Caracterisation and modelisation of the behavior of glulams under fire
Caractérisation et modélisation du comportement au feu de poutres en bois lamellé collé
Résumé
Wood is increasingly being used as building rnaterial due to its specific characteristics, such as its high insulating capacity given by its low thermal conductivity. Nowadays, wood may be considered as an answer to the cUITent energy cri sis, resulting in cost reduction in energy consumption. Wood is classified as a combustible material, which makes us doubt about its structural tire resistance. However, contrarily to !bis idea and spite of its classification, wood provides an excellent tire resistance. It bas long been recognized that under a tire situation, a wood structure loses resistance more slowly than a steel or concrete structure. The particular context of this study relates to tire applied to glulam. Currently, the most used adhesives in the glulam industry are: Resorcinol-Formaldehyde, Phenol-Resorcinol-Formaldehyde, Urea-Formaldehyde, and MelamineUrea-Formaldehyde. The main problem arising from these adhesives is their two-component fonnulation (adhesive and hardening), making their usage more complicated. Moreover, wood bas to be dried before gluing, which in turn increases the costs and building time. ln order to solve these inconveniences, there are currently other solutions in the market, e.g. Polyurethane adhesives consist of only one liquid component applied directly on wood even if it is wet. However, this kind of adhesive shows a high level of creep at high temperatures, which rnay lead to a dangerous situation during a tire. ln the development of !bis thesis, we characterized the behavior of structural polyurethane adhesives under tire, considering as parameter for comparison the most used adhesives, i.e. Phenol-Resorcinol-Formaldehyde and MelamineUrea-Formaldehyde. As a first stage we characterized the different adhesives subject to high temperatures (between 30°C and 250 °C). As a second stage we established the tire behavior of glulams under the different studied adhesives. For !bis, we chose to perfonn tests with a radiant panel at constant flow (15, 25, 45 and 60 kW/m2). The main result was that the kind of adhesive used in glulams bas no influence on tire resistance. The final stage of fuis study consisted on modeling the different occurring phenomena: A thermal model through a finite element allowed to follow-up in time the temperature distribution in the glulam transversal section subject to a heat flow. By integrating the stiffness database and the elasticity modulus resulting from the creep tests, we have been able to predict the creep behavior and failure time for a glulam subject to a temperature flow that simulates a tire. The results agree with the tests and show that the kind of adhesive bas no influence on tire resistance as the char layer that forms in the glulam surface is a good insulator that limits the depth of the wood darnaged by temperature and thus, its loss of mechanical resistance.
Le bois s'affine de plus en plus dans l'ensemble des matériaux de construction, notamment grace à de nombreuses caractéristiques spécifiques : par exemple, le bois est un très bon isolant grâce à sa faible conductivité thermique, il apporte aujourd'hui une réponse à la crise énergétique et conduit à une réduction du coût de la consommation d'énergie. Cependant, le bois est classé comme un matériel combustible, ce qui pose des questions quant à la résistance à l'incendie de structures en bois. Contrairement aux idées reçues et malgré cette classification, le bois offre une excellente résistance au feu : il est ainsi reconnu depuis longtemps que lors d'un incendie, une structure en bois perd moins rapidement sa capacité portante qu'une structure en acier ou en béton armé. Le contexte particulier de ce travail est lié à la problématique du feu appliquée aux poutres en bois lamellé collé. Actuellement, les adhésifs les plus utilisés dans l'industrie de bois lamellé collé sont: la résorcine-formaldéhyde, phénol-résorcine-fonnaldéhyde, l'urée-formaldéhyde, et la mélamine-urée-formaldéhyde. Les principaux inconvénients de ces adhésifs sont qu'ils se présentent sous la forme de deux composants (résine et durcisseur), ce qui rend leur utilisation assez délicate et que le bois doit être séché avant d'être collé, ce qui augmente le coût et le délai de fabrication. Pour répondre à ces inconvénients, d'autres solutions se présentent aujourd'hui sur le marché, comme les adhésifs polyuréthannes, qui se présentent sous forme d'un mono composant liquide directement applicable sur le bois et qui être utilisé sur du bois humide. Toutefois, ces colles présentent un niveau de fluage très élevé à haute température, ce qui peut conduire à des dangers importants dans un contexte d'incendie. Au cours de notre travail, nous avons caractérisé le comportement des colles polyuréthannes d'usage structurel dans une situation d'incendie en prenant comme paramètre de comparaison les deux colles les plus utilisées (phénolrésorcine-formaldéhyde et mélarnine-urée-fonnaldéhyde). Dans un premier temps, nous avons caractérisé le comportement des différentes colles soumises à de hautes températures (entre 20 et 250°C). Dans une seconde étape, nous avons établi le comportement au feu du bois lamellé collé avec ces différents adhésifs: pour ce faire, nous avons choisi de réaliser des essais avec des panneaux rayonnants en conservant un flux de chaleur constant (15, 25, 45 et 60 kW/m2). Le principal résultat est que le type de colle n'influence pas la résistance à l'incendie de poutres en bois lamellé-collé. Enfin, dans une troisième étape, nous avons modélisé les différents phénomènes: un modèle thermique par éléments finis permet de suivre en continu l'évolution du champ de température au sein de la poutre en bois lamellé collé soumise à un flux de chaleur. En intégrant les données de raideur et de module d'élasticité issues des essais en fluage, nous avons alors pu prédire le comportement en fluage et le temps à rupture pour une poutre en bois lamellé collé soumise à un flux de chaleur simulant un incendie. Les résultats obtenus sont conformes à ceux des essais et montrent que le type de colle n'a pas d'influence sur la résistance au feu car le charbon créé à la surface du bois est un très bon isolant qui limite la profondeur de bois chaud et ainsi la perte de résistance mécanique.