Impact des variations climatiques et mécaniques sur la durabilité des constructions bois – CLIMBOIS

Tâche 1: RUPTURE ET COMPORTEMENT VISCOELASTIQUE DU BOIS
développements analytiques en mécanique de la rupture sous environnements variables. Prise en compte du caractère viscoélastique du bois et modélisation. Essais expérimentaux visant à caractériser les paramètres de rupture sous ambiance variable. Essais de structure visant à caractériser la variabilité spatiale des caractéristiques mécaniques et les défauts du bois (nodosités). Le programme détaillé se décline en sous tâches suivantes :
T1.1 Formalismes analytiques de mécanique de rupture
T1.2 Modélisation numérique de la rupture couplée à la viscoélasticité
T1.3 Validation expérimentale (découplage des modes et analyse d'images, essais de fluage...)
T1.4 Essais de structure bois avec défauts

Tâche 2: OPTIMISATION, INCERTITUDES, FIABILITE DES STRUCTURES BOIS
L'objectif principal est d'intégrer les incertitudes et la variabilité spatiale dans le cadre général d'une optimisation fiabiliste de la conception de la maintenance et de l'inspection. Le programme détaillé se décline en sous tâches suivantes :
T2.1 Modélisation probabiliste des résultats d'inspection
T.2.2 Modélisation simplifiée du climat
T.2.3 Variabilité spatiale des propriétés du matériau bois
T.2.4 Formulation spécifique de l'optimisation sur la base de la mécanique de la rupture

Tâche 3: CND
Elle se concentre sur l'optimisation de l'identification de l'aléa des «variables d'intérêt« pour la conception et/ou la maintenance de structures bois à partir des «paramètres mesurés« par des techniques CND. Le programme détaillé se décline en sous tâches suivantes :
T.3.1 Contribution de l'Emission Acoustique à l'identification des mécanismes de fissuration et de l'endommagement du bois
T3.2 Plan d'expérience pour la construction des courbes ROC
T3.3 Optimisation de l'evaluation des «paramètres mesurés« et des «variables d'intérêts« par des techniques CND

La tâche 1 a proposé des modèles analytiques des intégrales invariantes couplant les effets de la température et du temps adaptés au matériau bois. Ces modèles ont été implémentés avec succès dans les codes par éléments finis Cast3M et couplés à la fiabilité dans la tâche T3. Parallèlement, les essais expérimentaux en fluage ont été effectués en T1.3 conformément au planning. Grâce à l’éprouvette DCB à inertie variable, les comportements à la rupture du Sapin Blanc et du Douglas ont été étudiés en chambre climatique en humidité variable.
La tâche T2 a permis d’intégrer les incertitudes et la variabilité spatiale dans le cadre général d’une optimisation fiabiliste de la conception, de la maintenance et de l’inspection. Elle s’est appuyée spécifiquement sur les résultats des essais non destructifs effectués dans les tâches T3 et T1.3. La sous-tâche T2.3 a proposé l’utilisation des méthodes de calcul stochastique pour quantifier l’effet de l’aléa sur la variabilité des paramètres de rupture dans le cas du matériau bois. On a montré, en se basant sur une méthodologie de couplage mécano-stochastique efficace et précise reposant sur le développement en Chaos Polynomial, que cet aléa a un effet significatif sur la variabilité des réponses mécaniques issues des tâches T1.1 et T1.2.
Enfin, tâche T3 s’appuie principalement sur deux techniques CND : l’émission acoustique et l’analyse d’image ou le suivi de marqueur. L’EA a servi à évaluer l’identification des mécanismes de fissuration du bois en terme de localisation du front de fissure. Les premiers essais effectués dans le cadre des sous-tâches T3.1 et T3.2 sur les éprouvettes DCB en terme de cassé de mine ont permis d’alimenter la T2.1. Les résultats préliminaires ont montré qu’il est possible de donner des préconisations pour l’amélioration du protocole de mesure sur la base de la probabilité de détection.

Dans les prochains travaux, les modèles développés vont être généralisés à la propagation de fissure intégrant une zone d’élaboration en mode mixte en milieu viscoélastique orthotrope. Enfin, les variations d’humidité vont être prises en compte afin de reproduire les rampes d’humidité en fluage effectuées en T1.3. Prochainement, les essais de fissuration en mode mixte en caisson vont être effectués afin de reproduire les conditions de chargement proposées en T1 et au final, confronter les résultats numériques et expérimentaux. Pour prendre en compte la variabilité des défauts, les essais matériaux sur des poutrelles et des essais structures sur des BRM (Douglas et sapin Blanc) seront effectués en environnement réel afin d’alimenter les tâches T1.2 et T2.
Les futurs essais T1.3 et T1.4 et des données issues de l’analyse d’images devraient alimenter la tâche T.2 en ce qui concerne la variabilité spatiale et l’optimisation fiabiliste.
Les résultats préliminaires ont montré qu’il est possible de donner des préconisations pour l’amélioration du protocole de mesure sur la base de la probabilité de détection. Ils permettront donc d’améliorer la détection du positionnement de la pointe de fissure afin d’optimiser les résultats numériques pour T1.2. Cette Tâche ayant démarré en retard (voir formulaire) plusieurs résultats sont donc attendus sous peu afin de ne pas empêcher de finaliser la tâche 2 conformément au planning initial.

Riahi H., Moutou Pitti R., Dubois F., Fournely E. On numerical evaluation of mixed mode crack propagation coupling mechanical and thermal loads in wood material. Vol. 5, 21-26, Springer, 2015.

Riahi H., Moutou Pitti R., Chateauneuf A. Dubois F. Stochastic analysis of mixed mode fracture in timber material using polynomial chaos expansion. Final Cost Action FP0904 Conference, Skellefteå, Sweden, 19-21 May, 2014.

Moutou Pitti R., Diakhaté M., Bastidas Arteaga E., Aoues Y., Angellier N., Riahi H., Chateauneuf A., Dubois F. ANR JCJC-2013 Project CLIMBOIS: effects of climatic and mechanical variations on the durability of timber structures: use of acoustic emission tool to evaluate wood mechanical behavior. COST Action FP1302 Wood Music. Paris, France, 26-28 February, 2014

Angellier N., Moutou Pitti R., Dubois F. Crack analysis of wood under climate variations.SEM 2015. Costa Mesa, USA, 8-11 June 2015.

Moutou Pitti R., Hamdi S.E., Dubois F. Riahi H., Angellier N. Numerical fracture analysis under temperature variations by energetic method. SEM 2015. Costa Mesa, USA, 8-11 June 2015.

Aoues Y. Bastidas-Arteaga E., Moutou Pitti R., Chateauneuf A. Reliability-Based Design Optimisation of timber trusses subjected to decay and climate variations. COST Action FP1303. Tallinn, Estonia, 4-5 March 2015.

Hamdi S.E., Diakhate M., Moutou Pitti R., Dubois F., Chateauneuf A. In situ damage monitoring in timber materials: Acoustic emission pattern recognition approach based on Hilbert–Huang transform. ICBBM 2015. Clermont Ferrand, 21-24 June2015.

Moutou Pitti R., Diakhate M., Bastidas Arteaga E., Aounes Y., Angellier N. ANR JCJC N° ANR-13-JS09-0003-01– Projet CLIMBOIS: Impact des variations climatiques et mécaniques sur la durabilité des constructions bois. 2èmes Journées du GDR CNRS 3544 Sciences du Bois, Champs-Sur-Marne, 19 – 21, Novembre, 2013.

Les préoccupations environnementales et l’utilisation des matériaux naturels à faible impact énergétique incitent à une utilisation de plus en plus large du matériau bois dans la construction. Ce développement est influencé, par une bonne maîtrise du comportement mécanique et de la durabilité des structures. Ces structures sont généralement sujettes à des sollicitations environnementales et à des chargements complexes dus principalement aux différents modes de sollicitation et au caractère hétérogène propre au matériau. Afin de favoriser l’utilisation du bois et ses dérivés comme matériau de construction, il est nécessaire de mieux appréhender le comportement en service des structures bois soumises à des sollicitations mécaniques et à des variations climatiques complexes (humidité et température) y compris les effets du changement climatique.

Ce projet a l’ambition d’aborder le problème de la durabilité des constructions bois soumises aux variations climatiques et mécaniques complexes. Depuis de nombreuses années, des travaux sont menés à l’Institut Pascal de l’Université Blaise Pascal (UBP) et au Groupe d’Etude des Matériaux Hétérogènes (GEMH) de l’Université de Limoges (UNILIM) sur la durabilité du matériau bois soumis à divers chargements incluant la mécanosorption. Cependant, la conjugaison du comportement anisotrope, du caractère viscoélastique et la nature orthotrope du bois, rend sa compréhension très complexe. Cette complexité est décuplée par l’apparition, lors de diverses sollicitations, des fissures de cinétiques mixtes exigeant une analyse fine des modes de rupture. Au regard de ces différents verrous scientifiques, il est nécessaire de comprendre le comportement différé et la rupture du matériau bois.

Le projet CLIMBOIS cherche à proposer une méthodologie robuste pour la conception de composants de structures bois sous sollicitations climatiques et mécaniques complexes. Le premier objectif vise à proposer des méthodes de formulations viscoélastiques incrémentales et de découplage des modes mixtes de rupture dans des matériaux viscoélastiques sous l’action des charges énumérées. Les modélisations de ces méthodes seront ensuite effectuées. Le second objectif se focalise sur des essais de fluage qui visent à valider ces modèles et à caractériser la variabilité spatiale des propriétés/défauts (sur éprouvette de fissuration, poutres saines et poutres munies de défauts). Ces essais seront menés en extérieur et en chambre climatique. Le troisième objectif consiste à effectuer des essais mécaniques non destructifs ou CND (analyse d’images, ultrasons et émission acoustique) sur ces échantillons. La finalité étant de caractériser les champs pendant les phases de fissuration, de mesurer les gradients hydriques ou thermiques et de caractériser les incertitudes et la variabilité spatiale de ces gradients et de la distribution de défauts. Enfin, on prendra en compte le caractère aléatoire et la variabilité spatiale des propriétés du bois, des mécanismes de dégradation, des actions environnementales et des erreurs de mesure/modèle à travers des couplages mécano-fiabilistes. Ces couplages ont pour buts ultimes de déterminer les paramètres les plus influents dans la durée de vie des composants des constructions en bois et d’optimiser leur conception.

Comme résultats, des formulations viscoélastiques incrémentales non linéaires seront proposées pour permettre un gain de temps dans le calcul numérique. Les essais CND permettront de caractériser la variabilité spatiale et les incertitudes liées aux propriétés des défauts, aux paramètres de fissuration et des gradients de température ou d’humidité. Des procédures numériques intégrant des couplages mécano-fiabilistes permettront d’intégrer la variabilité spatiale dans la chaîne de calcul, étudier la performance des composants bois sous plusieurs scénarii climatiques, d’identifier l’importance des paramètres mis en jeu et de donner des éléments pour l’optimisation des composants.