WO2019012222A1 - Elements de structure en bois et beton et procede de fabrication - Google Patents

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WO2019012222A1
WO2019012222A1 PCT/FR2018/051734 FR2018051734W WO2019012222A1 WO 2019012222 A1 WO2019012222 A1 WO 2019012222A1 FR 2018051734 W FR2018051734 W FR 2018051734W WO 2019012222 A1 WO2019012222 A1 WO 2019012222A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
concrete
wooden
wood
sand particles
Prior art date
Application number
PCT/FR2018/051734
Other languages
English (en)
Inventor
Emmanuel Ferrier
Eric AUGARD
Laurent Michel
Jean-Yves Jousselin
André Lefevre
Yves LABRUNIE
Original Assignee
Cruard Charpente Et Construction Bois
Bostik Sa
Jousselin Prefabrication
Universite Claude Bernard Lyon 1
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cruard Charpente Et Construction Bois, Bostik Sa, Jousselin Prefabrication, Universite Claude Bernard Lyon 1 filed Critical Cruard Charpente Et Construction Bois
Publication of WO2019012222A1 publication Critical patent/WO2019012222A1/fr

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/02—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces
    • E04C3/29—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces built-up from parts of different material, i.e. composite structures
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B5/00—Floors; Floor construction with regard to insulation; Connections specially adapted therefor
    • E04B5/02—Load-carrying floor structures formed substantially of prefabricated units
    • E04B5/12—Load-carrying floor structures formed substantially of prefabricated units with wooden beams

Definitions

  • the invention relates to the technical field of construction elements. More specifically, the invention relates to a method of manufacturing structural elements comprising at least one concrete module and at least one wooden module previously treated with a thermoset composition and sand, such a wood-concrete composite structure element, and a treated wood module for the realization of such a structural element and its manufacturing process.
  • the mixed wood-concrete structural elements are known and widely used in the construction field because they are mechanically efficient and have the advantage of being easy to implement.
  • the elements of mixed wood-concrete structures make it possible to increase the carrying capacities of structures by using concrete as a compression table and stiffener element, and wood as a light element taking up traction efforts. These are well-adapted solutions for spans greater than 5 m. In particular, such structures are replacing, increasingly, traditional wood floors and concrete floors.
  • the mixed wood-concrete structural elements differ from each other mainly because of their way of fixing concrete to the wood.
  • the Applicants propose to perform a preliminary surface treatment of a wooden module, allowing pouring of concrete directly on the wooden module thus treated, this making it possible to manufacture a simple and fast element structural having good mechanical performance.
  • the invention therefore relates to a method of manufacturing a structural element formed of at least one wooden module and at least one concrete module comprising the following successive steps a) to e): a) providing at least one wooden module having a fastening surface,
  • thermosetting composition b) applying, on said fixing surface of said wooden module, a thermosetting composition, then spreading sand particles on said fixing surface covered with thermosetting composition
  • thermosetting composition obtaining the hardening of the thermosetting composition, d) pouring fresh concrete onto the fixing surface of said treated wood module obtained in step c), and
  • the method according to the invention has the advantage, compared to known methods of the state of the art, to be simpler and faster implementation and less expensive.
  • the method according to the invention also has the advantage of allowing the concrete to be cast in a prefabrication plant or directly on the site of use of the structural element. The prior realization of concrete elements, with the risk that they are altered or deformed, before being linked to the wooden elements, is avoided.
  • the method according to the invention allows the possibility of combining several types of concrete, in order to make the best use of their individual performances.
  • the method according to the invention advantageously has one or other of the following characteristics, or a combination of two or more of these characteristics, when they do not exclude each other:
  • thermosetting composition is applied over the entire fixing surface of the wooden element before application of the sand particles, so as to obtain a uniform and continuous film, preferably from 0.1 to 0.5 mm thick , about 0.3 mm,
  • thermosetting composition is applied in step b), so as to obtain, before application of the sand particles, impregnation of the wooden module to a thickness of at least 0.1 mm and in particular to a thickness belonging to the range; from from 0.1 to 0.5 mm, in particular 0.3 mm. It is possible that the thermosetting composition is applied until saturation of the wooden module
  • thermosetting composition At the end of step b), after distribution of the sand particles, at least a portion of the accessible surface of the sand particles is not covered with a thermosetting composition
  • the average diameter D of the sand particles belongs to the range from 0.1 to 1.2 mm, preferably from 0.4 to 1.0 mm, and in particular is equal to approximately 0.5 mm,
  • thermosetting composition is an epoxy resin, in particular a two-component epoxy resin,
  • thermosetting composition has a Brookfield viscosity measured at 23 ° C., before its application on the fixing surface, belonging to the range from 2000 to 13000 mPa.s, and preferably ranging from 5500 to 9500 mPa.s,
  • the wooden module comprises one or more stiffening reinforcements, preferably of a metallic and / or composite nature,
  • the wood module is glued laminated wood or solid wood
  • thermosetting composition preferably from 200 to 500 g / m 2 , and in particular from 200 to 300 g / m 2 ,
  • the sand contains 30 to 50% m / m of silicate and 5 to 30% m / m of alumina
  • step c) the hardening of the thermosetting composition is obtained in step c), by keeping at a temperature in the range from 10 to 35 ° C., preferably from 20 to 25 ° C., for a period of 12 to 48 hours ,
  • step d) the pouring of the concrete in step d) is carried out on various box-assembled wood modules resulting from steps a) to c), and
  • the concrete is composed of at least one binder, preferably consisting of cement, sand, silica fume, water, a reducing adjuvant water and possibly short fibers, in particular of metallic, mineral, organic and / or composite nature.
  • binder preferably consisting of cement, sand, silica fume, water, a reducing adjuvant water and possibly short fibers, in particular of metallic, mineral, organic and / or composite nature.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a treated wood module comprising the following successive steps:
  • thermosetting composition a) providing a wooden module having a fixing surface, b) applying a thermosetting composition to said fixing surface of said wooden module, and then spreading sand particles onto said fixing surface covered with thermosetting composition
  • thermosetting composition c) curing the thermosetting composition.
  • the invention also relates to the structural elements and the treated wood modules obtained by the methods according to the invention.
  • the invention also relates to a structural element comprising at least one wooden module comprising a fixing surface, and at least one concrete module, connected to said wooden module fixing surface via a zone fastener comprising a thermoset composition in which sand particles are distributed, with at least some of said sand particles being partially coated with thermoset composition.
  • a zone fastener comprising a thermoset composition in which sand particles are distributed, with at least some of said sand particles being partially coated with thermoset composition.
  • said partially coated sand particles of thermoset composition are covered on one side of thermoset composition and on the other side of concrete.
  • the structural elements according to the invention do not have the disadvantages of the aforementioned prior art.
  • the combined use of a thermosetting composition and sand particles avoids deformation of the wood before hardening of the concrete.
  • assembly with preconstituted concrete elements that can be cracked is avoided.
  • the structural elements according to the invention have improved mechanical properties, and in particular improved strength, flexural stiffness and / or ultimate load compared to known structures of the state of the art.
  • these improved mechanical properties make it possible to reduce the thickness of the materials used, and to obtain lighter structural elements with equivalent mechanical properties.
  • the invention also relates to a treated wood module comprising a wooden module comprising a fixing surface with a fixing zone comprising a thermoset composition in which sand particles are distributed and, at least some of said sand particles are partially coated. of thermoset composition.
  • the thermosetting composition is an epoxy resin and / or the sand contains, in particular, from 30 to 50% m / m of silicate and 5 to 30% w / w alumina.
  • the average diameter D of the sand particles is in the range from 0.1 to 1.2 mm, preferably from 0.4 to 1.0 mm, and in particular is equal to about 0.5 mm.
  • the wooden module is covered with a thermoset composition, forming a film having a thickness ranging from 0.1 to 0.5 mm, and in particular from 0 to , 3 mm.
  • the wood module is impregnated with a surface of thermoset composition, in particular at a depth of at least 0.1 mm, and in particular from 0.1 to 0.5 mm, and in particular about 0.3 mm.
  • the invention also relates to the use of at least one structural element according to the invention for the realization of at least part of a building (individual houses, collective, school, commercial or industrial buildings, floors). freestanding, facades etc.) or a structure (bridges, footbridges, etc.).
  • “approximately” means equal to the given value, plus or minus 10%, preferably plus or minus 5%.
  • Figures la and lb are schematic sectional views of treated wood modules according to the invention.
  • Figure 2 is a diagram of the method of manufacturing a structural element according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic perspective view of an exemplary embodiment of a structural member in the form of a beam according to the invention.
  • Figures 4a and 4b are schematic sectional views of exemplary embodiments of a floor structure element according to the invention.
  • Figure 4c is a schematic perspective view of an embodiment of a floor structure element according to the invention.
  • Figure 5 shows the load-displacement curves of different structures tested.
  • Figure 6 shows the moment-curvature curves of different structures tested.
  • Figure 7 shows the horizontal sliding curves between the concrete and the wood of different structures tested.
  • Figure 8 shows the service limits of different structures tested.
  • the invention relates to a method of manufacturing a structural element formed of at least one wooden module and at least one concrete module comprising the following successive steps:
  • thermosetting composition b) applying, on said fixing surface of said wooden module, a thermosetting composition, then spreading sand particles on said fixing surface covered with thermosetting composition
  • thermosetting composition obtaining the hardening of the thermosetting composition, d) pouring fresh concrete onto said treated wood module obtained in step c), and
  • Structural element means a supporting element that ensures the integrity of a construction (building, structure, etc.) and the maintenance of non-structural elements (equipment, lining, etc.).
  • a structural element allows the transfer of different forces applied to the construction to the ground. It ensures the construction strength and stability. It is usually subject to very important constraints.
  • a structural element may, for example, be a beam, a panel, a facade or a self-supporting floor.
  • the structural element according to the invention does not include a mechanical connection member, in particular metal connector or composite material, providing the connection between the concrete and the wooden module.
  • module is meant a piece of wood or concrete.
  • wood is meant in the sense of the invention structural solid wood (pieces of wood sawn from logs or larger pieces of wood to withstand the forces applied to a structure comprising them), woods laminated wood, glued laminated wood, or reconstituted wood (a piece of wood obtained by jointing and bonding solid wood) -
  • log is meant a tree cut down, slashed and still covered with bark.
  • the wooden module is glued laminated wood.
  • a wooden module implemented in the context of the invention is in the form of a panel or a beam.
  • the wooden module comprises one or more reinforcing frames, in order to reinforce said wooden module and improve its resistance.
  • One or more reinforcement (s) may be positioned on the surface of the latter, in particular inserted into one or more grooves on the surface of the wooden module.
  • one or more stiffening reinforcement (s) may (may) be arranged in one or more grooves arranged on the stretched face of the wooden module.
  • “Stretched face” means the face opposite to the face of the wooden module on which the attachment surface is.
  • the stiffening reinforcement (s) may be passive or preconstructed integer (s).
  • passive stiffening reinforcement means a complementary stiffening reinforcement not artificially tensioned in the module and deposited in the groove of the wood without prestressing.
  • prestressing stiffening reinforcement means a stiffening reinforcement tensioned, as opposed to a passive stiffening reinforcement, before insertion into the wooden module.
  • one or more stiffening reinforcements is (are) present on the surface of the attachment zone, serving as passive reinforcement, in particular when the wooden module is intended to be associated with a module of non-fiber concrete. This ensures compliance according to Eurocode 2 advocating a minimum reinforcement rate of 0.4% in all concrete structures. In the case of fiber concrete, these frames are no longer necessary.
  • the prestressing is preferably applied before pouring the concrete.
  • stiffening frames When one or more stiffening frames are positioned on the surface of a wooden module, they can be glued, by any type of suitable glue.
  • the stiffening reinforcement or reinforcement are glued, in particular in one or more grooves arranged on the surface of the wooden module with a thermosetting composition.
  • a thermosetting composition that can be used to bond the stiffening reinforcements is the thermosetting composition as defined in FIG. frame of the invention, used for the connection of the wooden module with the concrete.
  • the stiffening reinforcement or reinforcement may be of a metallic nature, for example of the High Adhesion (HA) type, or of a composite material, for example a glass fiber reinforced polymer and / or carbon material.
  • HA High Adhesion
  • step b) several wooden modules are assembled, prior to step b), for example in a box, to form the framework of the structural element, pending the application of the thermosetting composition and sand particles.
  • steps b) and c are submitted alone to the treatment of steps b) and c).
  • the wooden module has a mounting surface.
  • This attachment surface preferably extends over an entire face of the wooden module.
  • the attachment surface does not require a sanding step prior to the application of said thermosetting composition.
  • thermosetting composition :
  • thermosetting compositions that may be used in the context of the invention, mention may be made especially of the compositions bicom posantes, and in particular the compositions of epoxy resin bicom posantes.
  • thermosetting composition is said to be two-component, since it is obtained by mixing, on the one hand, a thermosetting resin composition and, on the other hand, a composition of a hardening agent and / or a catalyst allowing it to be cured at temperature. implementation.
  • the thermosetting resin composition may comprise or consist of any type of liquid resin at ambient temperature of implementation, in particular chosen from epoxy resins, in particular diglycidyl ether derivatives of bisphenol A, bisphenol F, and their derivatives. mixtures.
  • the thermosetting epoxy resin composition may also contain modifiers of the reactive diluent type, of the mono or multi functional aliphatic alcohol glycidyl ether type, and in particular the C 12 -C 14 fatty alcohol derivatives of C 13 -C 15, of 1, 4 butanediol, 1,6 hexanediol, polyoxypropylene.
  • the epoxy resin composition may also contain other additives such as mineral fillers for modifying its viscosity and adhesion to the wood.
  • the curing agent composition may contain any type of agent which is reactive with epoxy resins at the processing temperature, and in particular at room temperature, and in particular chosen from aliphatic or cycloaliphatic amines carrying primary functions and / or or secondary, polyamides, polyamidoamines and mixtures thereof. It may also contain one or more accelerator or catalyst-type agents, such as tertiary amines, and organic acids, for setting the setting time. It may also contain one or more non-reactive additives, intended to optimize the wetting of the wood, chosen in particular from solvents or plasticizers, and other additives intended to adjust the viscosity, such as mineral fillers.
  • thermosetting resin may be carried out at a temperature in the range of 10 to 35 ° C, typically 23 ° C.
  • thermosetting compositions comprising separately the resin and the hardener are commercially available, in particular from the company BOSTIK SA, under the reference EPONAL, in particular EPONAL 371.
  • the curing of the selected thermosetting composition can be carried out at a temperature in the range of 10 to 35 ° C, preferably 20 to 25 ° C, typically 23 ° C.
  • thermosetting composition is applied homogeneously over the entire fixing surface of the wooden module. It is thus possible to obtain a uniform and continuous film.
  • the impregnation of the wood module with the thermosetting composition, in the zone extending from the fixing surface, must be low, in order to preserve the thermosetting composition on the surface of the wooden module and to allow good maintenance of the particles. sand deposited later.
  • 200 to 300 g of a thermosetting composition are applied per m 2 of the fixing surface of the wood module.
  • the thermosetting composition has a Brookfield viscosity, measured at 23 ° C., before its application on the fixing surface, belonging to the range from 2000 to 13000 mPa.s, and preferably ranging from 5500 to 9500 mPa.S .
  • This viscosity corresponds to the initial viscosity after mixing of the various components of the composition: the thermosetting resin and the curing agent and / or the catalyst.
  • the viscosity of the thermosetting composition is measured according to the Brookfield method, and more precisely according to the ISO 2555 standard.
  • thermosetting composition allows it to spread easily on the fastening surface of the wooden module, without being strongly absorbed by the latter.
  • a thickness of thermosetting composition remains on the surface of the wood module, and in particular a thickness belonging to the range of 0.1 to 0.5 mm, and in particular of 0.3 mm, before application of the sand particles. This thickness of thermosetting composition on the surface of the wooden module will ensure a good maintenance sand particles deposited later.
  • the thermoset composition has at 23 ° C a shore D hardness at 7 days of 75 degrees Shore (measured according to the NF EN ISO 868 standard), a tensile strength of at least 30 MPa (measured according to the NF standard). EN ISO 527-1) and a modulus of elasticity of at least 3000 MPa (measured according to standard NF EN ISO 527-1).
  • thermosetting composition and the deposition of the sand particles are carried out in step b) during the practical period of use of the thermosetting composition.
  • thermosetting composition means the time after mixing of the components (resin, hardener and / or catalyst) during which the thermosetting composition can be used, in particular before a significant increase in its viscosity. It is dependent on the temperature of use and is given for a given temperature.
  • the thermosetting composition has a useful life of at least 1 hour at 23 ° C, and preferably 2 to 3 hours at 23 ° C.
  • the sand particles are applied, preferably by spreading, on the fixing surface of the wood module covered with thermosetting composition.
  • the sand particles then become fixed on the surface of the wooden module, thanks to the thermosetting composition present on the fixing surface, which acts as a binder.
  • the sand particles are applied, so as to have finally, on the surface of the obtained treated wood module, sand particles, at least part of their accessible surface is not covered with thermosetting composition, so-called dry zone. This can be achieved in particular by depositing sand particles until the sand is saturated in the thermosetting composition layer 9, as shown in FIG. 1a, or because of the larger particle size of the particles.
  • the sand particles are deposited, preferably in a proportion of 100 to 1000 g of sand particles per m 2 of the fixing surface of the wood module covered with a thermosetting composition, preferably from 200 g / m 2 to 500 g / m 2 , in particular from 200 to 300 g / m 2 and in particular 300 g / m 2 approximately.
  • the sand particles are therefore incorporated into the thermosetting composition layer.
  • the sand particles 10 located on the surface of the fixing zone are only partially coated with thermosetting composition 9, called the dry zone.
  • the sand particles advantageously have a mean diameter D which belongs to the range from 0.1 to 1.2 mm, preferably from 0.4 to 1.0 mm, and in particular is equal to about 0.5 mm.
  • the characterization of the sand granular curve and the average diameter are defined by standard NF EN 933-1.
  • the sand used in step b) contains 30 to 50% by weight of silicates and 5 to 30% by weight of alumina.
  • the sand is abrasive sanding sand, and in particular abrasive sand marketed under the name Rugos 2000.
  • the spreading of the sand particles makes it possible to increase the specific bonding surface, and thus to improve the adhesion and the cohesion between the wooden module and the concrete which will be directly poured on the latter.
  • the presence of uncoated sand particles on the surface of the obtained treated wood module (dry zone) provides roughness, makes it possible to obtain the adhesion of the concrete to the latter, which has no adhesion to the heat-cured composition devoid of sand particles, and a good cohesion between the wood modules and the concrete.
  • the wooden module obtained at the end of step b) is maintained at ambient temperature, and especially at a temperature in the range of 10 to 35 ° C, preferably 20 to 25 ° C, and typically 23 ° C.
  • thermosetting composition comprising sand particles at the temperature in question.
  • the time required for curing depends on the temperature. Typically, at least 24 hours are required at room temperature and up to 48 hours at lower temperatures. This maintenance is preferably conducted in a controlled environment temperature and humidity.
  • thermoset composition layer + sand particles preferably belongs to the range from 0.2 to 1.7 mm, and in particular from 0.6 to 1 mm. This thickness corresponds approximately to the thickness of the thermosetting composition + sand particles layer obtained before curing the thermosetting composition mixture and sand particles.
  • Steps a), b) and c) can be performed on a site different from that of the subsequent steps or on the same site.
  • the wooden module can be prepared, in a discontinuous manner, with respect to the concrete pouring operation of the subsequent step d).
  • step a) It is possible to have different wooden modules in step a) and proceed to the treatment of steps b) and c) on these different modules, separately or simultaneously, if they are assembled.
  • the treated wood modules can be assembled, while casting concrete, in a box to form the framework of the structural element , or subject only to pouring concrete.
  • fresh concrete is then poured onto the module (s) of treated wood (s) during step d).
  • the pouring of the concrete is carried out in such a way that the latter is spread on the fixing surface carrier of the mixture thermoset composition / sand particles.
  • the concrete is also channeled into one or more formwork elements, allowing after hardening of the concrete to obtain a concrete module of the desired shape.
  • the formwork element or elements used are placed against the wooden module thus delimiting a space in which the concrete is poured.
  • the formwork elements are, for example, made of metal plates, wood elements or insulating blocks, polystyrene for example.
  • the method according to the invention therefore does not require any prior phase of shaping the concrete, prefabrication of a concrete module (with additional waiting time), handling of the hardened concrete and then bonding the hardened concrete to the concrete.
  • module (s) in wood The fresh concrete adheres to the wood without mechanical fixation, by the prior application on the surface of the wood module of a thermosetting composition and sand particles, followed by hardening of the thermosetting composition trapping the sand particles.
  • the concrete used in the context of the invention is composed of a mineral or hydrocarbon binder, aggregates and water.
  • the concrete may also include adjuvants such as water-reducing admixtures, silica fume.
  • the binder is a hydraulic binder, and in particular cement.
  • the amount of binder used in the concrete is in particular between 300 and 800 kg / m 3 , preferably about 350 kg / m 3 for a non-fiber-reinforced concrete and about 700 kg / m 3 for a fiber-reinforced concrete with short fibers.
  • the amount of water in the concrete is such that the water / binder weight ratio is in the range of from 0.15 to 0.5, and preferably is about 0.3.
  • the concrete comprises silica fume in an amount ranging from 5 to 15% by weight relative to the total mass of binder.
  • Concrete is called fresh because it is still in the liquid or semi-liquid state. It is applied quickly after mixing the various components which constitute it, and in particular before its thickening which would hinder its casting and thus its subsequent shaping.
  • the concrete further comprises short fibers and / or one or more reinforcing reinforcements, of a metallic and / or composite nature, which can be inserted into the concrete module obtained.
  • the concrete is composed of cement, sand, silica fume, water, a water-reducing adjuvant and short fibers of metallic, mineral, organic and / or composite.
  • a concrete composition advantageously makes it possible to obtain 28-day compressive strengths greater than 100 MPa and a bending tensile strength greater than 15 MPa.
  • This concrete advantageously allows the use of a lesser thickness of concrete to obtain the same mechanical properties, compared to a concrete comprising only hydraulic binder and aggregates.
  • this concrete provides increased inertia, improved rigidity and strength, and greater lightness to the structural element according to the invention, in comparison with the structural elements known in the state of the art.
  • short fibers is meant within the scope of the invention fibers having a length of between 5 and 20 mm.
  • the short fibers have a length of between 8 and 19 mm.
  • the short fibers may be of a metallic, polypropylene or composite nature, whose volume dosages vary between 0.2 and 2% of the volume of concrete.
  • the fibers are metallic in nature with a volume proportion of 1% of the volume of concrete.
  • the reinforcing reinforcement (s) incorporated in the concrete module may be of the same nature as that incorporated into the wooden module.
  • the stiffening reinforcements incorporated in the concrete module are in the form of lattice or reinforcement of high adhesion (HA) metal and / or composite.
  • HA high adhesion
  • stiffening reinforcements are integrated into the concrete module obtained in the end, they are, in general, introduced before pouring the concrete and positioned with wedges: the stiffening reinforcement or reinforcement is then found in the concrete, held by wedges.
  • the last step of the process consists in allowing the fresh concrete which has been poured on the treated wood module to harden.
  • the concrete solidifies and thus forms a concrete module which binds during its formation to the wood module, by hanging on the thermoset composition / sand particles layer at the wood / concrete interface and , according to a preferred embodiment, on the particles of surface sand in the dry part.
  • the presence of the thermoset composition and sand particles at the interface of the wood module and the concrete promotes the bonding of the concrete during its solidification, and thus makes it possible to obtain a very strong connection of the wood module with the module. of concrete thus formed.
  • the curing takes place at a temperature in the range 15 to 35 ° C, especially 23 ° C, for a period of 7h to 24h.
  • the shape of the concrete module is dependent on the formwork element (s) used.
  • the manufacturing method may comprise a step f), subsequent to the step e), of casting and curing of concrete, of a nature different from that used in step d. ).
  • this pouring and hardening of concrete is carried out on the previously made concrete module.
  • thermosetting composition 9 on a fixing surface 2 of a wooden beam 1, in particular of the glued laminated type, applying a thermosetting composition 9 and then spreading sand particles onto said fixing surface 2 covered with thermosetting composition 9,
  • thermoset composition incorporating the sand particles 10
  • the formwork element comprises, of course, an inlet for pourable concrete, not shown,
  • thermoset composition in which sand particles are distributed
  • the invention also relates to a method of manufacturing a treated wood module comprising the following successive steps:
  • thermosetting composition a) providing a wooden module having a fixing surface, b) applying a thermosetting composition to said fixing surface of said wooden module, and then spreading sand particles onto said fixing surface covered with thermosetting composition, and
  • thermosetting composition in which sand particles are incorporated.
  • the wood module, the thermosetting composition, the sand particles, and the steps a), b) and c) are as defined for the method of manufacturing the structural element according to the invention. Structural element and module in treated wood
  • the invention also relates to a structural element obtained by the process according to the invention, as well as the treated wood modules obtained at the end of steps a) to c) of the process according to the invention.
  • the invention relates, more generally, to a structural element comprising at least one wooden module comprising a fastening surface, and at least one concrete module, bonded to said fastening surface of the wooden module via an attachment zone comprising a thermoset composition and sand particles.
  • the attachment zone is located at the wood / concrete interface and is formed of a layer composed of thermoset composition in which sand particles are distributed. Said layer has in particular a thickness in the range from 0.2 to 1.7 mm, and preferably from 0.6 to 1 mm.
  • thermoset particles are distributed in the thermoset composition and, at least some, are partially coated with thermoset composition. These partially coated sand particles of thermoset composition are at the interface with the concrete. Advantageously, they are covered with one side of thermoset composition and the other with concrete.
  • thermoset composition also impregnates the wood module at the surface, in particular at a depth of at least 0.1 mm, and in particular from 0.1 to 0.5 mm, and in particular from 0 to About 3 mm.
  • the wooden module, the concrete module, the thermoset composition and the sand particles are as defined for the method of manufacturing the structural element according to the invention.
  • the structural element according to the invention has improved mechanical performance, a slower momentum and a weight surface area 60% lower than the concrete structural elements known from the state of the art, with similar mechanical performance.
  • the methods and building elements according to the invention are suitable for proposing elements of the panel or beam type, in particular for floorboards or other building applications, capable of crossing spans of 10 m, with preferably spillovers of 1 / 30 of the litter.
  • the structural element may be a beam, a panel, a floor, or a facade.
  • the structural element is a reinforcing beam I as shown in FIG. 3.
  • the dimensions of the reinforcing beam I may be between 90 and 150 mm in width l, between 200 and 800 mm in height H (also called fallout), and between 5 and 20 m in length L (also called range).
  • the reinforcing beam I consists of a wooden beam 1, in particular glued laminated, having a fastening surface 2, a concrete beam 3 bonded to the fastening surface 2 of the wooden beam 1 by a layer 4 composed of thermoset composition in which sand particles are distributed, of thickness e.
  • stiffening armatures 5 corresponding to metal rods positioned in parallel, are inserted into grooves of the wooden beam 1 and positioned on the surface opposite to the fixing surface 2.
  • the stiffening armatures can be positioned on any surface of the wooden beam 1, and in particular both on the fixing surface 2 and on the face opposite to said fixing surface 2, or the wooden beam 1 does not include stiffening reinforcement.
  • the structural element Ha is composed of three beams Ia, Ib and the assemblies parallel to each other on a panel 6, in particular of wood, of type OSB for example, at the level of the opposite face to their attachment surface.
  • Each of the beams 1a, 1b and 1b has a wooden beam (1a, 1b, 1b, respectively), in particular glued laminated wood, provided with stiffening frames (5a, 5b, 5c respectively) and a fixing surface ( 2a, 2b, 2c respectively).
  • a concrete slab 3 ' is bonded to the fastening surfaces 2a, 2b and 2c of the wooden beams 1a, 1b and 1c by a layer (4a, 4b, 4c respectively) composed of thermoset composition in which sand particles are distributed.
  • the concrete slab 3 ' comprises a reinforcing reinforcement, in particular a welded mesh 7.
  • the panel 6 is advantageously connected to the wooden beams 1a, 1b and 1c with screws or metal points on the surface opposite to the fixing surfaces 2a, 2b, 2c after application of the thermosetting composition, sand particles and hardening of the thermosetting composition, and prior to pouring the concrete.
  • the fresh concrete is poured after assembly of the wooden beams and insertion of caissons between the assembled wooden beams.
  • the structural element Ilb is composed of three beams 1a, 1b and the assemblies parallel to each other on a panel 6, in particular made of wood, of the OSB type. for example by screws or metal points, at the opposite surface to their attachment surface, and at the opposite end, on a reinforced concrete slab 8 comprising a stiffening reinforcement, in particular a welded mesh 7.
  • Each beams 1a, 1b and 1b comprise a wooden beam (1a, 1b, 1b, respectively), in particular glued laminated wood, provided with reinforcing armatures (5a, 5b, 5c respectively) and a fixing surface (2a , 2b, 2c respectively), and a concrete beam (3a, 3b, 3c respectively) bonded to the fastening surface (2a, 2b, 2c respectively) of the wooden beam (la, lb, respectively) by a layer (4a, 4b, 4c respectively) composed of thermoset composition s which sand particles are distributed.
  • a first fresh concrete is poured after the insertion of boxes between the wooden beams, so as to obtain the concrete beams (3a, 3b, 3c respectively) after hardening
  • a second fresh concrete is poured on the concrete beams 3a, 3b, 3c, after insertion of other formwork elements, so as to obtain the reinforced concrete slab 8 after hardening of the concrete.
  • the concrete beams 3a, 3b, 3c are found in the mass of the concrete slab 8.
  • the invention also relates to a treated wood module comprising a wooden module comprising a fixing surface with a fixing zone comprising a thermoset composition in which sand particles are distributed and, at least some of said sand particles are partially coated. of thermoset composition.
  • the wooden module, the thermoset composition and the sand particles are as defined for the structural element according to the invention.
  • thermosetting composition may, advantageously, be an epoxy resin, in particular, two-component and / or the sand may, in particular, contain from 30 to 50% m / m silicate and 5 to 30% m / m alumina.
  • the average diameter D of the sand particles is in the range from 0.1 to 1.2 mm, and in particular is equal to about 0.5 mm.
  • the wooden module is covered with thermoset composition, in particular with a thickness in the range from 0.1 to 0.5 mm, and in particular 0.3 mm.
  • thermoset composition On the surface of the obtained treated wood module are sand particles of which at least a portion of their accessible surface is not covered with thermoset composition (called dry zone).
  • the invention also relates to the use of at least one structural element according to the invention for producing at least part of a building (individual houses, collective dwellings or industrial, school or commercial buildings, freestanding floors, facades, etc.) or a structure (bridges, footbridges, etc.). Examples of a building (individual houses, collective dwellings or industrial, school or commercial buildings, freestanding floors, facades, etc.) or a structure (bridges, footbridges, etc.). Examples
  • the PI beam is made of wood
  • the beams P2, P3, P4, P5, P6 and P7 are mixed beams made of wood and concrete. The different combinations are referenced in Table 1 below.
  • the beam PI consists solely of glue-laminated wood, and includes no concrete, stiffening reinforcement, thermoset composition, or sand particles.
  • the beams P2, P3 and P6 were manufactured according to the method of the invention, and each comprise a laminated timber beam bonded with 10 mm diameter high-adhesion type metal passive stiffening reinforcements (HA10) on which a beam in concrete was cast after application of a thermosetting composition of epoxy type (sold by BOSTIK SA under the reference Eponal 371, Brookfield viscosity 5500 mPa.S), sand particles (200 g / m 2 sand abrasive sand). RUGOS type 2000) and hardening of said thermosetting composition incorporating said sand particles for 7 to 72 hours at 20 ° C.
  • epoxy type sold by BOSTIK SA under the reference Eponal 371, Brookfield viscosity 5500 mPa.S
  • sand particles 200 g / m 2 sand abrasive sand
  • the concrete beams of beams P2 and P3 contain short metal fibers and have a compressive strength greater than 100 MPa.
  • the beam P2 comprises a concrete beam
  • the beam P3 comprises two concrete beams.
  • the concrete beam of the P6 beam does not include short fibers and has a compressive strength of 40 MPa.
  • Fresh concrete is allowed to cure for 24 hours at 20 ° C.
  • the cast concrete in the case of the P6 beam comprises 350 kg of Portiand cement, 850 kg of sand with a grain size of 0-4, 1020 kg of rolled gravels with a grain size of 4-11 and 190 L of water. Fresh concrete is allowed to cure for 24 hours at 20 ° C.
  • the beam P4 comprises two concrete beams, one poured and glued according to the method according to the invention and the other prefabricated and bonded as described in document EP 2 231 946.
  • the two concrete beams have in the end a resistance in compression greater than 100 MPa, and comprise short metal fibers.
  • the concrete beam in the upper part of the glulam beam is glued according to the process described in patent EP 2 231 946.
  • the second concrete beam is cast and glued on the lower zone of the wooden beam according to the method of the invention.
  • the thermosetting composition used is of the epoxy resin type (sold by the company BOSTIK SA under the reference Eponal 371, Brookfield viscosity 5500 mPa ⁇ s). 200 g of abrasive sand per m 2 of fixing surface (RUGOS 2000 type) are applied by spreading. The thermosetting composition is allowed to cure for 7 to 72 hours at 20 ° C.
  • the beam P5 is a beam made as in the patent
  • the concrete beam of the P5 beam has a compressive strength greater than 100 MPa, and includes short metal fibers.
  • the precast concrete beam is bonded to the glulam beam glued on either side of the wooden beam with a thermosetting epoxy resin composition (sold by the company BOSTIK SA under the reference EPONAL 371, of Brookfield viscosity 5500 mPa.S) and sand particles (200 g abrasive sand of the RUGOS 2000 type per m 2 of fixing surface).
  • the beam P7 comprises a laminated timber beam bonded with passive metal stiffening reinforcements of the HA10 type whose attachment surface is covered with a layer of SIKADUR® 30 filled epoxy adhesive (used in applications EP 2 232 946 and WO 2010 / 055227), on which is cast a concrete beam after hardening of the glue.
  • SIKADUR® 30 filled epoxy adhesive used in applications EP 2 232 946 and WO 2010 / 055227
  • the pouring of fresh concrete is carried out on the fixing surface of the treated wooden beams, after the installation of one or more formwork elements (of dimensions adapted to the dimensions of the beams cast concrete) against the wooden beam to delimit a space in which the concrete is poured.
  • the study was also completed by tests on 2 panels 8 m long, 1.20 m wide and 0.283 m high, consisting of 3 glued laminated timber beams, on which a concrete compression table was casting according to the process according to the invention (Table 2).
  • the panel Pan 1 has a compression table composed of a conventional non-fiber concrete, according to Figure 3a.
  • the second Pan 2 panel is composed of a non-bundled concrete compression table assembled to the beams provided with a fiber reinforced concrete board, according to Figure 3b.
  • thermosetting composition used in the manufacture of Pan 1 and Pan 2 is an epoxy resin (Eponal 371 from BOSTIK SA, Brookfield viscosity 5500 mPa.S). Abrasive sand (200 g per m 2 of fixing surface, RUGOS 2000 type) is applied by spreading, according to the method of the invention.
  • thermosetting stiffening (mm)
  • a four-point bending test is carried out on the various structures manufactured in Example 1. This test consists in stressing the beams in a static and monotonous manner in 4-point bending until they break.
  • the stress of the beam is achieved by applying a force applied via a hydraulic cylinder of 500 kN capacity.
  • the arrow of the beam in the middle under the application of the force is measured by a displacement sensor.
  • the instrumentation adopted makes it possible to continuously collect the applied force as well as the mid-span boom.
  • FIG. 8 shows the mechanical behavior of the beams P6 and P7 under the moment-curvature graph.
  • the breaking loads of the new beams are increased by 300%, the displacements divided by 4. Therefore, the pouring of fresh concrete on SIKADUR® 30 (epoxy composition loaded with silica sand of maximum diameter 0.04 mm and viscosity high) as used in applications WO 2010/055227 and EP 2 231 946 (P7) does not provide adhesion between fresh concrete and wood.
  • SIKADUR® 30 epoxy composition loaded with silica sand of maximum diameter 0.04 mm and viscosity high
  • the comparative test illustrated in FIG. 8 demonstrates that pouring fresh concrete on Sikadur® 30 results in slippage between the wood and the concrete once cured. It is not possible to eliminate the step of prefabrication of concrete in the applications WO 2010/055227 and EP 2 231 946.
  • the treatment of the wood according to the process of the present invention allows, on the other hand, the suppression of this step of manufacturing.
  • the structures according to the invention P2, P3 and P6 thus have superior mechanical performance in comparison with the structures known in the state of the art, of wood type (PI), wood / concrete assembled by bonding concrete hardened on wood according to patent applications WO 2010/055227 and EP 2 231 946 (P4 and P5), or using a glue not according to the invention (P7).
  • PI wood type
  • P4 and P5 wood / concrete assembled by bonding concrete hardened on wood according to patent applications WO 2010/055227 and EP 2 231 946
  • P7 glue not according to the invention

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément de structure comprenant au moins un module en bois et au moins un module en béton liés entre eux par l'intermédiaire d'une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie dans lequel des particules de sable sont réparties, ainsi qu'un tel élément de structure mixte bois-béton, ainsi qu'un module en bois traité pour la réalisation d'un tel élément de structure et son procédé de fabrication.

Description

ELEMENTS DE STRUCTURE EN BOIS ET BETON ET PROCEDE DE FABRICATION
L'invention concerne le domaine technique des éléments de construction. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments de structure comprenant au moins un module en béton et au moins un module en bois préalablement traité avec une composition thermodurcie et du sable, un tel élément de structure mixte bois-béton, ainsi qu'un module en bois traité pour la réalisation d'un tel élément de structure et son procédé de fabrication.
Les éléments de structure mixtes bois-béton sont connus et très utilisés dans le domaine de la construction, car ils sont mécaniquement performants et présentent l'avantage d'être faciles à mettre en œuvre. Les éléments de structures mixtes bois-béton permettent d'augmenter les capacités portantes des ouvrages en utilisant le béton comme table de compression et élément raidisseur, et le bois comme élément léger reprenant les efforts de traction. Il s'agit de solutions bien adaptées aux portées supérieures à 5 m. En particulier, de telles structures se substituent, de plus en plus, aux planchers bois traditionnels et aux planchers en béton.
Les éléments de structure mixtes bois-béton diffèrent, les unes des autres, principalement en raison de leur mode de fixation du béton sur le bois.
Parmi les modes de fixation les plus répandus, on peut en particulier mentionner l'emploi de connecteurs métalliques vissés dans le bois, associé à un coulage du béton sur le site de construction. Les inconvénients associés à ce type de fixation sont les délais de réalisation des connecteurs, la déformation du bois lors du coulage du béton, et le coût très élevé de fabrication. Par ailleurs, l'utilisation de connecteurs ne permet pas d'assurer une connexion satisfaisante entre la partie bois et la partie béton, ce qui conduit à une altération des propriétés mécaniques. De plus, les retombées (correspondant à la hauteur de l'élément) sont importantes.
Pour répondre à ces problématiques, le collage a été décrit comme mode de fixation alternatif. On peut notamment citer le brevet EP 2 231 946 qui décrit la fabrication d'une structure porteuse bois / béton comprenant une étape (i) de réalisation d'une plaque de béton fibré ultra performant, une étape (ii) de ponçage d'une première face de la plaque de béton, une étape (iii) d'enduction d'une colle époxy des faces de fixation des poutres en bois et de la plaque de béton et une étape (iv) de collage des poutres sur le béton. On peut également citer la demande WO 2010/055227 qui décrit un procédé de fabrication d'un élément de structure comprenant une étape (i) d'encollage d'au moins deux modules en béton ultra hautes performances à l'aide d'une colle structurale, une étape (ii) d'assemblage et collage de modules de béton avec au moins un module en bois, et une étape (iii) de pressage.
Ces procédés nécessitent donc la fabrication préalable de modules en béton, avant l'étape de collage avec le module en bois. Ces procédés de fabrication présentent ainsi l'inconvénient d'être longs à mettre en œuvre, notamment en raison de la préfabrication du béton et de l'étape de mise sous presse. De plus, il existe un risque de fissuration non négligeable du module en béton, lors de sa manutention avant l'étape de collage et d'assemblage avec le module en bois.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'un élément de structure de type bois/béton, dit élément de structure mixte bois/béton, qui soit simple et rapide de mise en œuvre, et ce tout en améliorant, les propriétés mécaniques dudit élément de structure telles que la portée, la résistance, la rigidité en flexion et/ou la charge ultime.
Dans le cadre de l'invention, les Demandeurs proposent de réaliser un traitement de surface préalable d'un module en bois, autorisant un coulage du béton directement sur le module en bois ainsi traité, ceci permettant de fabriquer de manière simple et rapide un élément de structure ayant de bonnes performances mécaniques.
L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'un élément de structure formé d'au moins un module en bois et d'au moins un module en béton comprenant les étapes successives a) à e) suivantes : a) fournir au moins un module en bois comportant une surface de fixation,
b) appliquer, sur ladite surface de fixation dudit module en bois, une composition thermodurcissable, puis répandre des particules de sable sur ladite surface de fixation recouverte de composition thermodurcissable,
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable, d) couler du béton frais sur la surface de fixation dudit module en bois ainsi traité obtenu à l'étape c), et
e) laisser durcir le béton frais qui a été coulé sur ledit module en bois traité, de manière à former le module en béton, tout en assurant sa liaison au module en bois.
Le procédé selon l'invention présente l'avantage, par rapport aux procédés connus de l'état de l'art, d'être plus simple et plus rapide de mise en œuvre et moins onéreux. Le procédé selon l'invention présente également l'avantage de permettre le coulage du béton en usine de préfabrication ou directement sur le site d'utilisation de l'élément de structure. La réalisation préalable d'élément en béton, avec le risque que ces derniers soient altérés ou déformés, avant d'être liés aux éléments en bois, est évitée. Enfin, le procédé selon l'invention laisse la possibilité de combiner plusieurs types de béton, afin d'utiliser au mieux leurs performances individuelles.
Le procédé selon l'invention présente avantageusement l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes, ou une combinaison de deux ou plusieurs de ces caractéristiques, lorsqu'elles ne s'excluent pas l'une l'autre :
- la composition thermodurcissable est appliquée sur toute la surface de fixation de l'élément en bois avant application des particules de sable, de manière à obtenir un film uniforme et continu, de préférence, de 0,1 à 0,5 mm d'épaisseur, soit environ 0,3 mm,
- la composition thermodurcissable est appliquée à l'étape b), de manière à obtenir avant application des particules de sable, une imprégnation du module en bois sur une épaisseur d'au moins 0,1 mm et notamment sur une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, en particulier de 0,3 mm. Il est possible que la composition thermodurcissable soit appliquée jusqu'à saturation du module en bois
- à l'issue de l'étape b), après répartition des particules de sable, au moins une partie de la surface accessible des particules de sable est non recouverte de composition thermodurcissable,
- le diamètre moyen D des particules de sable appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2 mm, de préférence de 0,4 à 1,0 mm, et notamment est égal à 0,5 mm environ,
- la composition thermodurcissable est une résine époxy, en particulier une résine époxy dite bicomposante,
- la composition thermodurcissable a une viscosité Brookfield mesurée à 23 °C, avant son application sur la surface de fixation, appartenant à la gamme allant de 2000 à 13000 mPa.s, et de préférence allant de 5500 à 9500 mPa.s,
- le module en bois comporte une ou plusieurs armatures de rigidification, de préférence de nature métallique et/ou composite,
- le module en bois est en bois lamellé collé ou en bois massif,
- les particules de sable sont appliquées jusqu'à obtenir 100 à 1000 g de particules de sable par m2 de surface de fixation du module en bois couverte de composition thermodurcissable, de préférence de 200 à 500 g/m2, et en particulier de 200 à 300 g/m2,
- le sable contient 30 à 50% m/m de silicate et 5 à 30% m/m d'alumine,
- le durcissement de la composition thermodurcissable est obtenu à l'étape c), par maintien à une température appartenant à la gamme allant de 10 à 35 °C, de préférence de 20 à 25 °C, pendant une période de 12 à 48 heures,
- le coulage du béton à l'étape d) est réalisé sur différents modules de bois assemblés en caisson, résultant des étapes a) à c), et
- le béton est composé d'au moins un liant, constitué, de préférence, de ciment, de sable, de fumée de silice, d'eau, d'un adjuvant réducteur d'eau et éventuellement de fibres courtes, notamment de nature métallique, minérale, organique et/ou composite.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un module en bois traité comprenant les étapes successives suivantes :
a) fournir un module en bois comportant une surface de fixation, b) appliquer, sur ladite surface de fixation dudit module en bois, une composition thermodurcissable, puis répandre des particules de sable sur ladite surface de fixation recouverte de composition thermodurcissable,
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable.
L'invention concerne également les éléments de structure et les modules en bois traités obtenus par les procédés selon l'invention.
L'invention concerne, également, un élément de structure comprenant au moins un module en bois comportant une surface de fixation, et au moins un module en béton, lié à ladite surface de fixation du module en bois par l'intermédiaire d'une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties, avec au moins certaines desdites particules de sable qui sont partiellement enrobées de composition thermodurcie. De manière avantageuse, lesdites particules de sable partiellement enrobées de composition thermodurcie sont recouvertes d'un côté de composition thermodurcie et de l'autre de béton.
Les éléments de structures selon l'invention ne présentent pas les inconvénients de l'art antérieur susmentionnés. En particulier, l'emploi combiné d'une composition thermodurcissable et de particules de sable permet d'éviter les déformations du bois avant le durcissement du béton. De plus, l'assemblage avec des éléments en béton préconstitués pouvant être fissurés est évitée. Les éléments de structure selon l'invention possèdent des propriétés mécaniques améliorées, et en particulier une résistance, une rigidité en flexion et/ou une charge ultime améliorées par rapport aux structures connues de l'état de l'art. De manière avantageuse, ces propriétés mécaniques améliorées permettent de réduire l'épaisseur des matériaux utilisés, et d'obtenir des éléments de structure plus légers à propriétés mécaniques équivalentes.
L'invention concerne également un module en bois traité comprenant un module en bois comportant une surface de fixation avec une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie dans lequel des particules de sable sont réparties et, au moins certaines, desdites particules de sable sont partiellement enrobées de composition thermodurcie.
Dans les éléments de structures et les modules en bois traités selon l'invention, de manière avantageuse, la composition thermodurcissable est une résine époxy et/ou le sable contient, en particulier, de 30 à 50% m/m de silicate et 5 à 30% m/m d'alumine. De manière préférée, le diamètre moyen D des particules de sable appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2 mm, de préférence de 0,4 à 1,0 mm, et notamment est égal à 0,5 mm environ. De préférence, au niveau de la zone de fixation, le module en bois est recouvert d'une composition thermodurcie, formant un film d'une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm. De manière préférée, au niveau de la zone de fixation, le module en bois est imprégné en surface de composition thermodurcie, notamment sur une profondeur d'au moins 0,1 mm, et notamment de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm environ.
Enfin, l'invention concerne également l'utilisation d'au moins un élément de structure conforme à l'invention pour la réalisation d'au moins une partie d'un bâtiment (maisons individuelles, bâtiments collectifs, scolaires, commerciaux ou industriels, planchers autoporteurs, façades etc.) ou d'un ouvrage (ponts, passerelles, etc.).
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
Dans le cadre de l'invention, « environ » signifie égal à la valeur donnée, plus ou moins 10%, de préférence plus ou moins 5%.
Les figures la et lb sont des vues schématiques en coupe de modules en bois traités conformes à l'invention. La figure 2 est un schéma du procédé de fabrication d'un élément de structure conforme à l'invention.
La figure 3 est une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un élément de structure sous forme de poutre conforme à l'invention.
Les figures 4a et 4b sont des vues schématiques en coupe d'exemples de réalisation d'un élément de structure sous forme de plancher conforme à l'invention.
La figure 4c est une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un élément de structure sous forme de plancher conforme à l'invention.
La figure 5 représente les courbes charge-déplacement de différentes structures testées.
La figure 6 représente les courbes moment-courbure de différentes structures testées.
La figure 7 représente les courbes de glissement horizontal entre le béton et le bois de différentes structures testées.
La figure 8 représente les limites en service de différentes structures testées.
Procédé de fabrication d'un élément de structure mixte bois- béton
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément de structure formé d'au moins un module en bois et d'au moins un module en béton comprenant les étapes successives suivantes :
a) fournir au moins un module en bois comportant une surface de fixation,
b) appliquer, sur ladite surface de fixation dudit module en bois, une composition thermodurcissable, puis répandre des particules de sable sur ladite surface de fixation recouverte de composition thermodurcissable,
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable, d) couler du béton frais sur ledit module en bois ainsi traité obtenu à l'étape c), et
e) laisser durcir le béton frais qui a été coulé sur ledit module en bois traité, de manière à former le module en béton, tout en assurant sa liaison au module en bois.
Par « élément de structure », on entend un élément porteur qui assure l'intégrité d'une construction (bâtiment, ouvrage, etc.) et le maintien des éléments non structuraux (équipement, garnissage ; etc.). Un élément de structure permet le transfert des différentes forces appliquées à la construction jusqu'au sol. Il permet d'assurer à la construction sa solidité et sa stabilité. Il est généralement soumis à des contraintes très importantes. Un élément de structure peut, par exemple, être une poutre, un panneau, une façade ou un plancher autoporteur.
L'élément de structure selon l'invention ne comprend pas d'organe de connexion mécanique, en particulier de connecteur métallique ou en matériau composite, assurant la liaison entre le béton et le module en bois.
Par « module », on entend une pièce en bois ou en béton.
Par « bois », on entend au sens de l'invention des bois massifs structuraux (pièces de bois sciées à partir de grumes ou de pièces de bois de plus grandes dimensions permettant de supporter les forces appliquées à une structure les comprenant), des bois contrecollés, du bois lamellé collé, ou du bois reconstitué (pièce en bois obtenue par aboutage et collage de bois massif)-
Par « grume », on entend un arbre abattu, ébranché et encore couvert d'écorce.
De préférence, le module en bois est du bois lamellé collé.
En particulier, un module en bois mis en œuvre dans le cadre de l'invention se présente sous forme d'un panneau ou d'une poutre.
Selon un mode de réalisation, le module en bois comporte une ou plusieurs armatures de rigidification, afin de renforcer ledit module en bois et améliorer sa résistance. Une ou plusieurs armature(s) de rigidification peut (peuvent) être positionnée(s) en surface de ce dernier, notamment insérée(s) dans une ou plusieurs rainures aménagées en surface du module en bois. En particulier, une ou plusieurs armature(s) de rigidification peut (peuvent) être disposée(s) dans une ou plusieurs rainures aménagées sur la face tendue du module en bois.
Par « face tendue », on entend la face opposée à la face du module en bois sur laquelle se trouve la surface de fixation.
La ou les armature(s) de rigidification peut (peuvent) être passive(s) ou précontra inte(s).
Dans le cadre de l'invention, on entend par « armature de rigidification passive » une armature de rigidification complémentaire non mise en tension artificiellement dans le module et déposée dans la rainure du bois sans précontrainte.
Dans le cadre de l'invention, on entend par « armature de rigidification précontrainte », une armature de rigidification mise en tension, par opposition à une armature de rigidification passive, avant insertion dans le module en bois.
En complément, de manière avantageuse, une ou plusieurs armatures de rigidification est (sont) présente(s) en surface de la zone de fixation, servant d'armatures passives, notamment lorsque le module en bois est destiné à être associé à un module de béton non fibré. Cela permet de garantir une conformité suivant l'Eurocode 2 préconisant un taux minimal d'armature de 0,4 % dans toutes structures en béton. Dans le cas d'un béton fibré, ces armatures ne sont plus nécessaires.
Lorsque la ou les armatures de rigidification sont précontraintes, la précontrainte est, de préférence, appliquée avant le coulage du béton.
Lorsqu'une ou plusieurs armatures de rigidification sont positionnées en surface d'un module en bois, elles peuvent être collées, par tout type de colle appropriée. Avantageusement, la ou les armatures de rigidification sont collées, notamment dans une ou plusieurs rainures aménagées en surface du module en bois avec une composition thermodurcissable. Une composition thermodurcissable pouvant être utilisée pour coller les armatures de rigidification est la composition thermodurcissable telle que définie dans le cadre de l'invention, utilisée pour la liaison du module en bois avec le béton. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer les compositions thermodurcissables de la gamme EPONAL de BOSTIK SA, tel que ΓΕΡΟΝΑΙ_ 316 DE TH, l'EPONAL 380 ou l'EPONAL 371, ou toute autre composition thermodurcissable connue de l'homme de l'art.
La ou les armatures de rigidification peuvent être de nature métallique, par exemple de type Haute Adhérence (HA), ou en matériau composite, par exemple en matériau polymère renforcé de fibres de verre et/ou de carbone.
Selon un mode de réalisation, plusieurs modules en bois sont assemblés, préalablement à l'étape b), par exemple en caisson, pour former l'ossature de l'élément de structure, dans l'attente de l'application de la composition thermodurcissable et des particules de sable. Selon un autre mode de réalisation, même si ils sont destinés à être ensuite assemblés, ils sont soumis seuls au traitement des étapes b) et c).
Le module en bois comporte une surface de fixation. Cette surface de fixation s'étend, de préférence, sur toute une face du module en bois. La surface de fixation ne nécessite pas d'étape de ponçage préalable à l'application de ladite composition thermodurcissable.
Avantageusement, la composition thermodurcissable :
a une viscosité initiale (notamment après mélange de la résine et de son durcisseur ou catalyseur) moyenne, et est en particulier liquide à température ambiante avant son application,
- a une bonne adhérence sur le bois et sur les surfaces minérales comme le sable,
- durcit à température ambiante dans un délai de 12 à 48 h,
- est insensible aux solutions fortement alcalines comme le béton liquide,
- a une résistance à long terme au contact d'un matériau alcalin, et - a de bonnes propriétés mécaniques.
Parmi les compositions thermodurcissables pouvant être utilisées dans le cadre de l'invention, on peut notamment citer les compositions bicom posantes, et en particulier les compositions de résines époxy bicom posantes.
La composition thermodurcissable est dite bicomposante, car elle est obtenue par mélange d'une part d'une composition de résine thermodurcissable, et d'autre part d'une composition d'un agent durcisseur et/ou un catalyseur autorisant son durcissement à la température de mise en œuvre.
La composition de résine thermodurcissable peut comprendre ou être constituée de tout type de résine liquide à la température ambiante de mise en œuvre, en particulier choisie parmi les résines époxy, notamment les dérivés de type diglycidyl ether de bisphénol A, de bisphénol F, et leur mélanges. La composition de résine époxy thermodurcissable pourra aussi contenir des modifiants de type diluants réactifs, de type glycidyl éther d'alcool aliphatique mono ou multi fonctionnel, et particulier les dérivés d'alcool gras en C12-C14, en C13-C15, de 1,4 butanediol, de 1,6 hexanediol, de polyoxypropylene. La composition de résine époxy peut aussi contenir d'autres additifs tels que des charges minérales destinées à modifier sa viscosité et son adhésion sur le bois.
La composition d'agent durcisseur peut contenir tout type d'agent réactif avec les résines époxy à la température de mise en œuvre, et en particulier à température ambiante, , et notamment choisi parmi des aminés aliphatiques, ou cycloaliphatiques portant des fonctions primaires et/ou secondaires, des polyamides, des polyamido-amines et leurs mélanges. Elle peut aussi contenir un ou plusieurs agents de type accélérateur ou catalyseur, tels que des aminés tertiaires, et des acides organiques, destinés à régler le temps de prise. Elle peut aussi contenir des un ou plusieurs additifs non réactifs, destinés à optimiser le mouillage du bois, notamment choisi(s) parmi des solvants ou des plastifiant, et d'autres additifs visant à ajuster la viscosité tels que des charges minérales.
De manière avantageuse, le durcissement de la résine thermodurcissable sélectionnée pourra intervenir à une température dans la gamme allant de 10 à 35 °C, typiquement à 23°C. De telles compositions thermodurcisables comprenant séparément la résine et le durcisseur sont disponibles commercialement, notamment auprès de la société BOSTIK SA, sous la référence EPONAL, notamment l'EPONAL 371.
De manière avantageuse, le durcissement de la composition thermodurcissable sélectionnée pourra intervenir à une température dans la gamme allant de 10 à 35 °C, de préférence de 20 à 25 °C, typiquement à 23°C.
De préférence, à l'étape b), la composition thermodurcissable est appliquée, de manière homogène, sur toute la surface de fixation du module en bois. Il est ainsi possible d'obtenir un film uniforme et continu.
L'imprégnation du module en bois par la composition thermodurcissable, dans la zone s'étendant à partir de la surface de fixation, doit être faible, afin de conserver de la composition thermodurcissable en surface du module en bois et permettre un bon maintien des particules de sable ultérieurement déposées. En particulier, 200 à 300 g d'une composition thermodurcissable sont appliqués par m2 de surface de fixation du module de bois.
De préférence, la composition thermodurcissable a une viscosité Brookfield, mesurée à 23 °C, avant son application sur la surface de fixation, appartenant à la gamme allant de 2000 à 13000 mPa.s, et de préférence allant de 5500 à 9500 mPa.S. Cette viscosité correspond à la viscosité initiale après mélange des différents composants de la composition : de la résine thermodurcissable et de l'agent durcisseur et/ou du catalyseur. Dans le cadre de l'invention, la viscosité de la composition thermodurcissable est mesurée selon la méthode Brookfield, et plus précisément selon la norme ISO 2555.
Ainsi, la viscosité de la composition thermodurcissable permet à celle-ci de s'étaler aisément sur la surface de fixation du module en bois, sans être fortement absorbée par ce dernier. Une épaisseur de composition thermodurcissable reste à la surface du module de bois, et notamment une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm, avant application des particules de sable. Cette épaisseur de composition thermodurcissable à la surface du module en bois permettra d'assurer un bon maintien des particules de sable déposées ultérieurement.
De préférence, la composition thermodurcie présente à 23 °C une dureté shore D à 7 jours de 75 degrés shore (mesurée selon la norme NF EN ISO 868), une résistance à la traction d'au moins 30 MPa (mesurée selon la norme NF EN ISO 527-1) et un module d'élasticité d'au moins 3000 MPa (mesuré selon la norme NF EN ISO 527-1).
De manière classique, l'application de la composition thermodurcissable et le dépôt des particules de sable sont réalisés à l'étape b) pendant la durée pratique d'utilisation de la composition thermodurcissable.
Par « durée pratique d'utilisation » ou DPU d'une composition thermodurcissable, on entend la durée après mélange des composants (résine, durcisseur et/ou catalyseur) pendant laquelle la composition thermodurcissable peut être mise en œuvre, avant notamment une augmentation importante de sa viscosité. Elle est dépendante de la température d'utilisation et est donnée pour une température donnée.
De préférence, la composition thermodurcissable a une durée pratique d'utilisation d'au moins 1 heure à 23 °C, et de préférence allant de 2 à 3 heures à 23 °C.
A l'étape b), les particules de sable sont appliquées, de préférence par épandage, sur la surface de fixation du module en bois couvert de composition thermodurcissable. Les particules de sable viennent alors se fixer en surface du module en bois, grâce à la composition thermodurcissable présente sur la surface de fixation, qui agit comme un liant. De manière avantageuse, les particules de sable sont appliquées, de sorte à avoir au final, en surface du module de bois traité obtenu, des particules de sable dont au moins une partie de leur surface accessible n'est pas recouverte de composition thermodurcissable, dite zone sèche. Ceci peut être obtenu notamment grâce à un dépôt de particules de sable 10 jusqu'à saturation du sable dans la couche de composition thermodurcissable 9, comme illustré Figure la, ou encore, du fait de la taille plus importante des particules de sable 10 par rapport à l'épaisseur de la couche de composition thermodurcissable 9 présente en surface du module de bois 1, comme illustré Figure lb. Par saturation, on entend que le dépôt de sable est réalisé en quantité telle qu'ensuite, le sable ne s'accroche plus sur la composition thermodurcissable présente en surface. En particulier, les particules de sable sont déposées, de préférence à raison de 100 à 1000 g de particules de sable par m2 de surface de fixation du module en bois couverte de composition thermodurcissable, de préférence de 200 g/m2 à 500 g/m2, en particulier de 200 à 300 g/m2 et notamment 300 g/m2 environ . Les particules de sable viennent donc s'incorporer dans la couche de composition thermodurcissable. Comme il est apparent à la figure la ou lb, les particules de sable 10 situées en surface de la zone de fixation ne sont que partiellement enrobées de composition thermodurcissable 9, dite zone sèche.
Dans le cadre de l'invention, les particules de sable ont avantageusement un diamètre moyen D qui appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2 mm, de préférence de 0,4 à 1,0 mm, et notamment est égal à 0,5 mm environ. La caractérisation de la courbe granulaire du sable et le diamètre moyen sont définies par la norme NF EN 933-1.
Avantageusement, le sable utilisé à l'étape b) contient de 30 à 50% en masse de silicates et de 5 à 30% en masse d'alumine. Selon un mode particulier de réalisation, le sable est du sable abrasif de sablage, et notamment le sable abrasif commercialisé sous le nom Rugos 2000.
L'épandage des particules de sable permet d'augmenter la surface spécifique de collage, et ainsi d'améliorer l'adhérence et la cohésion entre le module en bois et le béton qui va être directement coulé sur ce dernier. La présence de particules de sable non enrobées à la surface du module de bois traité obtenu (zone sèche) apporte de la rugosité, permet d'obtenir l'adhésion du béton sur ces dernières, lequel ne présente aucune adhésion sur la composition thermodurcie dépourvue de particules de sable, et une bonne cohésion entre les modules de bois et le béton. Le module en bois obtenu à l'issue de l'étape b) est maintenu à température ambiante, et notamment à une température dans la gamme allant de 10 à 35°C, de préférence de 20 à 25 °C, et typiquement 23°C, pendant le temps nécessaire au durcissement de la composition thermodurcissable comprenant des particules de sable, à la température considérée. Le temps nécessaire au durcissement dépend de la température. Typiquement, au moins 24 heures sont nécessaires à température ambiante et jusqu'à 48 heures pour des températures plus faibles. Ce maintien est, de préférence, mené dans un environnement contrôlé en température et en humidité.
A l'issue de l'étape c), on obtient donc sur la surface de fixation du module en bois, une couche composée de composition thermodurcie et de particules de sable. En particulier, l'épaisseur de la couche de composition thermodurcie + particules de sable appartient de préférence à la gamme allant de 0,2 à 1,7 mm, et en particulier de 0,6 à 1 mm. Cette épaisseur correspond environ à l'épaisseur de la couche composition thermodurcissable + particules de sable obtenue avant le durcissement du mélange de composition thermodurcissable et de particules de sable.
Les étapes a), b) et c) peuvent être réalisées sur un site différent de celui des étapes ultérieures ou sur le même site. Notamment, le module en bois peut être préparé, de façon discontinue, par rapport à l'opération de coulage du béton de l'étape subséquente d).
Il est possible de disposer de différents modules en bois à l'étape a) et de procéder aux traitements des étapes b) et c) sur ces différents modules, de manière séparée ou simultanée, si ces derniers sont assemblés.
A l'issue de l'étape c) et préalablement à l'étape d), les modules en bois traités peuvent être assemblés, dans l'attente du coulage du béton, en caisson pour former l'ossature de l'élément de structure, ou soumis seuls au coulage du béton.
Selon le procédé de l'invention, du béton frais est ensuite coulé sur le(s) module(s) en bois traité(s) lors de l'étape d). Le coulage du béton est réalisé de manière à ce que ce dernier se répande sur la surface de fixation porteuse du mélange composition thermodurcie/particules de sable. Lors du coulage, le béton est également canalisé dans un ou plusieurs éléments de coffrage, permettant après durcissement du béton d'obtenir un module de béton de la forme souhaitée. Le ou les éléments de coffrage utilisés sont placés contre le module en bois délimitant ainsi un espace dans lequel le béton est coulé. Les éléments de coffrage sont, par exemple, constitués avec des plaques métalliques, des éléments bois ou en blocs isolants, en polystyrène par exemple.
Le procédé selon l'invention ne nécessite donc aucune phase préalable de mise en forme du béton, de préfabrication d'un module de béton (avec un temps d'attente supplémentaire), de manutention du béton durci puis de collage du béton durci sur le(s) module(s) en bois. Le béton frais adhère au bois sans fixation mécanique, grâce à l'application préalable sur la surface du module de bois d'une composition thermodurcissable et de particules de sable, suivi du durcissement de la composition thermodurcissable venant piéger les particules de sable.
Le coulage du béton peut avoir lieu directement sur le site d'utilisation de l'élément de structure, selon toute technique connue de l'état de l'art.
Le béton utilisé dans le cadre de l'invention est composé d'un liant minéral ou hydrocarboné, de granulats et d'eau. Le béton peut également comprendre des adjuvants tels que des adjuvants réducteurs d'eau, de la fumée de silice.
De préférence, le liant est un liant hydraulique, et en particulier du ciment. La quantité de liant utilisé dans le béton est, notamment, comprise entre 300 et 800 kg/m3, de préférence est de 350 kg/m3 environ pour un béton non fibré et de 700 kg/m3 environ pour un béton fibré avec des fibres courtes.
De préférence, la quantité d'eau dans le béton est telle que le rapport massique eau/liant appartient à la gamme allant de 0,15 à 0,5, et de préférence est égale à environ 0,3. De préférence, le béton comprend de la fumée de silice en une quantité appartenant à la gamme allant de 5 à 15% en masse par rapport à la masse totale de liant.
Le béton est qualifié de frais, car il est encore à l'état liquide ou semi- liquide. Il est appliqué rapidement après mélange des différents composants qui le constitue, et en particulier avant son épaississement qui gênerait sa coulée et donc sa mise en forme ultérieure.
Selon un mode de réalisation préféré, le béton comprend en outre des fibres courtes et/ou une ou plusieurs armatures de rigidification, de nature métallique et/ou composite, lesquelles peuvent être insérées dans le module de béton obtenu.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le béton est composé de ciment, de sable, de fumée de silice, d'eau, d'un adjuvant réducteur d'eau et de fibres courtes de nature métallique, minérale, organique et/ou composite. Une telle composition de béton permet, avantageusement, d'obtenir des résistances à la compression à 28 jours supérieures à 100 MPa et une résistance à la traction par flexion supérieure à 15 MPa. Ce béton permet avantageusement l'emploi d'une épaisseur moindre de béton pour obtenir les mêmes propriétés mécaniques, comparées à un béton ne comprenant que du liant hydraulique et des granulats.
De manière avantageuse, ce béton confère une inertie accrue, une rigidité et une résistance améliorées, et une plus grande légèreté à l'élément de structure selon l'invention, en comparaison aux éléments de structure connus dans l'état de l'art.
Par « fibres courtes », on entend dans le cadre de l'invention des fibres ayant une longueur comprise entre 5 et 20 mm. Avantageusement, dans le cadre de l'invention, les fibres courtes ont une longueur comprise allant de 8 à 19 mm.
Les fibres courtes peuvent être de nature métallique, polypropylène ou composite, dont les dosages en volume varient entre 0,2 et 2 % du volume de béton. De préférence, les fibres sont de nature métallique avec un dosage en volume de 1% du volume de béton. La ou les armature(s) de rigidification incorporée(s) dans le module en béton peuvent être de même nature que celle(s) incorporée(s) dans le module en bois.
De préférence, les armatures de rigidification incorporées au module de béton se présentent sous la forme de treillis ou d'armature de nature haute adhérence (HA) métallique et/ou composite.
Dans le cas où une ou plusieurs armatures de rigidification sont intégrées au module de béton obtenu au final, celles-ci sont, en général, introduites avant le coulage du béton et positionnées à l'aide de cales : la ou les armatures de rigidification se trouvent alors dans le béton, retenues par des cales.
Enfin, la dernière étape du procédé consiste à laisser durcir le béton frais qui a été coulé sur le module en bois traité. Lors de cette étape de durcissement, le béton se solidifie et forme ainsi un module en béton qui se lie lors de sa formation au module en bois, par accrochage sur la couche composition thermodurcie/particules de sable située à l'interface bois/béton et, selon un mode de réalisation préféré, sur les particules de sable de surface en partie sèche. La présence de la composition thermodurcie et des particules de sable à l'interface du module de bois et du béton favorise l'accrochage du béton lors de sa solidification, et permet ainsi d'obtenir une liaison très résistante du module de bois avec le module de béton ainsi formé.
De préférence, le durcissement intervient à une température appartenant à la gamme 15 à 35°C, notamment à 23°C, pendant une durée de 7h à 24h. On obtient ainsi simultanément la formation du module de béton et sa liaison au(x) module(s) de bois. La forme du module de béton est dépendante du ou des éléments de coffrage utilisés.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de fabrication peut comprendre une étape f), subséquente à l'étape e), de coulage puis durcissement de béton, d'une nature différente de celui utilisé à l'étape d). En particulier, ce coulage et durcissement de béton est réalisé sur le module de béton précédemment réalisé. En référence à la figure 2, un procédé de fabrication d'une poutre de renforcement I conforme à l'invention comprend les étapes suivantes :
- sur une surface de fixation 2 d'une poutre en bois 1, notamment du type lamellé collé, appliquer, une composition thermodurcissable 9, puis répandre des particules de sable 10 sur ladite surface de fixation 2 recouverte de composition thermodurcissable 9,
- obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable, de sorte à obtenir une couche 4 de composition thermodurcie incorporant les particules de sable 10,
- positionner un élément de coffrage 11 contre la poutre en bois 1, de manière à délimiter, avec la surface de fixation recouverte du mélange composition thermodurcie/particules de sable, un espace dans lequel le béton sera coulé ; l'élément de coffrage comporte, bien entendu, une entrée pour le béton à couler, non représentée,
- couler le béton frais 12 dans l'espace ainsi délimité et donc notamment sur la surface de fixation 2 de la poutre en bois 1 recouverte d'une couche 4 de composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties, et
- laisser durcir le béton frais qui a été coulé de manière à former un module en béton 3 tout en assurant sa liaison à la poutre en bois et enlever l'élément de coffrage 11.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un module en bois traité comprenant les étapes successives suivantes :
a) fournir un module en bois comportant une surface de fixation, b) appliquer, sur ladite surface de fixation dudit module en bois, une composition thermodurcissable, puis répandre des particules de sable sur ladite surface de fixation recouverte de composition thermodurcissable, et
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable dans laquelle sont incorporées des particules de sable. Le module en bois, la composition thermodurcissable, les particules de sable, ainsi que les étapes a), b) et c) sont tels que définis pour le procédé de fabrication de l'élément de structure selon l'invention. Elément de structure et module en bois traité
L'invention concerne également un élément de structure obtenu par le procédé selon l'invention, ainsi que les modules en bois traités obtenus à l'issue des étapes a) à c) du procédé selon l'invention.
L'invention concerne, de manière plus générale, un élément de structure comprenant au moins un module en bois comportant une surface de fixation, et au moins un module en béton, lié à ladite surface de fixation du module en bois par l'intermédiaire d'une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie et des particules de sable. La zone de fixation se situe à l'interface bois/béton et est formée d'une couche composée de composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties. Ladite couche a notamment une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,2 à 1,7 mm, et de préférence de 0,6 à 1 mm.
Les particules de sable sont réparties dans la composition thermodurcie et, au moins certaines, sont partiellement enrobées de composition thermodurcie. Ces particules de sable partiellement enrobées de composition thermodurcie se trouvent à l'interface avec le béton. De manière avantageuse, elles sont recouvertes d'un côté de composition thermodurcie et de l'autre de béton.
Au niveau de la zone de fixation, la composition thermodurcie imprègne également en surface le module en bois, notamment sur une profondeur d'au moins 0,1 mm, et notamment de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm environ.
Le module en bois, le module en béton, la composition thermodurcie et les particules de sable sont tels que définis pour le procédé de fabrication de l'élément de structure selon l'invention.
Avantageusement, l'élément de structure selon l'invention a des performances mécaniques améliorées, un élancement plus faible et un poids surfacique inférieur de 60 % aux éléments de structure en béton connus de l'état de l'art, à performances mécaniques similaires.
Les procédés et éléments de construction selon l'invention sont adaptés pour proposer des éléments du type panneau ou poutre, notamment pour plancher ou d'autres applications en bâtiment, susceptibles de franchir des portées de 10 m, avec de préférence des retombées de 1/30 de la portée.
L'élément de structure peut être une poutre, un panneau, un plancher, ou une façade.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'élément de structure est une poutre de renforcement I telle que représentée en figure 3. Les dimensions de la poutre de renforcement I peuvent être comprises entre 90 et 150 mm en largeur l, entre 200 et 800 mm en hauteur H (également nommée retombée), et entre 5 et 20 m en longueur L (également nommée portée).
La poutre de renforcement I est constituée d'une poutre en bois 1, notamment lamellé collé, ayant une surface de fixation 2, d'une poutre en béton 3 liée à la surface de fixation 2 de la poutre en bois 1 par une couche 4, composée de composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties, d'épaisseur e.
Selon le mode de réalisation représenté à la figure 3, des armatures de rigidification 5 correspondant à des tiges métalliques positionnées parallèlement, sont insérées dans des rainures de la poutre en bois 1 et positionnées sur la surface opposée à la surface de fixation 2. Selon d'autres modes de réalisation non représentés à la figure 3, les armatures de rigidification peuvent être positionnées sur n'importe quelle surface de la poutre en bois 1, et notamment à la fois sur la surface de fixation 2 et sur la face opposée à ladite surface de fixation 2, ou bien la poutre en bois 1 ne comprend pas d'armature de rigidification.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention représenté en figure 4a et 4c, l'élément de structure Ha est composé de trois poutres la, Ib et le assemblées parallèlement les unes aux autres sur un panneau 6, notamment en bois, de type OSB par exemple, au niveau de la face opposée à leur surface de fixation. Chacune des poutres la, Ib et le comporte une poutre en bois (la, lb, le respectivement), notamment en bois lamellé collé, munie d'armatures de rigidification (5a, 5b, 5c respectivement) et d'une surface de fixation (2a, 2b, 2c respectivement). Une dalle en béton 3' est liée aux surfaces de fixation 2a, 2b et 2c des poutres en bois la, lb et le par une couche (4a, 4b, 4c respectivement) composée de composition thermodurcie dans laquelle sont réparties des particules de sable. La dalle en béton 3' comprend une armature de rigidification, notamment un treillis soudé 7. Le panneau 6 est avantageusement lié aux poutres en bois la, lb et le avec des vis ou des pointes métalliques à la surface opposée aux surfaces de fixation 2a, 2b, 2c après application de la composition thermodurcissable, des particules de sable et durcissement de la composition thermodurcissable, et préalablement au coulage du béton. Le béton frais est coulé après assemblage des poutres en bois et insertion de caissons entre les poutres en bois assemblées.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention représenté en figure 4b, l'élément de structure Ilb est composé de trois poutres la, lb et le assemblées parallèlement les unes aux autres sur un panneau 6, notamment en bois, de type OSB par exemple par des vis ou des pointes métalliques, au niveau de la face opposée à leur surface de fixation, et, à l'extrémité opposée, sur une dalle de béton armé 8 comprenant une armature de rigidification, notamment un treillis soudé 7. Chacune des poutres la, lb et le comporte une poutre en bois (la, lb, le respectivement), notamment en bois lamellé collé, munie d'armatures de rigidification (5a, 5b, 5c respectivement) et d'une surface de fixation (2a, 2b, 2c respectivement), et une poutre en béton (3a, 3b, 3c respectivement) liée à la surface de fixation (2a, 2b, 2c respectivement) de la poutre en bois (la, lb, le respectivement) par une couche (4a, 4b, 4c respectivement) composée de composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties. Pour cela, un premier béton frais est coulé après l'insertion de caissons entre les poutres en bois, de sorte à obtenir les poutres en béton (3a, 3b, 3c respectivement) après durcissement, puis un second béton frais est coulé, sur les poutres en béton 3a, 3b, 3c, après insertion d'autres éléments de coffrage, de sorte à obtenir la dalle de béton armé 8 après durcissement du béton. Les poutres en béton 3a, 3b, 3c se retrouvent prisent dans la masse de la dalle de béton 8.
L'invention concerne également un module en bois traité comprenant un module en bois comportant une surface de fixation avec une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties et, au moins certaines, desdites particules de sable sont partiellement enrobées de composition thermodurcie.
Le module en bois, la composition thermodurcie et les particules de sable sont tels que définis pour l'élément de structure selon l'invention.
En particulier, la composition thermodurcissable pourra, de manière avantageuse, être une résine époxy, en particulier, bicomposante et/ou le sable pourra, en particulier, contenir de 30 à 50% m/m de silicate et 5 à 30% m/m d'alumine. De manière préférée, le diamètre moyen D des particules de sable appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2 mm, et notamment est égal à 0,5 mm environ. De préférence, au niveau de la zone de fixation, le module en bois est recouvert de composition thermodurcie, notamment avec une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm.
En surface du module de bois traité obtenu se trouvent des particules de sable dont au moins une partie de leur surface accessible n'est pas recouverte de composition thermodurcie (dite zone sèche).
Enfin, l'invention concerne également l'utilisation d'au moins un élément de structure conforme à l'invention pour la réalisation d'au moins une partie d'un bâtiment (maisons individuelles, logements collectifs ou bâtiments industriels, scolaires ou commerciaux, planchers autoporteurs, façades, etc.) ou d'un ouvrage (ponts, passerelles, etc.). Exemples
Exemple 1 : Préparation de structures mixtes bois/ béton
Six poutres ont été fabriquées : la poutre PI est en bois, et les poutres P2, P3, P4, P5, P6 et P7 sont des poutres mixtes en bois et béton. Les différentes combinaisons sont référencées dans le tableau 1 ci-dessous.
La poutre PI est uniquement constituée de bois de type lamellé collé, et ne comprend ni béton, ni d'armature de rigidification, ni de composition thermodurcie, ni de particules de sable.
Les poutres P2, P3 et P6 ont été fabriquées selon le procédé de l'invention, et comprennent chacune une poutre en bois lamellé collé avec des armatures de rigidification passives métalliques de type Haute Adhérence de diamètre 10 mm (HA10) sur laquelle une poutre en béton a été coulée après application d'une composition thermodurcissable de type époxy (commercialisée par la société BOSTIK SA sous la référence Eponal 371, de viscosité Brookfield 5500 mPa.S), de particules de sable (200 g/m2 de sable abrasif de type RUGOS 2000) et durcissement de ladite composition thermodurcissable incorporant lesdites particules de sable pendant 7 à 72h à 20 °C.
Les poutres en béton des poutres P2 et P3 contiennent des fibres courtes métalliques et ont une résistance en compression supérieure à 100 MPa. La poutre P2 comprend une poutre en béton, tandis que la poutre P3 comporte deux poutres en béton. La poutre en béton de la poutre P6 ne comprend pas de fibres courtes et a une résistance en compression égale à 40 MPa. Le béton frais est laissé durcir pendant 24 h à 20 °C. Le béton coulé dans le cas de la poutre P6 comprend 350 kg de ciment Portiand, 850 kg de sable de granulométrie 0-4, 1020 kg de graviers roulés de granulométrie 4-11 et 190 L d'eau. Le béton frais est laissé durcir pendant 24 h à 20 °C.
La poutre P4 comprend deux poutres en béton, l'une coulée et collée selon le procédé selon l'invention et l'autre préfabriquée et collée comme décrit dans le document EP 2 231 946. Les deux poutres en béton ont au final une résistance en compression supérieure à 100 MPa, et comportent des fibres courtes métalliques. La poutre béton en partie supérieure de la poutre en bois lamellé collé est collée selon le procédé décrit dans le brevet EP 2 231 946. La seconde poutre béton est coulée et collée sur la zone inférieure de la poutre en bois selon le procédé de l'invention. La composition thermodurcissable employée est de type résine époxy (commercialisé par la société BOSTIK SA sous la référence Eponal 371, de viscosité Brookfield 5500 mPa.S). 200 g de sable abrasif par m2 de surface de fixation (de type RUGOS 2000) sont appliqués par épandage. La composition thermodurcissable est laissée durcir pendant 7 à 72h à 20 °C.
La poutre P5 est une poutre réalisée comme dans le brevet
EP 2 231 946, où tous les éléments sont préfabriqués et assemblés à l'état durci, mais avec un traitement de surface conforme aux étapes b) et c) du procédé selon l'invention. La poutre en béton de la poutre P5 a une résistance en compression supérieure à 100 MPa, et comprend des fibres courtes métalliques. La poutre en béton préfabriquée est collée à la poutre en bois lamellé collé, de part et d'autre de la poutre en bois avec une composition thermodurcissable de type résine époxy (commercialisé par la société BOSTIK SA sous la référence EPONAL 371, de viscosité Brookfield 5500 mPa.S) et des particules de sable (200 g de sable abrasif de type RUGOS 2000 par m2 de surface de fixation).
La poutre P7 comprend une poutre en bois lamellé collé avec des armatures de rigidification passives métalliques de type HA10 dont la surface de fixation est couverte d'une couche de colle époxy chargée SIKADUR® 30 (utilisée dans les demandes EP 2 232 946 et WO 2010/055227), sur laquelle est coulée une poutre en béton après durcissement de la colle. L'objectif est d'évaluer s'il est possible de supprimer l'étape de préfabrication du béton des procédés décrits dans les demandes EP 2 232 946 et WO 2010/055227.
Pour les poutres P2 à P4, P6 et P7, le coulage du béton frais est réalisé sur la surface de fixation des poutres en bois traitées, après la mise en place d'un ou plusieurs élément de coffrage (de dimensions adaptées aux dimensions des poutres en béton à couler) contre la poutre en bois pour délimiter un espace dans lequel le béton est coulé. L'étude a également été complétée par des essais sur 2 panneaux de 8 m de long, 1,20 m de large et 0,283 m de haut, constitué de 3 poutres bois en lamellé collé, sur lesquelles une table de compression en béton a été coulée conformément au procédé selon l'invention (Tableau 2).
Le panneau Pan 1 possède une table de compression composée d'un béton non fibré classique, selon la figure 3a.
Le second panneau Pan 2 est composé d'une table de compression en béton non fibré assemblée aux poutres munies d'une planche de béton fibré, selon la figure 3b.
La composition thermodurcissable utilisée dans la fabrication de Pan 1 et Pan 2 est une résine époxy (Eponal 371 de société BOSTIK SA, de viscosité Brookfield 5500 mPa.S). Du sable abrasif (200 g par m2 de surface de fixation, de type RUGOS 2000) est appliqué par épandage, selon le procédé de l'invention.
Tableau 1.
Position de la
Poutre en bois Armatures de Composition Poutre en béton
Poutre surface de Sable Procédé utilisé
(mm) rigidification thermodurcissable (mm)
fixation
lamellé collé
PI
80x240 / / / / /
P2 selon surface béton fibré
invention l'invention supérieure 1 poutre 80x40
P3 selon
invention l'invention
Poutre sup : surface préfabriquées
RUGOS 2000 béton fibré
P4 supérieure et Eponal 371 puis collées lamellé collé 200 g/m2 2 poutres 80x20
HA10 inférieure Poutre inf : 80x200
invention
2 poutres
P5 préfabriquées puis collées
P6 selon
surface béton non fibré invention l'invention
supérieure 1 poutre 80x70
Sikadur® 30 Béton coulé
P7 / puis durci
Tableau 2.
Panneau Poutres en Armatures de Position de la Composition Béton
Sable
bois (mm) rigidification surface de fixation thermodurcissable (mm)
1 panneau en béton non fibré
Panl
1200x70 lamellé collé 3 x surface RUGOS 2000 (selon la figure 3a)
HA10 Eponal 371
3 x 80x200 supérieure 200 g/m2 3 poutres en béton fibré (80x40) + 1
Pan2 table de compression béton (selon la figure
3b)
Exemple 2 : évaluation des propriétés mécaniques des structures mixtes bois/ béton
Un essai de flexion quatre points est réalisé sur les différentes structures fabriquées à l'exemple 1. Cet essai consiste à solliciter les poutres de manière statique et monotone en flexion 4 points jusqu'à leur rupture. La sollicitation de la poutre est réalisée par application d'un effort appliqué par l'intermédiaire d'un vérin hydraulique de 500 kN de capacité. La flèche de la poutre en son milieu sous l'application de l'effort est mesurée par un capteur de déplacement. L'instrumentation adoptée permet de recueillir en continu l'effort appliqué ainsi que la flèche à mi-travée.
Les résultats des essais en flexion réalisés sur les différentes structures sont rapportés dans le tableau 3 ci-dessous.
Tableau 3.
Figure imgf000031_0001
Ces résultats montrent que les performances des structures comprenant les poutres mixtes bois/béton selon l'invention (P2, P3 , P6) sont améliorées par rapport à la poutre en bois lamellé collé de référence (PI) et par rapport aux poutres selon le brevet EP 2 231 946 (P4 et P5), qu'il s'agisse des charges à la rupture Qusqu'à 82% de gain) ou du comportement en service caractérisé par une rigidité sensiblement supérieure et un niveau de dégradation substantiellement différé (Figures 5 et 6). Le taux de travail (déformation et contrainte) des structures selon l'invention est significativement augmenté (entre 15% et 80%) par rapport à une structure de bois lamellé collé.
De plus, les courbes de glissement horizontal entre le bois et le béton, représentées en figure 7, montrent la bonne adhérence entre le bois et le béton, pour la poutre P6 selon l'invention, contrairement à ce qui est observé par la poutre P7 hors l'invention utilisant une autre colle, et donc sans application d'une composition thermodurcissable puis du sable, comme dans l'invention.
La figure 8 montre le comportement mécanique des poutres P6 et P7 sous la représentation graphique moment-courbure. Les charges à la rupture des nouvelles poutres sont augmentées de 300 %, les déplacements divisés par 4. Par conséquent, le coulage de béton frais sur SIKADUR® 30 (composition époxy chargé de sable de silice de diamètre maximal 0,04 mm et de viscosité élevée) tel qu'utilisé dans les demandes WO 2010/055227 et EP 2 231 946 (P7) ne permet pas d'obtenir une adhérence entre le béton frais et le bois. Une fois durci, l'essai comparatif illustré par la figure 8 démontre que couler du béton frais sur du Sikadur® 30 conduit à un glissement entre le bois et le béton une fois durci. Il n'est pas possible de supprimer l'étape de préfabrication du béton dans les demandes WO 2010/055227 et EP 2 231 946. Le traitement du bois selon le procédé de la présente invention permet, par contre, la suppression de cette étape de fabrication.
Les structures selon l'invention P2, P3 et P6 présentent donc des performances mécaniques supérieures en comparaison aux structures connues dans l'état de l'art, de type bois (PI), bois/béton assemblés par collage de béton durci sur bois selon les demandes de brevet WO 2010/055227 et EP 2 231 946 (P4 et P5), ou en utilisant une colle non conforme à l'invention (P7).

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de fabrication d'un élément de structure (I) formée d'au moins un module en bois (1) et d'au moins un module en béton (3) comprenant les étapes successives suivantes :
a) fournir au moins un module en bois (1) comportant une surface de fixation (2),
b) appliquer, sur ladite surface de fixation (2) dudit module en bois (1), une composition thermodurcissable (9), puis répandre des particules de sable (10) sur ladite surface de fixation (2) recouverte de composition thermodurcissable (9),
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable, d) couler du béton frais (12) sur la surface de fixation (2) dudit module en bois ainsi traité obtenu à l'étape c), et
e) laisser durcir le béton frais qui a été coulé sur ledit module en bois traité, de manière à former le module en béton (3), tout en assurant sa liaison au module en bois (1).
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition thermodurcissable est appliquée à l'étape b), de manière à obtenir avant application des particules de sable, une imprégnation du module en bois sur une épaisseur d'au moins 0,1 mm et notamment sur une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, en particulier de 0,3 mm.
3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'issue de l'étape b), après répartition des particules de sable, au moins une partie de la surface accessible des particules de sable est non recouverte de composition thermodurcissable.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le diamètre moyen D des particules de sable (10) appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2mm, de préférence de 0,4 à 1,0 mm, et de notamment est égal à 0,5 mm environ.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composition thermodurcissable (9) est une résine époxy, en particulier bicomposante. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la composition thermodurcissable (9) a une viscosité Brookfield, mesurée à 23 °C avant son application sur la surface de fixation, appartenant à la gamme allant de 2000 à 13000 mPa.s, et notamment allant de 5500 à 9500 mPa.S.
7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la composition thermodurcissable est appliquée à l'étape b) sur la surface de fixation dudit module en bois de manière à former un film d'une épaisseur appartenant à la gamme allant de 0,1 à 0,5 mm, et notamment de 0,3 mm environ.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le module en bois (1) comporte une ou plusieurs armatures de rigidification, de préférence de nature métallique et/ou composite.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le module en bois (1) est en bois lamellé collé ou en bois massif.
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les particules de sable (10) sont appliquées jusqu'à obtenir 100 à 1000 g de particules de sable par m2 de surface de fixation du module en bois couverte de composition thermodurcissable, de préférence de 200 à 500 g/m2, et en particulier de 200 à 300 g/m2.
11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le sable contient 30 à 50% m/m de silicate et 5 à 30% m/m d'alumine.
12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 11, caractérisé en ce que le durcissement de la composition thermodurcissable est obtenu à l'étape c) par maintien à une température appartenant à la gamme allant de 10 à 35 °C, de préférence de 20 à 25 °C, pendant une période de 12 à 48 heures.
13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le coulage du béton à l'étape d) est réalisé sur différents modules de bois assemblés en caisson, résultant des étapes a) à c). 14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le béton est composé d'au moins un liant, constitué, de préférence, de ciment, de sable, de fumée de silice, d'eau, d'un adjuvant réducteur d'eau et éventuellement de fibres courtes, notamment de nature métallique, minérale, organique et/ou composite.
15 - Elément de structure (I) obtenu par le procédé selon l'une quelconque de revendications 1 à 14.
16 - Elément de structure (I) comprenant au moins un module en bois (1) comportant une surface de fixation (2), et au moins un module en béton (3), lié à ladite surface de fixation dudit module en bois par l'intermédiaire d'une zone de fixation comprenant un composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties, avec au moins certaines desdites particules de sable étant partiellement enrobées de composition thermodurcie.
17 - Module en bois traité comprenant un module en bois comportant une surface de fixation avec une zone de fixation comprenant une composition thermodurcie dans laquelle des particules de sable sont réparties et, au moins certaines, desdites particules de sable sont partiellement enrobées de composition thermodurcie.
18 - Elément de structure selon la revendication 16 ou module de bois traité selon la revendication 17, caractérisé en ce que la composition thermodurcissable est une résine époxy, en particulier bicomposante.
19 - Elément de structure ou module en bois traité selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que le sable contient 30 à 50% m/m de silicate et 5 à 30% m/m d'alumine.
20 - Elément de structure ou module en bois traité selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que le diamètre moyen D des particules de sable appartient à la gamme allant de 0,1 à 1,2 mm, de préférence de 0,4 à 1,0 mm, et notamment est égal à 0,5 mm environ. 21 - Elément de structure ou module en bois traité selon l'une des revendications 16 à 20, caractérisé en ce qu'au niveau de la zone de fixation, le module en bois est imprégné en surface de composition thermodurcie, notamment sur une profondeur d'au moins 0,1 mm, et notamment de 0,1 à 0,5 mm, et en particulier de 0,3 mm environ.
22 - Procédé de fabrication d'un module en bois traité comprenant les étapes successives suivantes :
a) fournir un module en bois comportant une surface de fixation, b) appliquer, sur la surface de fixation dudit module en bois, une composition thermodurcissable, puis répandre des particules de sable sur ladite surface de fixation recouverte de composition thermodurcissable, et
c) obtenir le durcissement de la composition thermodurcissable.
23 - Module en bois traité obtenu par le procédé selon la revendication 22.
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