Conception parasismique de bois massif – construction durable

Alors que les objectifs de durabilité environnementale et sociale viennent à l’avant-plan de notre société, la construction en bois massif présente une opportunité d’atteindre une résilience complète avec coûts de construction raisonnables. La construction en bois massif peut aider à réduire l’empreinte carbone d’un bâtiment durant la construction initiale, et après par l’amélioration de la consommation d’énergie en raison de son enveloppe d’isolation lourde et compacte. Malgré ces avantages, son utilisation en tant que système de résistance aux forces sismiques (SFRS) continue d’être limitée compte tenu des incertitudes de sa capacité ductile en face à la construction conventionnelle. Le défi arrive parce que la plupart des investissements en termes de durabilité liés à l’action climatique et aux objectifs de communautés durables sont généralement menacés en raison des risques sismiques. Cela s’explique par le fait que la conception parasismique, pour la plupart, continue d’être appliquée dans les bâtiments pour ne protéger que la vie des occupants au détriment des dommages structurels. Ainsi, les structures, à moins qu’elles ne soient spécifiées comme telles par le propriétaire, ne sont pas nécessairement résilientes et les actifs liés à la durabilité dans les bâtiments (équipement énergétique, isolation thermique, murs extérieurs, services, etc.) seront endommagés lors d’événements sismiques.

Par conséquent, la conception sismique résiliente continue d’être intégrée dans la construction en bois massif afin d’atténuer l’incertitude du comportement ductile. Pour cela, les panneaux en bois lamellé-croisé (CLT) formant des murs de cisaillement (CLT) en tant que SFRS améliorent progressivement les approches de conception pour fournir une ductilité soit sous la forme de segments de panneaux en bois lamellé-croisé, soit sous la forme de meilleurs détails de connexion pour les systèmes de fixation sur les bords du panneau. Bien que les dommages continuent d’affecter les investissements dans le bâtiment, une certitude additionnelle dans la séquence d’effondrement d’une construction en bois massif utilisant un mur de cisaillement en bois lamellé-croisé est obtenue.

Une autre option consiste à éviter ou à réduire les dommages dans le mur de cisaillement en bois lamellé-croisé en cas de tremblement de terre. Au lieu de recevoir les dommages dans les connexions et systèmes de fixation et dans les bords du mur de cisaillement en raison du comportement de flexion, une connexion résiliente ou une retenue vers le bas peut être incorporée de sorte que tout type de déformation: type de mur de flexion, de cisaillement ou de « rocking wall » se produit sans causer de dommages importants au mur lui-même. La déformation attendue qui endommagerait autrement le mur de cisaillement et le système de fixation peuvent plutôt être concentrées dans la connexion résiliente installée au panneau en bois lamellé-croisé (CLT).

Conception parasismique des structures de bois massif

La modification de la réponse sismique pour un mur de cisaillement en bois lamellé-croisé (CLT) ou, pour tout mur en bois lamellé en général, variera en fonction de la connexion et système de fixation utilisée, ou si le mur fonctionnera comme un mur type « rocking-wall ». Dans le cas d’une connexion avec une système de fixation clouée régulière, le CNBC offre des avis pour les murs de cisaillement de panneaux de bois lamellé cloués d’u facteur R total d’environ 5,1. Les panneaux en bois lamellé-croisé (CLT) sont encore soumis à des recherches, mais plusieurs expériences indiquent des facteurs de modification de la réponse de l’ordre de R ~ 3 à 4 (par exemple, Tsuchimoto et al 2014, Popovski 2015, van de Lindt et al 2020, etc.). Dans les deux cas, il faut s’attendre à des dommages considérables dans le mur de cisaillement en bois lamellé ou concentrés dans les connexions, les connecteurs et les fixations.

Tant qu’il est correctement testé avant l’installation, le même niveau de modification de réponse ou supérieur pourrait être attendu d’une connexion résiliente. Par conséquent, l’ingénieur peut mettre à niveau la connexion avec le système de fixation ductile sacrificiel en la remplaçant par un frein sismique, idéalement un Tension-Compression (Ten-Co) pour avoir aussi les avantages de l’amortissement supplémentaire. En plus d’éviter les dommages dans le mur de cisaillement en bois lamellé-croisé (CLT), une dissipation d’énergie supplémentaire importante peut être obtenu. Lorsqu’un frein sismique Ten-Co est utilisé comme connexion et système de fixation résiliente, la structure peut rester assez élastique, ce qui lui permet de revenir à sa position équilibrée (état d’énergie le plus bas) après le tremblement de terre. Il permet la protection du reste des investissements liés à la durabilité dans le bâtiment.

Une autre option avec un coût de connexion inferieur pourrait être d’utiliser un système de fixation sacrificiel par friction avec ressorts ou un mécanisme qui travail dans le principe de ressort à friction. Étant donné ce mécanisme de ressort à friction est assemblé avec des composants facilement disponibles et produits en série dehors du pays (p. ex. ressorts et rondelles de base), le coût de l’appareil peut être considérablement réduit. Bien que la réponse ne soit pas aussi stable que le frein sismique Ten-Co (image ci-dessous à droite), elle peut concentrer les dommages dans la connexion même qui devrait être remplacée après le séisme. Les éléments complémentaires de connexion doivent certainement être préparés pour résister à l’excès naturel de sur-résistance dans l’appareil lui-même. Il peut être remplacé et remonté avec un minimum d’intervention. En revanche, une connexion avec un système de fixation cloué vers le bas dans du mur de cisaillement en bois lamellé-croisé (CLT) présenterait fluage et retrait dans les clous dans les meilleurs des cas, qui causera inévitablement une réparation plus complexe.
Compte tenu de la durée de vie prévue plus courte de l’appareil, un programme d’entretien et de remplacement devrait être préparé pour tenir compte de toute incertitude, car seuls les essais de prototypes sont généralement réalisables. La relation force-déplacement de réponse n’est pas entièrement semblable à l’enveloppe comportement des fixations cloués, par conséquent, l’analyse non linéaire d’histoire de temps est recommandée pour établir la réponse structurale appropriée.

Une attention particulière doit être accordée à la force de réponse de conception finale de la connexion car une augmentation considérable est attendue (voir l’image ci-dessous à gauche). Les ruptures fragiles dans les connexions peuvent être évitées avec l’application d’un facteur de sur-résistance de 2,5-3x recommandé pour les systèmes de fixations cloués, utilisé pour calculer la connexion et la demande sismique aux fondations, en l’absence d’une analyse non linéaire précise.

N’hésitez pas à nous consulter concernant les connexions résilientes disponibles.

Restriction en hauteur pour la conception parasismique de bois massif

Les murs de cisaillement en bois lamellé-croisé (CLT) et le bois lamellé en général avec connexions résilients sont utilisés comme SFRS dans les bâtiments de 2 à 4 étages compte tenu de la base de connaissances disponible. Dans les bâtiments entre 2 et 4 étages, le comportement dans le mur de cisaillement est plus proche de ce qui est modélisé, un panneau en bois lamellé-croisé (CLT) de corps complet du bas vers le haut. La modélisation peut devenir plus complexe et les sections de panneaux peuvent être irréalisables à mesure que la hauteur du bâtiment projeté augmente. Dans de tels cas, l’ingénieur est souvent mieux de passer du mur cisaillement en bois lamellé-croisé (CLT) comme SFRS à un cadre contreventé. Le SFRS va plutôt se servir du concept de Contreventement à Fluage retreinte (CFR) où le frein sismique est connecté à un contreventement en bois lamellé (ou en acier). Le comportement du frein sismique, idéalement un Ten-Co, est bien compris et le contreventement est assez rigide et peut être facilement détaillé en ce qui concerne la force de réponse stable du Ten-Co.

Murs de cisaillement en béton armé dans la conception parasismique de bois massif

Dans certains cas, l’ensemble de la structure peut être construit à l’aide de panneaux en bois lamellé-croisé (CLT), ou d’une autre forme de construction en bois massif, pour les colonnes ou les poutres tandis que le SFRS peut être fait de murs de cisaillement en béton. Dans ces cas, la plupart des objectifs de durabilité initiaux peuvent encore être atteints car seuls les murs SFRS sont en béton. La résilience est également en place car les dommages dans les zones de compression ou de confinement du mur sont évités avec l’utilisation du frein sismique. Ces types de murs se comportent soit comme un mur de cisaillement entier sur le long de la hauteur du bâtiment, ou ils sont parfois conçus comme un mur de cisaillement « rocking wall » avec des tiges précontraintes par post-tension au milieu du spam pour obtenir un comportement de « rocking ». Dans les deux cas, les dommages généralement concentrés dans la base du mur de cisaillement sont évités et la structure sera résistante aux risques sismiques.