Dans la construction moderne, les poutres en bois demeurent un élément structural fondamental, utilisé dans tout, des planchers résidentiels et des fermes de toit aux ponts en bois de grande taille et aux bâtiments commerciaux en bois lourd. Bien que beaucoup d'attention soit accordée à la compression, à la tension et aux contraintes de flexion, une force souvent négligée peut causer des dommages importants est la torsion. La torsion survient lorsqu'un faisceau est soumis à un moment de torsion qui le fait tourner autour de son axe longitudinal.

La physique de la torsion : ce qui arrive à l'intérieur d'un faisceau

La torsion est un moment (torque) appliqué sur l'axe d'un élément, généralement généré par la charge excentrique, les éléments incurvés ou les contraintes latérales. Lorsqu'un faisceau est tordu, les contraintes de cisaillement se développent dans toute la section. Dans un faisceau circulaire, la contrainte de cisaillement maximale se produit à la surface extérieure et diminue linéairement vers le centre. Pour les poutres rectangulaires, la répartition de la contrainte est plus complexe, avec des pics aux points médians des longs côtés. La rigidité torsionnelle d'un faisceau est définie par son module de cisaillement (G) et le moment polaire d'inertie (J) pour les sections circulaires, ou la constante de torsion (K) pour les formes non circulaires.

L'équation fondamentale pour la contrainte de cisaillement torsionnelle dans un matériau isotrope linéaire est:

τ = T × r / J

Dans le bois, cependant, le module de cisaillement diffère selon les axes radiaux, tangentiels et longitudinal. Cette anisotropie signifie que la charge torsion peut induire non seulement des contraintes de cisaillement mais aussi des contraintes de traction perpendiculaires au grain, que le bois résiste mal. Par conséquent, la défaillance commence souvent comme une division ou une fissure le long du grain plutôt que comme un rendement de cisaillement lisse.

Comment la torsion affecte les faisceaux de bois

Lorsque la torsion dépasse la capacité du bois, plusieurs effets néfastes peuvent survenir :

  • Twisting and forping:[ Le faisceau peut tourner en permanence, provoquant un désalignement des éléments supportés tels que les solives, les planches de pont ou les vitrages. Cela peut entraîner des problèmes de fonctionnement comme des planchers inégaux, des portes qui collent ou des finitions fissurées.
  • Fraçage et fractionnement longitudinaux :[ Les contraintes de cisaillement parallèles au grain peuvent faire séparer le bois le long des anneaux de croissance ou autour des noeuds. Ces fissures réduisent la coupe transversale efficace et concentrent la contrainte, accélérant la défaillance.
  • Capacité de charge réduite: La torsion se combine avec d'autres forces internes (tendance, cisaillement, axial) pour produire un état de contrainte multiaxial. L'interaction peut abaisser la résistance globale du faisceau, en particulier en compression près des supports.
  • La délamination dans les éléments collés:[ Les produits en bois de génie tels que le bois laminé collé (glulam) ou le bois laminé croisé (CLT) dépendent de liens adhésifs forts.
  • Boulement et instabilité:[ De longues poutres minces sous flexion combinée et torsion peuvent subir des flambements latéraux-torsionnels – un déplacement latéral soudain qui peut provoquer l'effondrement sans avertissement préalable.

Dans les cas extrêmes, une torsion excessive peut entraîner une rupture complète du faisceau, mettant en danger la structure et ses occupants.

Facteurs influençant le comportement torsionnel

Forme et taille de la section transversale

La forme de la section transversale du faisceau affecte de façon spectaculaire sa rigidité torsionnelle et sa répartition de la contrainte. La section transversale circulaire a la plus grande efficacité torsionnelle car elle permet au matériau de fonctionner uniformément en cisaillement. Les sections rectangulaires ou carrées subissent des déformations importantes (déformation hors plan) et développent des contraintes de pointe plus élevées. Pour une zone donnée, un faisceau circulaire peut résister environ deux fois le couple d'un faisceau carré avant d'atteindre la même contrainte de cisaillement maximale.

La déformation est un concept important : dans les sections non circulaires, les sections transversales ne restent pas planes sous torsion. Cette déformation induit des contraintes normales supplémentaires (tension axiale/compression) dans les brides des poutres en forme de I ou les bords des poutres rectangulaires profondes. Pour le bois, ces contraintes de distorsion peuvent dépasser la résistance à la traction perpendiculaire au grain et causer une division aux extrémités.

Espèces de bois et classement

Les bois d'oeuvre comme le chêne, l'érable et les cendres ont généralement un module de cisaillement et une résistance plus élevés que les bois résineux comme le pin, le sapin ou l'épinette. Cependant, même au sein d'une espèce, la présence de bois juvénile, de bois de réaction (bois de compression ou de tension) et la largeur des anneaux de croissance affectent les propriétés mécaniques.

La densité est un bon prédicteur : les bois plus denses ont tendance à avoir une plus grande résistance au cisaillement. Mais la densité seule est insuffisante parce que l'orientation des grains, la pente des grains et la taille des noeuds influencent fortement les performances.

Teneur en eau et conditions environnementales

Les changements de teneur en eau provoquent un gonflement et un rétrécissement, ce qui peut entraîner des contraintes internes qui exacerbent la torsion. Au fur et à mesure que le bois sèche, il devient plus rigide et plus fort en cisaillement, mais si le séchage est irrégulier ou rapide, les contrôles de surface se développent. Ces contrôles servent de facteurs de contrainte sous charge torsionnelle. Inversement, le bois très humide a réduit la résistance et le module.

Défauts et dommages accidentels

Un noeud qui traverse la largeur du faisceau interrompt le grain, forçant le cisaillement à s'écarter autour du défaut – en localisant les fortes contraintes. De même, une grande fraction le long du faisceau peut réduire de plus de la moitié sa rigidité torsionnelle efficace. Pendant la construction, une manipulation inappropriée (p. ex., chute, clouage ou forage dans les zones vulnérables) peut causer des dommages qui causent ultérieurement une défaillance torsion sous charge de service.

Conditions de soutien et restrictions aux frontières

La façon dont un faisceau est supporté régit la façon dont la torsion est transférée dans le reste de la structure. Un faisceau simplement supporté avec des extrémités libres offre peu de retenue torsionnelle; le faisceau peut se torsionner facilement si des charges déséquilibrées sont appliquées. Des supports fixes ou continus, comme ceux avec des connexions moment ou des supports de siège profonds, peuvent limiter partiellement ou complètement la rotation de l'extrémité. Cependant, la retenue elle-même crée des réactions qui doivent être conçues pour. Par exemple, un faisceau encadré dans une colonne d'acier avec connexion boulonnée peut transmettre le couple à la colonne, potentiellement surcontraint la bande ou les brides de la colonne.

Dans de nombreuses structures en bois, la torsion est atténuée par la présence d'un gaine (p. ex., sous-sol en contreplaqué, plafond en planche de gypse) qui fournit un support latéral. Lorsque le gaine est fixé au dessus ou au bas des poutres, il crée un diaphragme qui résiste aux torsions. La rigidité du diaphragme, déterminée par l'épaisseur du panneau, l'espacement de la fixation et le roulement, peut réduire le couple effectif en le distribuant aux éléments adjacents.

Stratégies de conception pour atténuer la torsion

Sélection et mise en page des faisceaux

La première ligne de défense contre la torsion consiste à choisir des poutres avec une rigidité et une force de torsion adéquates. Utilisez des sections transversales aussi profondes que pratiques pour l'échelle, car la rigidité torsion augmente avec le cube de profondeur pour les poutres rectangulaires (bien que la torsion devienne plus importante). Préférez les sections circulaires ou carrées lorsque la torsion est une préoccupation de conception primaire.

Renforcement et armature

Lorsque la torsion ne peut être évitée, on peut ajouter des renforts:

  • Les sangles métalliques enveloppées autour du faisceau à intervalles, ou les tiges de tension installées en diagonale, peuvent résister à la séparation des fibres et empêcher leur fractionnement.
  • Les blocs de bois solides installés entre les poutres aux supports empêchent la rotation finale. Le brouillage croisé (connecteurs diagonaux) entre les poutres aide également à répartir les charges torsiales.
  • Poutres renforcées en feuilles:[ Dans le bois d'oeuvre, des barres ou des angles en acier renforcés en fibre de verre peuvent être intégrés ou époxynés dans des rainures pour augmenter la capacité de cisaillement.
  • Places à travers et plaques de cisaillement:[ Aux connexions où se développent de grands couples (p. ex., poutres en cantilever, éléments incurvés), les boulons à travers avec de grandes rondelles ou plaques de cisaillement peuvent aider à transférer la torsion sans écraser le bois.

Détail de la connexion

Pour les poutres supportées par des colonnes ou des poutres, spécifiez des connecteurs qui assurent une contrainte torsionnelle sans surcontrainte. Par exemple, un cintre de type selle qui coupe les côtés du faisceau peut empêcher la rotation, tandis qu'un cintre de sommet simple permet une certaine rotation.

Lorsque la torsion est induite par des charges excentriques (par exemple, un faisceau supportant un balcon en cantilever ou une barre de maintien), désactivez les points de support pour aligner la trajectoire de charge sur l'axe du faisceau. Si cela n'est pas possible, ajoutez un faisceau secondaire ou une étrave pour porter le moment déséquilibré à un diaphragme ou à un cadre rigide.

Protection de l'humidité et de l'environnement

Les variations d'humidité provoquent des changements dimensionnels qui aggravent la torsion, protègent les poutres de bois contre l'exposition directe aux intempéries. Utilisez des surplombs, des gouttières et des scellants. Pour les poutres dans des milieux humides ou humides, spécifiez le bois traité avec des conservateurs ou modifié thermiquement.

Normes de conformité et de conception du code

La plupart des codes du bâtiment (BIC, codes du bâtiment en Europe, Canada, etc.) ne prévoient pas explicitement de dispositions relatives à la conception de torsion pour les poutres en bois, sauf si le faisceau fait partie d'un système à bras courbé ou à bras nominal. Toutefois, la norme nationale de conception (NDS) pour la construction en bois aux États-Unis comprend une section sur les contraintes combinées, et la norme canadienne CSA O86 offre des conseils sur la torsion en bois.

Exemples de torsion dans les structures en bois du monde réel

Ponts en bois

Les ponts en bois subissent souvent la torsion du chargement des camions d'un côté ou de la force du vent. Un mode de rupture classique est la division des longerons aux supports en raison du cisaillement torsionnel combiné avec la flexion. Les modèles modernes utilisent des poutres de plancher à bras latéraux et le pont continu pour transférer la torsion sur toute la largeur du pont.

Pergolas et structures extérieures

Si les colonnes de support ne sont pas alignées verticalement ou si le faisceau n'est raccordé qu'à sa face supérieure, la torsion peut se développer. De nombreuses défaillances de pergola commencent par une torsion progressive du faisceau, suivie d'une division longitudinale. Il est essentiel de raccorder correctement les poutres aux colonnes avec des supports métalliques qui s'attachent à la section transversale complète.

Cantiles de gluten

Les poutres en glum utilisées pour les toits ou les balcons en cantilever sont particulièrement vulnérables. La charge excentrique de la partie en cantilevered produit un couple au support. Un cas notable dans un complexe sportif canadien a vu un faisceau de glum développer de grandes fissures longitudinales après une tempête de neige parce que les raccordements de cintres ne retenaient pas les extrémités du faisceau.

Sujets avancés: Torsion dans les produits en bois

Pour le CLT, les contraintes de cisaillement intercouches de la torsion peuvent causer une délamination si l'adhésif est faible ou si le panneau est soumis à une torsion élevée. Dans les poutres LVL, les placages fins alignent le grain, ce qui les rend plus susceptibles de se diviser le long des lignes de colle. La compréhension du module de cisaillement du matériau par l'essai (par exemple, ASTM D198 pour la torsion) est essentielle pour concevoir avec ces produits.

Pour plus d'informations sur les propriétés du cisaillement du bois, l'American Wood Council publie un guide technique (AWC Technical Resources[) qui comprend des contraintes de cisaillement admissibles pour diverses espèces. L'APA – The Engineered Wood Association propose des guides de conception pour le glulam et le CLT (APAwood.org – Torsional Considerations).

Conclusion

En comprenant ses principes physiques — distributions de résistance, comportement des matériaux anisotropes et interaction avec d'autres charges — les ingénieurs et les constructeurs peuvent prendre des mesures efficaces pour atténuer les défaillances de torsion. Choisir des sections de poutres appropriées, utiliser du bois de qualité présentant des défauts minimes, fournir un soutien et une retenue d'extrémité adéquats, et concevoir des connexions pour la torsion sont autant de stratégies pratiques. À mesure que la construction du bois devient plus grande et plus ambitieuse, l'attention aux détails torsionnels devient encore plus critique.