Les structures hybrides en bois laminé et en acier représentent une synergie convaincante de matériaux naturels et de matériaux de construction. La combinaison tire parti de la résistance, de la rigidité et de la ductilité de l'acier avec les propriétés de durabilité, de chaleur esthétique et de séquestration du carbone du bois de masse. Ces systèmes hybrides sont de plus en plus adoptés dans les bâtiments de taille moyenne à haute, les établissements d'enseignement, les centres de soins et même les structures industrielles. Cependant, les performances de ces systèmes sont essentielles aux détails de connexion entre les composants en acier et en CLT. Une connexion bien conçue non seulement transfère efficacement les forces mais permet également de réaliser des mouvements différentiels, assure la robustesse dans les situations extrêmes et prolonge la durée de vie.

Le rôle des connexions dans les systèmes hybrides bois-acier

Contrairement aux structures homogènes, les hybrides en acier CLT présentent des complexités dues à des différences de rigidité, de coefficients d'expansion thermique, de mouvement induit par l'humidité et de comportement de fluage. L'acier est isotrope, ductile et dimensionnellement stable, tandis que le CLT est orthotrope, relativement fragile et peut gonfler ou rétrécir avec des changements de teneur en eau. La connexion doit résoudre ces différences sans causer de concentration de contrainte, de rendement localisé ou de défaillance prématurée. De plus, les connexions régissent souvent la capacité globale de ductilité et de dissipation d'énergie du système, en particulier dans les zones sismiques. Une connexion bien détaillée garantit que le système hybride se comporte comme prévu, que ce soit par un diaphragme rigide, un lien flexible ou un joint endommagé par frottement.

Caractéristiques du matériau Informer la conception de la connexion

Caractéristiques du bois stratifié croisé

Le CLT est constitué de plusieurs couches de laminages de bois d'oeuvre orthogonaux, qui utilisent généralement du sapin de pin d'épinette ou d'autres résineux.

  • Faible rigidité perpendiculaire au grain :[ Les connexions chargées perpendiculairement au grain peuvent subir une défaillance d'encastrement ou une déformation excessive à moins d'être renforcées.
  • Ducosité limitée: Le CLT a tendance à présenter une rupture fragile en tension perpendiculaire au grain et au cisaillement. Les connexions doivent être conçues pour éviter de tels modes de défaillance ou pour activer d'abord l'acier ductile qui donne.
  • Sensibilité à l'humidité:[ L'enflure et le rétrécissement peuvent causer une perte de force de desserrage ou de serrage dans les raccords boulonnés.
  • Performance du feu:[ Chars CLT à un rythme prévisible; les raccords doivent être détaillés pour maintenir l'intégrité structurale pendant l'exposition au feu, soit en installant des composants en acier dans des zones protégées, soit en utilisant des revêtements intumescentes.

Caractéristiques des composants en acier

L'acier utilisé dans les raccords varie généralement de la qualité 50 (345 MPa rendement) à des boulons à haute résistance (A325 ou A490).

  • Ducilité et rendement:[ L'acier peut fournir la ductilité primaire dans un système hybride. Les connexions doivent être proportionnées de façon à ce que le rendement ou le glissement se produise dans les éléments en acier avant la rupture de l'encastrement du bois.
  • La protection contre la corrosion:[ La galvanisation, l'acier, les systèmes de peinture ou l'acier inoxydable sont courants.Dans les zones de contact du bois, le piégeage de l'humidité est préoccupant; on utilise de l'acier résistant à la corrosion ou des membranes isolantes.
  • Pont thermique:[ L'acier peut entraîner la chaleur, ce qui peut affecter la performance énergétique et causer la condensation.

Types de détails de connexion en acier pour CLT

Plusieurs types de connexion sont disponibles, chacun adapté à des parcours de charge particuliers et des contraintes de construction.

Connexions boulonnées

Les raccords boulonnés sont parmi les plus courants en raison de leur simplicité, de leur inspectabilité et de leur ajustabilité. Un détail typique comprend une plaque d'acier (plaque de gousset, plaque de base ou support) montée sur la surface du CLT ou encastrée dans une encastrement, avec des boulons passant par la plaque et le panneau du CLT.

  • Équipement des distances et espacement:[ Les distances de bordure perpendiculaire à grain doivent être généreuses pour éviter le fractionnement.
  • Namination et précharge de boulons :[ Les raccords critiques peuvent nécessiter des boulons préchargés pour empêcher les mouvements sous les charges de service. Cependant, le préchargement en CLT peut causer une relaxation de fluage ou d'encastrement; ainsi, certains modèles de raccordement permettent de glisser comme mécanisme ductile.
  • Renforcement:[ Pour améliorer la capacité perpendiculaire au grain, on peut ajouter des vis auto-tampantes ou des tiges collées autour des trous de boulons.

Connecteurs de protection

Les raccords de cisaillement sont généralement transférés principalement par des forces de cisaillement (p. ex. à l'interface entre un faisceau d'acier et une dalle ou une paroi CLT). Les exemples courants comprennent les angles d'acier, les canaux ou les sections en T ancrés dans le CLT avec des vis, des boulons ou des supports en U. Dans les systèmes composites de plancher en acier CLT, les goujons de tête soudés au faisceau et incorporés dans un panneau CLT sont parfois utilisés, bien que les paliers de goujons sur le bois puissent poser des problèmes.

Connexions vissées

Les vis auto-tampantes sont devenues une alternative populaire aux boulons pour connecter l'acier au CLT, surtout pour les plus petits supports ou pour une installation rapide. Les vis peuvent être inclinées à 45° à 60° pour augmenter la résistance au retrait.

  • Pas de pré-perçage requis (si la plaque d'acier est mince ou a des trous pré-percés).
  • Haute rigidité due à la fiançailles entre fils et bois.
  • Facilité d'installation avec des outils sans fil.

Pour les charges plus importantes, plusieurs vis disposées en anneaux ou grilles peuvent être utilisées. La capacité de conception est déterminée par le retrait de la vis, la tête de traction et la flexion des tôles d'acier.

Barres à colle

Les tiges en acier collé (également appelées attaches de type goupille avec adhésifs époxy ou polyuréthane) offrent une résistance et une rigidité élevées, en particulier pour les connexions de tension perpendiculaires au grain. Un trou est percé dans le CLT, rempli d'adhésif structurel, et une tige filetée est insérée. Après le durcissement, la tige agit comme un ancrage. Ce détail est utilisé pour les connexions de grain final ou où l'aspect visuel est important (la tige peut être cachée).

Dispositifs de serrage

Les raccords de serrage s'accrochent au panneau CLT sans le pénétrer, préservant ainsi l'intégrité du bois et évitant la pénétration de l'humidité. En général, un canal ou une paire d'angles s'étend autour du bord du panneau, serré par des boulons à travers. La compression est transférée par frottement ou par roulement. Ces raccords sont utiles lorsque le démontage est prévu ou lorsque le forage est indésirable (par exemple, dans des panneaux de préservation historiques ou minces).

Considérations de conception pour les raccords acier-CLT

La conception de connexions pour les structures hybrides nécessite une approche holistique intégrant l'analyse structurelle, la science des matériaux et la logistique de construction.

Mécanismes de transfert de charge

Chaque type de charge exige une géométrie de connexion différente. Par exemple, un raccordement à un moment (par exemple, à une articulation de la colonne de faisceau) peut nécessiter des brides en acier, des plaques à bride ou des sections constituées. Comprendre la trajectoire de charge et la répartition entre plusieurs fixations est essentiel. Des analyses élastiques utilisant des modèles à ressort ou des méthodes à éléments finis sont recommandées pour des configurations complexes. La capacité d'un raccordement n'est pas simplement la somme des capacités individuelles de fixation; les effets de groupe, les réductions de rigidité et les défaillances de fragilité doivent être prises en compte.

Mouvements accommodants

Les variations de température peuvent créer des exigences de déplacement, en particulier dans les connexions à long rayon. De plus, le rétrécissement de l'humidité du CLT peut causer des trous ou un relâchement. Les solutions comprennent des trous en fente pour boulons, des trous allongés dans les plaques ou l'utilisation de matériaux de remplissage élastiques. Pour les grands bâtiments, les joints de mouvement aux connexions sol-mur doivent permettre une déformation verticale et latérale.

Ductilité et dissipation d'énergie

Dans les régions sismiques, les connexions doivent fournir ductilité et dissipation d'énergie. La composante en acier est l'élément ductile préféré.

  • Rendement de l'acier en flexion ou en tension avant la rupture du bois (conception de capacité).
  • Utilisation de amortisseurs de friction ou de raccords boulonnés à fente avec rondelles Belleville.
  • Inclure des «fusées» en acier remplaçable qui peuvent être inspectées et échangées après un tremblement de terre.

Les facteurs de ductilité (μ) pour les connexions sont souvent inférieurs à ceux des systèmes tout acier; des essais et des qualifications minutieux sont nécessaires. Les fabricants peuvent fournir des détails de connexion préqualifiés basés sur des essais à grande échelle.

Résistance au feu

Le feu est une considération critique pour la conception des structures hybrides. L'acier perd sa résistance rapidement au-dessus de 400 °C, tandis que les chars CLT lentement. Les connexions doivent être protégées pour maintenir la résistance au feu requise (FRR).

  • Encapsuler les composants en acier dans des panneaux de gypse ou de peinture intumescente.
  • Remontage des plaques d'acier dans le CLT afin que le bois assure l'isolation.
  • Utiliser des sections plus larges pour permettre la perte de section transversale (acier sacifique).

Les essais d'incendie selon des normes telles que ASTM E119 ou EN 1995-1-2 doivent valider les performances de connexion. La connexion doit empêcher la propagation de flammes par les joints et maintenir la capacité de charge pendant la durée requise.

Durabilité et protection contre la corrosion

L'humidité est l'ennemi des connexions de bois. L'acier doit être galvanisé à chaud (minimum 85 microns par ASTM A123) ou revêtu d'un système de peinture durable. Dans les zones à forte humidité ou exposition aux sels (p. ex., les milieux côtiers), l'acier inoxydable (304 ou 316) ou l'acier de météo (Corten) peut être spécifié. À l'interface entre l'acier et le CLT, un joint ou du papier de construction peut empêcher l'infiltration d'eau et la corrosion électrolytique.

Meilleures pratiques de construction

La mise en oeuvre sur le terrain doit s'aligner sur l'intention de conception. Les pièges courants comprennent le désalignement des trous, le surresserrement causant le broyage et le mauvais scellement.

  • Préfabrication: Les plaques de raccordement en acier doivent être préfabriquées avec des trous correspondant à la disposition des trous CLT. Le forage CNC des panneaux CLT produit une grande précision.
  • Séquence d'installation:[ Dans les systèmes hybrides, le cadre en acier passe souvent en premier, puis les panneaux CLT sont greffés en place. Les connexions peuvent être boulonnées temporairement pour ajuster l'ajustement, puis coupler à la tension spécifiée.
  • Contrôle de qualité:[ Clés de torque pour boulons, conducteurs étalonnés pour vis et adhésifs appliqués dans les limites de durée et de température de la cuve. L'inspection de l'injection d'adhésif par endoscopie ou par test sous vide est recommandée pour les tiges collées.
  • Gestion de l'humidité:[ Pendant la construction, les panneaux CLT doivent être maintenus au sec. L'étanchéité temporaire aux connexions empêche l'infiltration prématurée d'humidité.
  • Installation de protection contre le feu:[ Les revêtements intumescentes doivent être appliqués après assemblage et durcis selon les recommandations du fabricant.

Normes et codes de conception

La conception des connexions acier-CLT est régie par les normes nationales et internationales.

  • Eurocode 5 (EN 1995-1-1) pour la conception de raccordements en bois, complété par EN 1993 pour les composants en acier.
  • American National Standards: NDS (National Design Specification for Wood Construction) avec le Manuel CLT (APA – The Engineered Wood Association).
  • CSA O86 (Norme canadienne pour la conception technique en bois).
  • AISC 360 pour les pièces en acier.
  • IBC (Code international du bâtiment) références pour les structures hybrides.

Pour la conception sismique, l'ASCE 7 aux États-Unis ou le NBCC au Canada, fournit des combinaisons de charges et des facteurs de ductilité.

Les documents d'évaluation technique européenne (ETA) pour les systèmes de connexion propriétaires (par exemple Rothoblaas, SFS, Simpson Strong-Tie) fournissent des capacités de conception pour des produits spécifiques.

Étude de cas : Bâtiment hybride CLT-Steel à Portland

Le bâtiment Albina Yard est doté d'un cadre en acier avec des panneaux de sol et de toit CLT. Les connexions à l'interface de la dalle de la poutre d'acier à CLT ont utilisé un connecteur d'angle en acier boulonné avec des trous à fentes pour permettre une tolérance relative à la construction et un mouvement thermique. La connexion a été conçue pour transférer le cisaillement du diaphragme tout en permettant au panneau CLT de glisser pendant le durcissement des garnitures de sol en béton.

Tendances et recherche nouvelles

Les recherches actuelles portent sur l'amélioration des performances et de l'efficacité des connexions :

  • Fabrication additive: Nœuds en acier imprimés en 3D conçus pour s'intégrer sans heurts au CLT, réduisant ainsi le forage sur place.
  • Connexions autocentrées :[ Utilisation de câbles en acier ou d'alliages de mémoire de forme post-tensionnés pour rétablir l'alignement après des événements sismiques.
  • Raccords hybrides avec attaches innovantes: Bouchons d'extension, combinaisons visseuses et connecteurs en forme d'anneau.
  • Intégration numérique à deux capteurs: Embauche de jauges de contrainte dans les connexions pour le contrôle de la santé structurelle en temps réel.
  • Optimisation de la durabilité:[ Utilisation de l'acier recyclé et du bois à faible teneur en carbone, avec des conceptions de raccordement qui facilitent le démontage et la réutilisation en fin de vie.

La recherche continue permettra d'affiner les méthodes de conception, de réduire les coûts et d'étendre l'applicabilité des hybrides CLT-acier à des structures plus hautes et plus complexes.

Conclusion

Les détails de connexion en acier sont les broches de constructions hybrides en bois et en acier lamellé. Elles doivent équilibrer les performances structurales, la constructibilité, la durabilité et la sécurité incendie tout en respectant les comportements distincts des deux matériaux. En choisissant les types de connexion appropriés – boulonnés, vissés, collés ou serrés – et en appliquant un contrôle rigoureux de la conception et de la qualité, les ingénieurs peuvent créer des systèmes hybrides sûrs, efficaces et durables.

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