Tenue au feu des goujons collés dans le bois et dans le béton

Influence de la température et de l’orientation du fil sur le comportement mécanique des goujons collés dans le bois

Le chapitre 4 reprend l’intégralité de l’article en cours de soumission, intitulé « Temperature effect on the mechanical behavior of glued-in rods intended for the connection of timber elements ». Cet article s’intéresse à l’étude expérimentale du comportement mécanique à haute température des goujons collés dans le bois, en suivant la démarche utilisée dans le chapitre précédent pour étudier le comportement mécanique à haute température des scellements chimiques dans le béton. Ce chapitre propose tout d’abord un résumé de l’article puis l’expose in extenso. 

Digest de l’article 

Cet article commence par présenter les principaux travaux de recherche menés sur les goujons collés dans le bois afin de cerner les différents facteurs agissant sur leur comportement mécanique. Ces travaux ont permis de classer ces facteurs en 3 catégories principales, et qui sont :  Les paramètres géométriques de l’ancrage.  Les propriétés des matériaux employés dans la réalisation des assemblages par goujons collés.  Les conditions limites et les conditions de chargement. Ces études ont permis aussi de recenser les principales méthodes expérimentales employées par les chercheurs pour évaluer le comportement mécanique des goujons collés. Les résultats montrent que malgré le fait que les configurations pull-pull et pull-compression ne soient pas représentatives de l’application réelle des goujons collés dans les ouvrages en bois, elles demeurent les plus populaires grâce à leur facilité de mise en place. L’étude bibliographique menée sur les goujons collés dans le bois a dévoilé un manque important d’information concernant l’impact de la température sur le comportement mécanique de ce système d’ancrage. Les quelques travaux de recherches effectués à haute température ont mis en évidence une perte considérable des performances mécaniques des goujons collés pour des températures comprises entre 40°C et 60°C au niveau du joint de colle, sans présenter d’explications sur les phénomènes se produisant au niveau de l’ancrage à ces températures. L’objectif de ce chapitre est d’identifier les phénomènes se produisant à haute température dans les goujons collés dans le bois conduisant à la dégradation de leurs performances mécaniques. L’identification de ces phénomènes est effectuée sur deux niveaux. Le premier niveau se concentre sur l’étude des propriétés des matériaux constituants les goujons collés à travers des essais de caractérisation à haute température. Le deuxième niveau se focalise quant à lui sur l’étude de l’évolution du comportement mécanique global des goujons collés dans le bois lors d’une variation de la température. Les goujons collés étudiés dans ce chapitre sont fabriqués à partir de tiges filetées en acier de diamètre 12 mm, collées à l’aide d’une résine époxyde dans un parallélépipède en lamellé-collé d’épicéa de classe GL24 et de dimensions 110x135x250 mm3 (Fig. 4.9). Comme mentionné dans l’introduction de la partie 2, une attention particulière est accordée dans ce chapitre à l’étude des propriétés à haute température de la résine utilisée dans la réalisation de l’ancrage, étant donné qu’elle représente le matériau le plus vulnérable à la variation de la température parmi les trois matériaux composant l’ancrage. 

 Evolution des propriétés de la résine sous l’effet de la température 

Le comportement à haute température de la résine époxyde utilisée dans la réalisation des goujons collés dans le bois est étudié dans ce chapitre à travers 3 essais de caractérisation. Le premier essai est la Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC). Cet essai consiste à mesurer le flux de chaleur dégagé ou absorbé par un échantillon de résine par rapport à un échantillon de référence (un creuset vide) lors d’un chauffage entre -50°C et 200°C avec une vitesse de 10°C/min dans une atmosphère inerte. L’objectif de cet essai est d’une part de déterminer la température de transition vitreuse de la résine époxy et d’autre part, de mesurer le degré de réticulation du polymère. Un premier essai DSC a été effectué sur un échantillon de résine à l’état liquide, immédiatement après avoir mélangé la résine et le durcisseur. Ce premier essai, réalisé sur un échantillon non polymérisée, a pour but de mesurer l’enthalpie totale de la réaction de polymérisation, qui sera utilisée dans la suite pour calculer le degré de réticulation du polymère. Un deuxième essai DSC a été réalisé sur le même échantillon considéré cette fois-ci comme totalement polymérisée étant donné qu’il a déjà été chauffé à 200°C lors du premier passage de température. Cet essai a pour objectif de mesurer la température de transition vitreuse infinie de la résine (𝑇𝑔∞) correspondant à la Tg de la résine totalement polymérisée. La 𝑇𝑔∞ de la résine a été trouvée égale à 52.5°C. A noter que des Analyses Thermogravimétriques couplé à une spectrométrie de masse (ATG-MS), présentées en annexe 2, ont permis de vérifier l’absence de dégradation ou de modification de la composition chimique de la résine lors de son chauffage à 200°C. Deux essais DSC ont ensuite été effectués sur deux échantillons de résine polymérisés à la température ambiante pendant 3 jours. La valeur moyenne de la Tg à 20°C mesurée à travers ces essais est trouvée égale à 𝑇𝑔20°𝐶 = 38.9°C. Le calcul du degré d’avancement de la réaction montre que la polymérisation à température ambiante permet au réseau moléculaire d’atteindre 97.5% de son degré de réticulation maximal. Ce résultat prouve bien que la polymérisation de la résine époxy à la température ambiante ne lui permet donc pas d’atteindre ses propriétés physicomécaniques maximales. D’autres essais DSC ont été réalisés sur des échantillons de résine polymérisés à température ambiante pendant deux jours, puis chauffés à 50°C, 82°C ou bien à 108°C pendant 3h dans la machine d’essai juste avant de réaliser les tests. L’objectif est d’observer l’influence de l’histoire thermique de l’échantillon de résine sur sa température de transition vitreuse et sur son degré de réticulation. Les résultats obtenus (Fig. 4.4) mettent en évidence une augmentation de la Tg avec la température de conditionnement jusqu’à atteindre une valeur maximale correspondant à la 𝑇𝑔∞. Cette augmentation de la température de transition vitreuse est aussi accompagnée par une augmentation du degré de réticulation du polymère suite à son chauffage. Les résultats montrent une réticulation maximale du réseau polymère à partir d’un conditionnement à 82°C. Ces données prouvent donc la présence d’un phénomène de postcure se produisant dans la résine lors d’un chauffage à postériori et met en évidence l’importance de l’histoire thermique dans la détermination de ses propriétés physicomécaniques. Le deuxième essai de caractérisation à haute température effectué dans le cadre de cette étude est l’Analyse Mécanique Dynamique (DMA) en traction. Le principe de cet essai consiste à appliquer un déplacement oscillant sur un échantillon de résine avec une fréquence donnée, tout en augmentant sa température. Ces essais permettent principalement d’évaluer les propriétés viscoélastiques de la résine en fonction de la température. Dans notre cas d’étude, des échantillons de dimensions 25.6 x 0.6 x 3.76 mm3 ont été sollicités par un déplacement dynamique d’amplitude 5µm à une fréquence de 1 Hz, en les chauffant de 20°C à 140°C avec une vitesse de chauffage de 1.3°C/min. Deux passages de température sont effectués sur chacun des échantillons afin d’évaluer l’influence de l’histoire thermique sur les propriétés du matériau. Les résultats (Fig. 4.6) montrent que lors du premier passage de température, la résine époxy étudiée présente un module de cisaillement de l’ordre de 2.67 GPa à température ambiante. La valeur du module – 74 – de cisaillement a été calculée à partir de la valeur du module d’Young et du coefficient de Poisson de la résine déterminés expérimentalement. En chauffant l’échantillon, la valeur du module de cisaillement diminue progressivement jusqu’à ce que la température atteigne une valeur égale à 38°C (proche de la Tg). A partir de cette valeur de température, une chute significative du module de cisaillement est observée. La diminution du module de cisaillement de la résine se poursuit sous l’effet de la chaleur jusqu’à une température voisine de 70°C, à partir de laquelle le module de cisaillement stagne et forme un plateau relatif au module de cisaillement de la résine à l’état caoutchouteux. Le deuxième passage de température sur l’échantillon de résine totalement polymérisée révèle une amélioration du comportement mécanique. En effet, la diminution du module de cisaillement sous l’effet de la température semble atténuée. La valeur du module continue à diminuer progressivement en augmentant la température de l’échantillon jusqu’à 51°C (proche de la 𝑇𝑔∞), pour laquelle le module chute brutalement. L’essai montre ensuite une convergence du module de cisaillement vers la valeur du module de la résine à l’état caoutchouteux à partir de 80°C, soit à 10°C de plus que sur le premier passage. Il a été possible par le biais des essais DMA de tracer le décalage entre le module élastique et le module de dissipation de la résine sur les deux passages de températures effectués sur chaque échantillon. Les résultats obtenus (Fig. 4.7) montrent une diminution de l’amplitude du pic de la courbe de tan(δ) lors du deuxième passage de température. La diminution de l’amplitude du pic de tan(δ) indique une densification du réseau polymère et par conséquent, confirme la présence d’un phénomène de postcure. Pour conclure, l’étude de l’évolution du module de cisaillement de la résine en fonction de la température à travers les essais DMA montre que le phénomène de transition vitreuse affaiblit considérablement les performances mécaniques de la résine. Toutefois, la caractérisation du comportement viscoélastique de la résine montre une amélioration du comportement mécanique entre les deux passages de température, ce qui confirme l’importance de l’histoire thermique dans la détermination des propriétés physicomécaniques des résines polymères. Enfin, le troisième essai de caractérisation des propriétés de la résine à haute température a consisté en des essais de traction quasi-statiques. Ces essais ont été effectués à différentes températures sur des éprouvettes fabriquées à partir de la résine époxy étudiée. Les courbes de variation de la contrainte de traction en fonction de la déformation des éprouvettes (Fig. 4.8) montrent qu’à des températures inférieures à la Tg, la résine présente un comportement mécanique élastique fragile. Ces courbes montrent aussi que le chauffage de la résine à des températures inférieures à Tg conduit à une légère diminution de son module élastique et de sa résistance en traction. Cependant, lorsque ces éprouvettes sont chauffées à des températures très proches de la Tg, une évolution du comportement mécanique d’élastique fragile vers un comportement à seuil avec un écoulement plastique est observée. Les courbes obtenues à ces températures montrent une grande dispersion des résultats, et témoignent donc d’une modification des propriétés mécaniques de la résine lors de la transition vitreuse. En outre, les courbes issues des essais de traction effectués à des températures supérieures à la Tg mettent en évidence un changement vers un comportement beaucoup plus ductile avec la disparition du seuil d’écoulement. L’augmentation de la température de la résine au-delà de Tg conduit également à une diminution de sa résistance en traction et de son module élastique. En conclusion, les essais DSC et DMA ont démontré que la polymérisation de la résine à température ambiante ne lui permet pas d’atteindre son degré de réticulation maximal, et par conséquent, ne lui permet pas d’atteindre ses propriétés physiques et mécaniques optimales. En revanche, il est possible d’atteindre ces propriétés optimales par un chauffage de la résine polymérisée grâce au déclenchement du phénomène de postcure. Néanmoins, les essais DMA et les essais de traction quasi-statiques réalisés à différentes températures mettent en évidence une dégradation importante des propriétés mécaniques dès que la température dépasse la température de transition vitreuse. Ces résultats confirment donc – 75 – l’importance du phénomène de transition vitreuse dans la détermination des propriétés physicomécaniques de la résine et montrent qu’il est important de tenir compte de ce facteur lors de l’étude du comportement à haute température des goujons collés dans le bois. 

Comportement mécanique des goujons collés à température ambiante

 La deuxième partie de cet article se concentre sur la caractérisation du comportement global à haute température des goujons collés dans le bois à travers des essais d’arrachement. Les procédures d’essai choisies pour mener cette étude sont les mêmes que celles utilisées dans le chapitre précédent pour étudier le comportement mécanique à haute température des scellements chimiques dans le béton. Des essais d’arrachement à haute température sont donc effectués à température stabilisée et à effort constant sur des tiges filetées ancrées dans des parallélépipèdes en lamellés collés d’épicéa à l’aide de la résine époxy étudiée au début de cet article (Fig. 4.9). Cette partie commence tout d’abord par l’étude du comportement mécanique à température ambiante des goujons collés dans le bois à travers un essai cyclique en charge/décharge. L’objectif de cet essai est de détecter les éventuels changements dans le comportement mécanique des goujons collés lors de la variation de la contrainte de cisaillement générée dans le joint de colle. Pour ce faire, le niveau de chargement appliqué au goujon est augmenté entre deux cycles successifs de 2 kN jusqu’à l’arrachement de la tige d’acier. Les courbes obtenues (Fig. 4.13) lors de cet essai montrent que le comportement mécanique à température ambiante peut être divisé en 3 groupes en fonction de l’effort appliqué en tête d’ancrage. Les courbes appartenant au premier groupe sont obtenues lors des quelques premiers cycles d’essai, pour lesquels le niveau de chargement reste relativement faible. Ces courbes se caractérisent par un comportement mécanique élastique linéaire réversible. La contrainte d’adhérence (contrainte de cisaillement) engendrée dans le joint de colle varie donc proportionnellement au glissement de la tige en acier et le déchargement permet à l’ancrage de retrouver sa position initiale. En augmentant le niveau de chargement au-delà de 11 kN, les courbes de variation de la contrainte d’adhérence en fonction du glissement de l’ancrage perdent progressivement leur linéarité et font apparaitre un palier de plastification. Ces courbes appartiennent donc au deuxième groupe de comportement mécanique des goujons collés dans le bois, caractérisé par la présence d’une branche non linéaire traduisant la plastification du joint de colle. Les déchargements appliqués à la fin de chaque cycle ne permettent pas à l’ancrage de retrouver sa position initiale du fait de la plastification de la résine, faisant apparaitre en conséquence un glissement résiduel. La mesure de la raideur de l’ancrage sur chaque cycle montre une faible variation de la raideur malgré la plastification du joint de colle. Enfin, le dernier groupe comporte la courbe d’arrachement obtenue lors du dernier cycle d’essai et conduisant à l’extraction de la tige filetée. Cette courbe (Fig. 4.13c) montre un arrachement brutal de la tige en acier traduisant un mode de rupture fragile des goujons collés dans le bois. 

Comportement mécanique à haute température des goujons collés et orientation du fil du bois 

Après l’étude du comportement mécanique à température ambiante, la suite de ce chapitre s’intéresse à l’évaluation de l’influence de la température sur les propriétés mécaniques des goujons collés. L’étude a concerné deux configurations de goujons collés dans lesquelles les tiges filetées ont été ancrées parallèlement et perpendiculairement au fil du bois. L’objectif de ces deux configurations est d’évaluer l’influence de l’orientation du fil du bois sur le comportement mécanique à haute température des goujons collés. Les essais d’arrachement à température stabilisée effectués sur des goujons collés parallèlement au fil du bois ont montré une diminution de la résistance en adhérence dès l’augmentation de la température de l’ancrage. Cette diminution devient très significative pour les températures comprises entre 35°C et 45°C, c’est-à-dire sur l’intervalle de la température de transition vitreuse de la résine. La résistance en – 76 – adhérence continue à décroitre avec l’augmentation de la température du joint de colle. Les résultats des essais montrent qu’à 95°C, la résistance en adhérence du goujon collé ne représente que 10% de sa valeur initiale mesurée à température ambiante. Ces essais ont permis donc de constater la vulnérabilité des goujons collés dans le bois même sur l’intervalle des températures de service. Les courbes de variation de la contrainte d’adhérence en fonction du glissement de l’ancrage obtenues lors de ces essais ont montré un changement du comportement mécanique des goujons collés en fonction de la température. Ce changement du comportement mécanique a permis de distinguer 3 groupes de courbes (Fig. 4.15). Le premier groupe contient les courbes d’arrachement obtenues lors des essais effectués à température ambiante. Ces courbes se caractérisent par un comportement linéaire élastique avec une rupture fragile de l’ancrage. Le deuxième groupe contient les courbes d’arrachement obtenues pour des températures comprises entre 35°C et 45°C, c’est-à-dire sur l’intervalle de transition vitreuse de la résine. Ces courbes se distinguent par la perte de la linéarité des courbes d’arrachement suite à la plastification de la résine et/ou des interfaces sous l’effet de la température. Les courbes appartenant à ce groupe présentent une raideur qui varie légèrement avec la température et un mode de ruine alterné entre fragile et ductile. En effet, les essais d’arrachement des goujons collés parallèlement au fil du bois effectués entre 35C° et 45°C n’ont pas permis d’établir une relation entre la température de l’ancrage et son mode de ruine. Enfin, le dernier groupe regroupe les courbes d’arrachement obtenues à des températures supérieures à 45°C. Ces courbes se caractérisent par une diminution de la raideur de l’ancrage avec l’augmentation de la température en plus d’un mode de rupture ductile. Des essais d’arrachement à effort constant ont aussi été réalisés sur des goujons collés parallèlement au fil du bois. Ces essais ont été effectués pour des niveaux de contrainte de cisaillement compris entre 1 et 12 MPa. Les résultats obtenus par ces essais montrent une diminution de la résistance en adhérence lors du chauffage de l’ancrage. Cependant, ces résultats présentent une grande dispersion en comparaison avec ceux obtenus à température stabilisée. La superposition des résultats obtenus par les deux procédures d’essai d’arrachement a montré que les résistances en adhérence mesurées sur les essais à température stabilisée sont légèrement supérieures à celles obtenues à effort constant (Fig. 4.17). Ceci peut s’expliquer d’une part, par la postcure de la résine lors de la stabilisation de la température de l’ancrage avant l’arrachement et d’autre part, par le fluage de l’adhésif pendant les essais d’arrachement à effort constant. Cependant, pour des températures comprises entre 40°C et 60°C, les deux procédures d’essai semblent fournir des résultats équivalents. Ceci s’explique par la transition vitreuse de la résine qui se produit sur cet intervalle de température, et qui a pour effet de baisser les performances mécaniques de la résine et donc de l’ancrage. Au-delà de 60°C, les résistances en adhérence obtenues par les essais d’arrachement à température stabilisée sont de nouveau supérieures à celles obtenues par les essais d’arrachement à effort constant à cause à deux phénomènes antagonistes se produisant de part et d’autre dans le joint de colle à ces températures. D’une part, le chauffage prolongé de la résine conduit à l’amélioration de ses performances mécaniques par le déclenchement du phénomène de postcure lors des essais d’arrachement à température stabilisée et qui continue à avoir lieu jusqu’à 82°C. D’autre part, le fluage instantané de la résine lors des essais d’arrachement à effort constant réalisés à des faibles niveaux de contrainte affaiblit l’ancrage suite au changement d’état de la résine de solide à caoutchouteux par transition vitreuse. En conclusion, la superposition des résultats des essais d’arrachement a mis en évidence des différences de résultats obtenus par les deux procédures d’essai. Cette différence montre qu’il est donc important de bien choisir la méthode d’évaluation des goujons collés et de tenir compte de leur histoire thermique lors du dimensionnement au feu.