Couplage bois/verre, bois/métal et bois/fibre de carbone

Calixte Blanchard, responsable Innovation, CTBA

L'objectif principal, au niveau de la filière bois, est de développer l'emploi du bois dans le bâtiment et les ouvrages de génie civil.

Parmi une liste d'objectifs prioritaires présents dans l'accord-cadre bois-construction, deux plans d'action ont été retenus ici : le plan d'action marché et le plan d'action compétitivité.

1/ Le CTBA cherche avec les industriels à développer de nouveaux produits qui puissent ouvrir de nouveaux marchés,

2/ Le CTBA travaille au niveau de la compétitivité, dans le but de stimuler les rapprochements entre les acteurs afin d'augmenter les performances techniques et économiques des technologies bois-construction.

Les réponses que l'on peut apporter : soit on a les solutions existantes, et il faut apprendre à mieux les utiliser, soit il faut proposer de nouvelles solutions à base de bois en l'associant avec d'autres matériaux.

Le CTBA est parti avec des partenaires sur trois pistes pour utiliser ou mieux utiliser le bois construction en l'associant par collage avec d'autres matériaux :

1/ Assemblage bois-verre

On a cherché à réaliser de nouvelles enveloppes à base de bois sur le principe du Verre Extérieur Collé (VEC). L'objectif est une substitution à l'aluminium et au métal, matériaux traditionnels rencontrés pour ce type de produit.

2/ Assemblage bois-métal

On a cherché à développer en France un assemblage que l'on appelle les « goujons collés », selon un type qui est utilisé de façon assez courante en Suisse et dans les pays scandinaves. L'objectif est de mieux utiliser le bois en l'associant à d'autres matériaux, et d'obtenir une architecture spécifique à partir de bois.

3/ Assemblage bois-composites

On a cherché à développer un nouveau produit structural aux performances mécaniques intéressantes, baptisé "carboglulam". L'objectif de ce type de produit est de proposer des solutions bois pour des ouvrages de Génie Civil.

La présentation plus poussée de ces recherches répond toujours à un plan en trois parties : le contexte, l'avantage du produit dans une approche « développement durable », le projet et les résultats obtenus par le projet.

1/ L'assemblage bois-verre

Ou comment par exemple faire développer par un façadier un élément de façade à partir de l'assemblage direct par collage d'une plaque de verre à un cadre primaire ou secondaire en bois.

Le contexte : le marché est très favorable aux façades vitrées. On retrouve une certaine esthétique, une certaine technique du produit qui provoque un engouement.

C'est souvent la réglementation qui va faire évoluer les entreprises du secteur bois et va les pousser à innover et à développer des nouveaux produits. On avait des évolutions réglementaires au niveau de la Nouvelle Réglementation Thermique et de la Nouvelle Réglementation Acoustique qui sont favorables aux produits Verre Extérieur Collé (VEC), et encore plus favorables s'il y a une solution bois à la place de matériaux aluminium par exemple.

Les avantages pour la filière bois dans l'optique du développement durable tiennent au fait que cela va nous ouvrir de nouveaux marchés : outre celui des façades, on pense au domaine des menuiseries (dont des portes menuisées). Il y a de nombreux produits qui pourraient être déclinés avec ce type de technologie. Notre bois va être protégé ici par le vitrage; il pourra être juste traité avec une lasure simple, sans avoir besoin de recourir à des produits chimiques spécifiques. Des essences indigènes tel que du pin sylvestre pourront être utilisées pour ce type de structure. Il faudra juste appliquer une lasure pour obtenir du bois Classe 2.

Projets :

- D'abord, en 1999, une étude de faisabilité (financement DERF / ministère de l'agriculture) dont l'objectif fut de démontrer qu'il était possible de coller directement du verre sur le bois et les performances du produit obtenu paraissaient intéressantes.

- Puis, une étude (financement ADEME) visant une validation d'une solution technique de collage du verre sur le bois en testant un type de colle (Silicone) et différents types de bois.

- Des projets sont en cours aujourd'hui : développement d'une bande filante de solution VEC Bois, réflexion d'un façadier étranger pour monter en R+3 avec ce type de solution (Partenariats : Université, architecte, CSTB, « façadiers », producteurs d'adjuvants).

Les résultats à obtenir sont :

- une étude de durabilité des assemblages,

- une définition des protocoles expérimentaux qui permettent de qualifier ce nouveau type d'assemblage : nouveaux produits, nouveaux essais à mettre en place et nouvelles exigences à définir pour ce type de produit, en tenant compte notamment de la réglementation européenne sur le VEC.

Dans le programme, on a validé différents couples d'assemblage. Aujourd'hui, on a des solutions clef en main qui peuvent être proposées. Demain, on va définir des performances de durabilité en grandeur d'emploi. On passe ainsi sur des structures beaucoup plus importantes.

Ce type d'assemblage permet de réaliser des vérandas, des abris et différents types de projet. On a la technique pour aider l'industriel à s'accaparer ce type de produit. Ils sont déjà plusieurs façadiers à travailler avec le CTBA... Par rapport aux menuiseries aluminium, l'usinage du bois est plus simple, le coût du silicone est négligeable. Il n'y a pas de coût supplémentaire.

2/ L'assemblage bois-métal

Le goujon collé correspond à une application particulière d'assemblage bois lamellé collé-métal. L'intérêt de cette technologie est de pouvoir assembler par exemple le bois à une chape de béton, ou de pouvoir faire des architectures avec des charpentes en bois triangulées où l'assemblage n'est pas du tout apparent.

Le contexte : Il y a de plus en plus d'applications qui sont envisagées avec ce type de technique.

Le guide professionnel existant sur le goujon collé est en cours de révision, en concertation avec tous les partenaires concernés. C'est l'occasion de définir un Plan d'Assurance Qualité, de faire une évaluation des types de colle qui peuvent être utilisés pour ce produit, de réunir des données plus fiables sur la durée de vie de ce type d'assemblage. Aujourd'hui, les colles Epoxy ont de très bonnes performances, mais parler de durabilité de colles paraît difficile : les fabricants de colles peuvent garantir leur produit sur 10 ou 15 ans seulement.

On cherche aujourd'hui à développer des produits qui paraissent « beaux ». Il faut donc trouver des solutions d'assemblage esthétiques.

La normalisation européenne évolue. L'Europe du Nord va nous proposer de nouvelles réglementations qui prennent en compte la technique du goujon collé. Il faut trouver des solutions qui soient en adéquation avec ces réglementations.

Les avantages pour la filière bois dans l'optique du développement durable tiennent au fait que :

- Le goujon collé offre une meilleure hygiène du bois, le bois ne connaissant pas ici de perturbation extérieure. Un boulon affleurant est susceptible de piéger de l'humidité tandis que la profondeur d'ancrage du goujon l'en protège. Si l'on compare ces deux types d'assemblage, les performances peuvent être similaires pour certains dimensionnements, mais le fait que les goujons soient parfaitement masqués représente un avantage important.

- Le goujon collé n'est pas une technique d'assemblage qui impose un dimensionnement des poutres. On sait en revanche que l'assemblage mécanique par boulons va limiter la section de poutre. Celle-ci est dimensionnée en effet le plus souvent en fonction de l'effort que la couronne de boulon choisie pour l'assemblage est censée pouvoir faire passer (par exemple 80 kg environ/boulon). Ce ne sont pas les caractéristiques d'une poutre qui vont déterminer un certain type de boulon.

- Le goujon collé permet de développer en atelier des poutres industrielles de bois lamellé collé de section et de longueur fixes, ou de section variable et de longueur fixe (par exemple de 3 mètres). Déjà, on essaye de mettre en place une certaine culture pour utiliser ce type d'assemblage en atelier. Mais notre gros challenge au CTBA, c'est d'aller vers l'assemblage sur le chantier. Aujourd'hui, le collage sur chantier n'est pas reconnu. Dans un avenir proche (de cinq à dix ans), pour obtenir une poutre pouvant atteindre 50 mètres de longueur, de plus petites poutres pourront ainsi être assemblées directement sur chantier par la technique des goujons collés.

Projets :

Un projet (labellisé par le RGCU et géré par la DRAST) a pour objectif de qualifier la durée de vie des assemblages par goujons collés pour du bois lamellé collé sous sollicitations mécaniques et hygrothermiques. Né fin 2002, il est développé en partenariat avec le Syndicat SNCCBLC et des Universités. Il entre dans le cadre de la conception d'une tour de 150 mètres de haut tout en bois à Bobigny, avec du chêne ou du Douglas. Il a fallu tester différents types d'assemblage dont des assemblages par goujons collés. Ces derniers se sont montrés très performants avec des valeurs qui avoisinent les 70 tonnes de rupture.

Nous allons obtenir d'ici un an les résultats d'essais de modélisation par éléments finis du comportement mécanique d'un assemblage par goujons collés sous sollicitations hygrothermiques et mécaniques.

Nous allons surtout définir des modèles d'endommagement... Ces résultats nous permettront de valider ce type d'assemblage auprès des bureaux de contrôle qui bloquent un peu aujourd'hui ce type de produit. Avec les abaques de dimensionnement, on voit par exemple qu'il n'y a pas de souci au niveau de la flexion dans un assemblage par goujons : il y a une continuité au niveau des efforts.

La culture française, aujourd'hui, pourrait se résumer par l'adage « on trouve et on utilise ». En Suisse, par contre, les expérimentations de ce type d'assemblage se sont faites sur chantier afin de démontrer ses bonnes performances.

3/ L'assemblage bois-composites

Le CTBA mène avec un partenaire une recherche sur l'assemblage de bois lamellé collé avec un matériau composite, à savoir un UD (Unité Directionnelle) carbone / pultrudé de carbone. Ce dernier est présent sous la forme d'une bande filante noire en haut et en bas de la poutre ainsi qu'aux extrémités où il constitue avec des lamelles bois deux sabots.

La grande difficulté de ce projet est apparue au niveau de la phase de réalisation : lorsqu'on assemble du bois - qui est un matériau vivant - avec le pultrudé de carbone - un matériau qui n'a aucune variation dimensionnelle -, c'est assez difficile et il a fallu trouver des substituts de telle manière à pouvoir développer un produit collé qui ait de bonnes performances mécaniques et une bonne durabilité. Il y a eu tout un travail visant à développer cet assemblage de deux types de matériau.

Contexte : il y a une demande d'amélioration et de fiabilisation des caractéristiques mécaniques du bois. Comment développer pour élargir la gamme d'utilisation du lamellé collé? Vers un autre domaine, vers des ouvrages de génie civil comme des ponts-passerelles. Un exemple : le CTBA travaille avec une mairie pour développer une passerelle en lamellé collé en Aquitaine...

Par ailleurs, on cherche à utiliser des bois de moindre qualité. Un autre gros avantage de travailler sur l'association du bois avec un matériau de haute performance comme le matériau composite est de permettre l'utilisation de bois de moindre qualité...

Les avantages pour la filière bois dans l'optique du développement durable tiennent au fait que :

- On a là l'opportunité de créer de nouvelles applications du bois pour des ouvrages de génie civil et pour des bâtiments exceptionnels.

- L'utilisation d'une ressource forestière locale a un impact sur l'effet de serre par rapport à la question du transport du bois... L'importation des bois de Scandinavie se fait à 95 % par la route, nécessitant ainsi très peu de transport ferroviaire et maritime. Dans ce contexte, il est très important de pouvoir valoriser nos essences françaises. Un projet a déjà été monté dans ce sens. Il a débouché sur la définition d'un nouveau produit, baptisé « carboglulam ».

Projets :

Différents projets ont tourné autour de ce matériau composite. Sur ce qui est bâtiment, essayons de travailler avec la ressource locale.

1/ Étude du collage de composites sur du pin maritime (régional)

Cette essence peut être utilisée en structure, mais nécessite des sections plus importantes...

2/ Étude en flexion de poutres renforcées avec du carboglulam, projet monté avec la société « Epsilon composites » - une entreprise du Médoc - et l'ANVAR, en partenariat avec des bureaux de contrôle (dont le Setra). Le CTBA a testé en effet une poutre lame sylvestre renforcé par du pultrudé de carbone (présent sous la forme d'une bande plate noire de 10 mm d'épaisseur, filant en partie haute et en partie basse d'une extrémité à l'autre). Dans le second cas, on a une augmentation des performances mécaniques de 116% avec une homogénéité au niveau des résultats. Le coefficient de variation est très faible avec la solution Carboglulam. La résistance mécanique augmente ici de 50% par rapport à une solution entièrement bois.

Résultats :

- Nous avons mis au point une technologie de collage originale et intégrable directement par les transformateurs bois de la filière bois. Nous avons défini un document type permettant aux lamellistes de la filière bois de fabriquer du Carboglulam.

- Nous avons pu caractériser les produits sur le plan de la flexion mécanique... nous avons rédigé des abaques de dimensionnement qui sont disponibles sur simple demande.

En conclusion, rappelons que le CTBA est un centre technique industriel qui a pour vocation de développer l'emploi du bois. Il participe en partenariat au développement de nouveaux produits, il accompagne l'entreprise tout au long de son projet... Si cette présentation a visé de nouveaux produits assemblés par collage, il y a d'autres solutions innovantes qui existent ou qui sont en cours de définition entre le CTBA et des partenaires industriels aux niveaux français et européen. Ainsi, des travaux d'expérimentation sont en cours actuellement pour la réalisation de poutres en bois lamellé collé précontraintes par le renfort de matériau composite.

Le CTBA accompagne tous les concepteurs qui l'appellent, même quand il s'agit de construction traditionnelle, domaine pour lequel il n'y a pas de recherche particulière à mener. On trouve en effet un certain nombre d'architectes qui, en référence à une démarche HQE, entendent utiliser le bois local le moins travaillé possible, pris sur place si possible et utilisé en tant que tel. Tel est le cas par exemple de Françoise Jourda qui a cherché à connaître auprès du CTBA les conditions d'utilisation de bois locaux à peine écorcés pour réaliser la charpente d'une serre. llé collé de 15 m de longueur x 80 cm de retombée x 110 mm de largeur sur le plan de la flexion (en 4 points). On a comparé une poutre en pin sylvestre lamellé collé à une poutre lamellé collé avec du pin.