatures. Thus, post-installed rebars have gradually replaced cast-in place rebars in new constructions for some applications by offering advantageous solutions and flexibility allowing meeting the high architectural requirements. However, the mechanical behavior of post-installed rebars is essentially governed by the mechanical properties of polymer resins, which remain highly sensitive to temperature variation. Consequently, the temperature increase of the post-installed rebars presents a potential risk affecting their safety use. Therefore, fire presents a serious hazard that should be considered when designing post-installed rebars. Recently, the technique of post-installed rebars, exclusively used in reinforced concrete structures, has been transferred to wood structures construction, and called "glued-in rods". This technique, initially used in the retrofitting and the reinforcement of historical monuments, is today used in new construction thanks to its good mechanical and seismic behavior in addition to the possibility it offers to make invisible connections. However, glued-in rods face the same problems as post-installed rebars, especially concerning the temperature increase. The aim of this thesis is to study the evolution of the mechanical behavior of these two connection techniques in order to suggest a design method allowing ensuring their safe use in a fire situation. The study is divided into four levels:i- Study of the behavior of chemical anchors at the scale of materials through characterization tests performed on the anchor components, with a particular emphasis on the study of phenomena occurring at high temperature in the polymer resin.ii- Study of the global behavior of chemical anchors by means of pull-out tests performed at high temperature, at constant load and at stabilized temperature, carried out on post-installed rebars in concrete cylinders and on glued-in rods in parallelepipeds of spruce glulam.iii- Study of the mechanical behavior at high temperature of chemical anchors at the scale of the structure through a full-scale fire test carried out on a cantilever concrete slab connected to a concrete wall using eight post-installed rebars. Test results were also used to validate the suggested design method to predict the fire resistance duration of post-installed rebars in a fire situation.iv- Theoretical study on the evolution of the stress distribution along the anchor during a temperature variation, through the development of a non-linear shear-lag model, allowing to obtain the theoretical stress profiles for any thermal distribution, from the experimental input data obtained by pull-out tests