Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

Résumé technique : Analyse computationnelle du bois lamellé croisé (CLT) sous des températures élevées

Énoncé du problème
Le bois lamellé croisé (CLT) connaît une croissance exponentielle dans la construction en raison de sa durabilité, de sa stabilité dimensionnelle et de ses avantages en matière de préfabrication. Cependant, l'absence d'une compréhension complète de son comportement thermomécanique en conditions d'incendie entrave son application généralisée. Bien que le bois forme naturellement une couche de charbon protectrice qui isole le cœur interne, la performance du CLT est complexe en raison de sa structure à couches orthogonales, de ses propriétés d'adhésion et de l'utilisation de connecteurs métalliques (vis, clous) qui peuvent agir comme des ponts thermiques. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, les connexions métalliques perdent leur résistance, ce qui peut compromettre l'ensemble du système structurel. Les normes de conception actuelles, telles que l'Eurocode 5, fournissent des méthodes de calcul pour la carbonisation mais nécessitent une validation supplémentaire concernant l'interaction entre les variations d'épaisseur des couches, le transfert de chaleur et l'intégrité des connexions.

Méthodologie
Cette étude a employé une simulation computationnelle à l'aide du logiciel Ansys pour analyser le comportement thermomécanique de panneaux de plancher CLT de plancher à plancher sous exposition au feu. La recherche a utilisé la méthode des éléments finis (MEF) avec les paramètres suivants :

• Échantillons : Trois configurations de panneaux (P1, P2, P3) avec respectivement 3, 5 et 7 couches. Les épaisseurs totales étaient de 10 cm, 16 cm et 22 cm. Les panneaux ont été modélisés à partir de Pinus spp. (Classe de résistance C24) avec des adhésifs à base de polyuréthane.
• Géométrie et chargement : Les panneaux mesuraient 40x60 cm. Une charge uniformément répartie (tenant compte du poids propre et des charges accidentelles) a été appliquée, variant légèrement selon l'épaisseur du panneau (6,19 à 6,86 kN/m²).
• Connecteurs : Des vis HBS ø 10TX80 ont été utilisées, espacées à des intervalles de 10 cm, un contact adhérent ayant été supposé entre l'acier et le bois pour simuler l'interaction mécanique et le transfert de chaleur.
• Exposition au feu : Les simulations ont suivi la courbe température-temps de la norme ISO 834-1. Les panneaux ont été exposés à des températures allant de 200 °C à 1200 °C pendant une durée de 60 minutes (3600 secondes).
• Étapes d'analyse : Une analyse séquentielle en deux étapes a été réalisée : d'abord, une analyse thermique transitoire pour déterminer la distribution de la température ; ensuite, une analyse mécanique intégrant le champ de température résultant pour évaluer les déplacements et les contraintes.
• Surveillance : Neuf points nodaux ont été définis à travers l'épaisseur du panneau (externe, interne et central) pour suivre les gradients de température et la pénétration de la chaleur.

Résultats clés

• Pénétration thermique et carbonisation : À mesure que la température augmentait, un transfert de chaleur vers l'intérieur de la section transversale a été observé. Le panneau à 3 couches (P1) a présenté une pénétration de chaleur significative, les températures internes approchant le seuil de carbonisation (environ 300 °C) à la marque des 45 minutes. En revanche, les panneaux à 5 couches (P2) et 7 couches (P3) ont montré une évolution thermique limitée ; les couches externes carbonisées ont efficacement isolé le cœur interne, maintenant les températures internes nettement plus basses (par exemple, les points internes de P3 sont restés en dessous de 70 °C même lors d'une exposition externe à 1200 °C).
• Températures des connecteurs : Les vis métalliques ont agi comme des ponts thermiques, mais le nombre de couches environnantes a considérablement influencé leur température. Dans P1, les températures des vis ont atteint un maximum de 162,3 °C. Dans P2 et P3, les températures maximales des vis étaient de 126,3 °C et 175,9 °C respectivement (notant que la valeur la plus élevée de P3 s'est produite à la pointe la plus proche du feu, bien que le texte indique que P1 présentait généralement une interférence interne plus élevée). Crucialement, dans tous les cas, les températures des vis sont restées inférieures au seuil de 200 °C souvent cité comme la limite pour maintenir les propriétés des connecteurs, bien que l'étude note que les effets thermiques indirects peuvent toujours influencer la capacité mécanique.
• Déplacements : Sous l'effet du chargement induit par le feu, tous les panneaux ont présenté une croissance linéaire du déplacement au fil du temps. P1 (3 couches) a démontré la déflexion la plus élevée, affichant un déplacement de 6,3 % de plus que P2 et de 8,2 % de plus que P3. Le déplacement vertical maximal pour P1 était de 6,15x10⁻¹ mm, tandis que P3 a montré le moins de mouvement (5,33x10⁻¹ mm).
• Mouvement des vis : Les déplacements horizontaux et verticaux des vis étaient minimaux en raison des conditions de support fixes. Les variations horizontales maximales étaient de l'ordre de 10⁻² mm. Les déplacements verticaux ont montré un effet de « déchaussement » (pull-out) pour les vis extérieures et un mouvement vers l'intérieur pour les vis intérieures en raison des contraintes de flexion, P1 présentant à nouveau les plus grandes déflexions.

Signification et conclusions
L'étude conclut que l'augmentation de l'épaisseur et du nombre de couches dans les panneaux CLT améliore considérablement les performances thermomécaniques lors d'un incendie. Les configurations plus épaisses (5 et 7 couches) offrent une isolation supérieure, retardant le transfert de chaleur vers le cœur et protégeant les connexions métalliques contre l'atteinte de températures critiques qui compromettraient l'intégrité structurelle.

La recherche valide que, bien que les panneaux CLT subissent une réduction de section due à la carbonisation, la structure multicouche maintient mieux la stabilité structurelle que les configurations plus minces. Les résultats suggèrent que les éléments de CLT plus épais réduisent la dégradation de la rigidité et de la résistance du bois lors de l'exposition au feu et retardent l'apparition de la défaillance dans les zones de connexion. Cependant, les auteurs soutiennent que la réponse thermique reste fortement dépendante de l'intensité et de la durée de l'exposition au feu. L'étude renforce l'utilité de la simulation computationnelle pour prédire ces comportements, offrant des données qui concordent avec les observations expérimentales concernant les propriétés isolantes des couches carbonisées et le rôle protecteur de l'augmentation de l'épaisseur du panneau.