Le Macroélément développé à l’Université de Trento
À ce jour, la modélisation d’une maison en bois par des logiciels aux éléments finis est plutôt complexe: En particulier, il est difficile d’évaluer la rigidité correcte des éléments constitutifs, en tenant compte des différents aspects (l’aptitude à la déformation des murs, des connexions, des équerres d’ancrage – hold-down…), qui ne sont pas facile à évaluer et à modéliser.
Cependant, la définition et la modélisation des murs en bois (CLT o Ossature Bois) résulte très simple avec le logiciel TimberTech Buildings, parce que « la tâche de l’assemblage » des tous les composants retombe au solveur et aux modelés numériques implémentés, dérivant de la recherche conduite par l’Université de Trento, qui est capable d’analyser correctement même les aspects auxquels les indications spécifiques des normes en vigueur sont médiocres.
Le modèle implémenté dans le logiciel est un modèle analytique en mesure de considérer la rigidité de tous les composants en jeu et en particulier des connexions. Une description du modèle a été publiée dans l’article Daniele Cassagrande, Simone Rossi, Tiziano Sartori, Roberto Tomasi, «Proposal of an analytical procedure and a simplified numerical model for elastic response of single-storey timber shear-walls» in construction and Building Materials (2015).
Modèle des murs ossature bois (platform-frame)
Modélisation des murs Ossature Bois (Platform-frame)
CAS D’ÉTUDE
INTRODUCTION
Dans ce paragraphe on montre une confrontation entre les résultats obtenus à travers une modélisation précise d’un mur ossature bois par un logiciel aux éléments finis et la modélisation a macroéléments par le logiciel Timbertech Buildings, dans l’intention de comparer les rigidités de différents éléments constituant le mur.
Le mur en ossature bois se compose d’un nombre de montant et de traverse en bois, contreventés par des panneaux de contreventement (en bois ou autre matériau) nécessaires pour la transmission des charges horizontales à la fondation.
Le déplacement élastique horizontale d’un mur ossature bois soumis aux charges horizontales s’obtient par la somme des tous les facteurs représentés dans les figures qui suivent.
Déformation des connexions panneau-ossature
Déplacement dû à la connexion panneau-ossature
Déformation de cisaillement de panneau
Déplacement dû à la déformation du panneau
Translation rigide
Déplacement dû à la translation rigide (équerres de cisaillement)
Rotation rigide
Déplacement dû à la rotation rigide du mur par l’effet des plaques en traction
MODÉLISATION PAR UN LOGICIEL DE CALCUL AUX ÉLÉMENTS FINIS (MEF)
La modélisation par éléments finis s’avère laborieuse et très complexe. Comme on peut constater dans la figure qui suit, pour estimer correctement la rigidité horizontale d’un mur, en tenant compte de toutes les connexions mécaniques y faisant partie, on a utilisé :
- Éléments “frame” pour modéliser les montants et les traverses de l’ossature. On a utilisé le lien d’articulation entre montants et traverses, parce que l’ossature ne présente aucune rigidité contre les charges horizontales sans la présence des panneaux de contreventement ;
- Éléments “shell” pour modéliser le panneau de contreventement ;
- Éléments “link” pour modéliser les pointes ou les agrafes utilisées pour fixation du panneau à l’ossature. Les link ont été modélisés avec l’entraxe réel et la rigidité effective de cisaillement des connecteurs.
- Éléments “link” pour modéliser les équerres d’ancrage (hold-down), le contact mur-fondation et les équerres de cisaillement à la base du mur.
MODÉLISATION PAR TIMBERTECH BUILDINGS
La modélisation par TimberTech Buildings se réalise de manière simple et immédiate. L’utilisateur définit toutes les propriétés géométriques et mécaniques de chaque type de mur.
Propriété de l’ossature
Propriété de panneau de contreventement
CAS D’ÉTUDE
On montre à présent une comparaison entre modélisation pour un mur ayant comme dimensions : base 2 m et hauteur 3 m.
Caractéristiques de l’ossature modélisé :
- L’ossature a une épaisseur de 160 mm, la largeur des montants et la hauteur des traverses est de 100 mm et l’entraxe entre montants est de 1 m ;
- Comme panneau de contreventement, on a utilisé le panneau OSB/2 d’épaisseur 12,5 mm et 2000 mm de base. Les pointes de fixation présentent une rigidité de 918 N/mm. L’espacement des connecteurs de bord est de 100 mm, en revanche, les pointes de la zone interne sont distancées de 200 mm ;
- Le mur a été lié à la base par un hold-down d’extrémité di rigidité 19977 kN/m et 2 équerres de cisaillement de rigidité 52186 kN/m.
Résultats obtenus par les 2 modélisations
Dans le tableau, on a reporté les différents apports de déformation qui se vérifient dans le panneau, le déplacement total et la rigidité de cisaillement équivalent du mur.
Apports de déformation
On reporte un diagramme circulaire avec la répartition des différentes déformations obtenues par Timbertech Buildings
Par les résultats obtenus dessus, on peut constater la modélisation par le logiciel TimberTech Buildings fournie des résultats excellents, en offrant des rigidités des murs proches à celles obtenues par des modélisations réalisées par calcul aux éléments finis qui sont plus laborieux. La modélisation par TimberTech Buildings résulte plus rapide et plus simple.
Dans le tableau rapporté ci-dessus, on peut noter comme les déformations obtenues dans les 2 modélisations paraissent très proches. Dans le cas d’étude qu’on a examiné, on observe un déplacement majeur au niveau clous. Le déplacement dû à la translation rigide des murs est complément négligeable tandis que le déplacement dû à la rotation rigide résulte le un quart de la déformation totale.
Déformation connexion ossature – panneau
Déformation de cisaillement du panneau
Translation rigide du panneau
Rotation rigide du panneau
Modélisation des murs en bois massif CLT (Cross Laminated Timber)
CAS D’ÉTUDE
INTRODUCTION
Dans ce paragraphe on montre une comparaison entre les résultats obtenus à travers une modélisation précise d’un mur en bois massif CLT par un logiciel aux éléments finis et la modélisation a macroéléments par le logiciel Timbertech Buildings, dans l’objectif de comparer les rigidités de différents éléments constituant le mur.
Le déplacement élastique horizontale d’un mur CLT soumis aux charges horizontales s’obtient par la somme des toutes les déformations suivantes:
- Déplacement dû au glissement entre les différents panneaux composant le mur (déformation des joints);
- Déplacement dû à la déformation au cisaillement de panneau;
- Déplacement dû à la rotation rigide du mur (connexion de traction);
- Déplacement dû à la translation rigide du mur (connexion de cisaillement).
MODÉLISATION PAR UN LOGICIEL DE CALCUL AUX ÉLÉMENTS FINIS (MEF)
Comme on peut constater dans la figure qui suit, pour estimer correctement la rigidité horizontale d’un mur, en tenant compte de toutes les connexions mécaniques y faisant partie, on a utilisé :
- Éléments “shell” pour modéliser les différents panneaux CLT ;
- Éléments “link” pour modéliser les joints entre différents panneaux CLT ;
- Éléments “link” pour modéliser les équerres d’ancrage (hold-down), le contact mur-fondation et les équerres de cisaillement à la base du mur.
MODÉLISATION PAR TIMBERTECH BUILDINGS
La modélisation d’un mur CLT obtenu par jonction des panneaux en CLT par TimberTech Buildings se réalise de manière simple et immédiate. L’utilisateur définit toutes les propriétés géométriques et mécaniques de chaque type de mur.
Propriété de mur CLT à travers TimberTech Buildings
Type de joint
Propriété de mur CLT à travers TimberTech Buildings
Propriété joint
CAS D’ÉTUDE
On effectue une comparaison entre les deux modélisations pour un mur de longueur 7500 mm et hauteur 3000 mm. Le mur se compose des panneaux des panneaux d’épaisseurs 120 mm (30V – 20H – 20V – 20H – 30V) et longueur 1250 mm liés entre eux par des planches couvre-joints externes. Les clous utilisés présentent une rigidité de 1881 N/mm et un espacement de 125 mm. Le mur est lié à la base par un hold-down de rigidité 19977 kN/m à chaque extrémité et 6 équerres de rigidité 52186 kN/m.
Tableau des résultats
Contribution des déformations à travers TimberTech Buildings
Par les résultats obtenus dessus, on peut constater la modélisation analytique réalisée par le logiciel TimberTech Buildings donne des très bons résultats, en faisant sortir des rigidités des murs proches à celles obtenues par des modélisations réalisées par calcul aux éléments finis qui sont plus laborieux. La modélisation par TimberTech Buildings résulte plus rapide et plus simple.
Dans le tableau rapporté ci-dessus, on peut noter comme les déformations obtenues dans les 2 modélisations paraissent très proches.
Contribution des déformations à travers
Déformation des panneaux
Translation rigide du mur
