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Bois massif reconstitué : une voie de valorisation pour le douglas et le sapin-épicéa en usage structurel Copyright FCBA INFO, Février 2012 1

Bois massif reconstitué : une voie de valorisation pour le douglas et le sapin-épicéa en usage structurel

Les produits en bois massif reconstitué (BMR) fabriqués avec des

essences de bois françaises constituent un axe de développement

majeur pour la promotion des essences indigènes dans la

construction.

L’étude pilotée par FCBA sur le comportement mécanique des

poutres en BMR a permis de promouvoir ce produit en tant que

composant de construction. Elle a aussi montré l’aptitude à un

collage fiable et durable de lames de fortes épaisseurs à partir de

douglas et de sapin-épicéa issus de forêts françaises.

Pour contacter l’auteur : Carole Faye [email protected] FCBA Pôle Bois dans la construction Allée de Boutaut 33000 Bordeaux Tél. : 05 56 43 63 03


Le bois massif reconstitué (BMR) s’obtient par collage de 2 à 5 lames en

bois massif de forte épaisseur (de 45 à 85 mm). Ces lames sont aboutées

pour obtenir des éléments de grande longueur.

En 2008, on estimait à 60 000 m3 la consommation de BMR en France, dont

environ 80 % de produits importés (Allemagne, Autriche). Depuis, le BMR

connaît un fort développement sur le marché de la construction en France

(charpente traditionnelle, éléments de contreventement, maison en

ossature bois…), car il présente les avantages suivants :

– c’est un matériau d’une grande stabilité dimensionnelle avec une

esthétique supérieure à celle du bois massif grâce à la purge des défauts

lors de la phase d’aboutage,

– son procédé de fabrication garantit un bois séché à moins de 15 %

d’humidité,

– il permet d’obtenir des éléments de section allant jusqu’à 260 x 320 mm,

– il est directement utilisable dans les centres d’usinage.

Par ailleurs, au même titre que le bois massif ou lamellé-collé, le BMR

présente des atouts environnementaux, a fortiori s’il est fabriqué à partir

d’essences françaises. En effet, dans le cas du lamellé-collé, il a été

démontré (Analyse du cycle de vie du bois lamellé-collé, CTBA, 2000) que

40 % des émissions de gaz à effet de serre du lamellé-collé étaient dus au

transport des bois d’importation.

Pour ces raisons, les produits de type BMR fabriqués avec des essences de

bois françaises constituent un axe de développement majeur pour la

promotion des essences indigènes dans la construction. Un fort potentiel

existe, tant au niveau de la ressource française disponible que de leurs

performances mécaniques.

Concernant le douglas, la production de sciages en 2002 (source France

Douglas) était de 820 000 m3, franchissant pour la première fois le seuil des

10 % de la production totale de résineux en France. En 2009, la production


a été de 700 000 m3 (Source Agreste, Enquête annuelle de branche). En

2030, la production estimée sera de 2 à 2,5 millions de m3 (Source France

Douglas). La moitié de la production est concentrée en Rhône-Alpes,

Limousin et Bourgogne.

Concernant les performances mécaniques, l’étude MOKUZAI initiée par le

CTBA en 2001 a montré que pour des sciages issus de peuplements d’âge

varié et d’origine géographique étendue, le potentiel en classe mécanique

C30 (la meilleure classe) est de 72 %. Pour des sciages issus de

peuplements de 70 ans, ce potentiel passe à 90 %.

Par ailleurs, cette étude a montré :

– que les performances mécaniques étaient mal corrélées aux critères

visuels, car le rendement par un classement visuel est de seulement 5 %

en C30,

– qu’un classement machine permettait d’obtenir un rendement C30 entre

35 et 50 % selon la machine de classement mécanique.

La ressource en douglas présente donc un fort potentiel notamment si l’on

recourt à un classement machine.

Concernant le sapin-épicéa, la production de sciages en 2009 (Source

Agreste, Enquête annuelle de branche) était de 3,7 millions de m3.

Pour les performances mécaniques de cette essence, une étude du CTBA a

montré que pour des sciages issus de peuplements d’âge varié et d’origine

géographique étendue, le potentiel en classe mécanique C30 est de 85 %.

La ressource en sapin-épicéa est donc importante et performante mais peu

utilisée en structure au profit du sapin blanc dit du Nord (épicéa issu des

régions scandinaves).


Une étude spécifique sur le BMR en douglas et en sapin-épicéa français

Afin de promouvoir les poutres BMR en tant que produit de construction, il

est essentiel d’en déterminer les performances mécaniques.

Une norme française (NF B 52-010) sur le BMR a été rédigée afin d’assurer

la fiabilité et la durabilité du collage. En revanche, d’un point de vue

mécanique, le choix technique a été sécuritaire par manque de données sur

ce plan.

C’est pourquoi une étude collective sur le comportement mécanique en

flexion des poutres BMR a été menée avec les objectifs suivants :

– déterminer la correspondance entre les performances mécaniques des

poutres BMR et des lames constitutives,

– évaluer la pertinence des méthodes de classement réalisées à l’échelle

des BMR,

– montrer la pertinence d’utiliser du douglas, dont la ressource française

disponible en bois d’œuvre va doubler en 10 ans, et du sapin-épicéa,

dont la ressource française est importante mais peu utilisée en structure.

L’étude, pilotée par FCBA, s’est déroulée en partenariat avec :

– trois entreprises de production de BMR : BARLET, COSYLVA et

PROLIGNUM, qui ont fabriqué l’ensemble des éprouvettes à partir de

douglas et de sapin-épicéa issus des forêts françaises,

– l’entreprise Monnet-Sève pour la fourniture des lames,

– les fabricants de machines de classement CBS et MICROTEC,

– les interprofessions France Douglas et ADIB.

L’étude a été financée par France Bois Forêt, le CODIFAB, le Plan Massif

Central avec des fonds FEDER, les régions Auvergne, Limousin, Bourgogne,

Midi-Pyrénées et Franche-Comté, et le Ministère de l’Agriculture.

La liste des partenaires techniques et financiers associés à cette étude

figure en fin d’article.


Un produit de construction fiable fabriqué avec des essences indigènes

Cette étude, basée à la fois sur une approche expérimentale et sur une

étude numérique, a permis de qualifier le comportement mécanique des

poutres BMR pour une sollicitation en flexion à chant (effort parallèle au

plan de collage) ou à plat (effort perpendiculaire au plan de collage)

(Figure 1).

(a) (b) (c)

Figure1 : Exemples de BMR : 2 lames (a) et 4 lames (b) sollicités à chant, 4 lames (c) sollicité à plat

Pour une sollicitation à chant du BMR, les lames sont sollicitées également à

chant. Il existe un effet système positif : les lames les plus rigides qui sont

généralement les plus résistantes supportent plus d’efforts. Cet effet

système se traduit donc par un gain de résistance du produit multi-lames.

Pour une sollicitation à plat du BMR, les lames sont sollicitées par une

combinaison de contraintes en flexion à plat et en traction (ou

compression). Cet état est donc différent de l’état de contrainte en traction

pure (ou compression pure) des lames que l’on observe au sein d’une

poutre lamellée-collée du fait du grand nombre de lames et de leur faible

épaisseur.

La caractérisation expérimentale a porté sur :


– 300 poutres BMR en douglas ou sapin-épicéa (Tableaux 4 à 6 en fin

d’article), fabriquées conformément à la norme NF B 52-010, pour

déterminer les performances mécaniques statiques en flexion à plat ou à

chant, ainsi que le module d’élasticité dynamique (Figures 2 et 3);

– 300 lames pour déterminer, en complément des classements visuel et

machine, les performances mécaniques à chant des lames constitutives

des BMR. La qualité mécanique des lames était majoritairement en C24

mais également en C18 et C30 ;

– les lames avec aboutages sollicités en flexion à plat ;

– des essais de délamination pour chaque lot de poutres BMR testées en

flexion.

Figure 2 : Contrôle non destructif de poutres BMR en douglas selon la méthode par ultrasons


Figure 3 : Essai de flexion 4 points destructif d’une poutre 5 lames en douglas

L’approche numérique, intégrant la variabilité locale des propriétés

mécaniques des lames, a permis d’élargir le champ de l’étude

expérimentale (Figures 4 et 5).

Figure 4 : Déformée de la poutre BMR en flexion à chant (le critère en rupture n’est vérifié que sur

le tiers central vert).

Figure 5 : Champ des contraintes dans les 5 lames d’un BMR hétérogène

sollicité en flexion à chant. La lame 2 (en bleu légèrement plus clair) dont le module d’élasticité est plus faible que celui des autres lames supporte moins

d’efforts.


Pour des lames constitutives de qualité C18, C24 et C30, l’étude a montré

que :

– Les valeurs expérimentales (Tableau 1) de résistance des BMR obtenues

pour les classes mécaniques élevées sont plus faibles que celles simulées

(Tableau 2), du fait d’une résistance insuffisante des aboutages utilisés

pour la fabrication des BMR.

– Concernant la résistance caractéristique en flexion à plat pour les lames

de classe C24 et C30, il y a correspondance entre les performances des

lames constitutives et des poutres BMR pour une hauteur de référence de

150 mm. Pour les lames de classe C18, il y a un gain de résistance pour

les poutres BMR. On retrouve ainsi avec les BMR une correspondance

proche de celle existante pour les poutres lamellées-collées pour une

hauteur de référence de 600 mm.

– Concernant la résistance caractéristique en flexion à chant, le gain de

résistance pour les poutres BMR en comparaison des lames constitutives

est supérieur à 10 %. L’effet système obtenu est donc supérieur à celui

extrapolé par l’Eurocode 5 pour un multi-lames composé de 2 à 4 lames.

– Il existe une correspondance entre les valeurs moyennes du module des

lames et des BMR avec un coefficient de variation deux fois plus faible

pour les BMR, qui reflète l’effet d’homogénéisation des poutres multi-

lames.


Produit Résistance

caractéristique C18 C24 C30

Lames fm,l,k (MPa) 18 24 30

BMR à plat fm,BMR,k,plat (MPa) 20,9 24,7 28,5

BMR à chant fm,BMR,k,chant (MPa) 22,8

(ksys=1,27)

27,4

(ksys=1,14)

31,7

(ksys=1,06)

Tableau 1 : Correspondance entre résistances caractéristiques des lames et des BMR déterminées à partir des campagnes expérimentales

Produit Résistance

caractéristique C18 C24 C30

Lames fm,l,k (MPa) 21,9 25,1 32,3

BMR à plat fm,BMR,k,plat (MPa) 22,5 25,2 32,3

BMR à chant fm,BMR,k,chant (MPa) 24,9

(ksys=1,14)

27,4

(ksys=1,1)

36,3

(ksys=1,12)

Tableau 2 : Correspondance entre résistances caractéristiques des lames et des BMR déterminées à partir de l’étude numérique

Par ailleurs, les essais de délamination menés selon la norme EN 391 sur les

échantillons de poutres BMR de 2 à 5 lames ont montré que les exigences

de la norme NF B 52-010 étaient respectées (Figure 6). Les collages entre

les lames des poutres BMR sont donc fiables et durables pendant toute la

durée de vie prévue de la structure.


L'essai de délamination décrit dans la norme EN 391 a pour objectif de contrôler la qualité des plans de collage

interlamelles dans les produits de construction tels que le bois lamellé-collé ou le BMR. Il consiste à soumettre

des éprouvettes prélevées dans les poutres fabriquées à un cycle alternant injection d'eau en autoclave et

séchage en enceinte climatisée. A l'issue de ce cycle, on vérifie que les contraintes mécaniques induites au

niveau des plans de collage, par le gonflement puis le retrait du bois, n'ont pas provoqué d'ouverture, ou

délamination, des joints de colle au-delà d'un seuil d'acceptabilité défini dans les normes d'exigences associées.

Pour le BMR, selon la NF B 52-010, le pourcentage maximal de délamination par joint doit être inférieur à 20 %

et le pourcentage total de délamination par échantillon doit être inférieur à 8 %.

Figure 6 : Marquage des zones d’ouverture des plans de collage après essai de délamination selon la méthode B de la norme d’essai EN 391

Cette étude aboutit à une meilleure valorisation des performances

mécaniques des poutres BMR par rapport à la norme française NF B 52-010.


Présentée dans le groupe de normalisation européen CEN TC 124/ WG3, elle

a permis d’intégrer les poutres BMR dans la future version de la norme

harmonisée EN 14 080 relative initialement seulement aux poutres

lamellées-collées.

Par ailleurs, nous avons étudié la faisabilité et la pertinence d’un contrôle

non destructif pour évaluer les performances mécaniques des poutres BMR.

Cette étude a été menée à partir de trois appareils de contrôle portatifs :

Sylvatest Duo, Bing et MTG sur l’ensemble poutres BMR. En synthèse, si

l’on estime qu’une bonne corrélation est obtenue pour un coefficient de

détermination supérieur à 0,5 (car dans ce cas, la variable mesurée en

contrôle non destructif explique 50 % de la variabilité), le contrôle non

destructif n’est pertinent que pour les poutres BMR en deux lames.

Intégration des BMR dans la future version de la norme européenne

La future version de la norme EN 14 080, initialement prévue pour le seul

bois lamellé-collé (BLC), spécifiera également les exigences de performance

et de fabrication des BMR en résineux dont la définition est la suivante :

élément en bois de structure constitué de deux à cinq lames à fil parallèle,

ayant la même classe de résistance ou le même profil de résistance déclaré

et une épaisseur de lamelle finie supérieure à 45 mm et inférieure ou égale

à 85 mm. Ainsi, la norme différencie le BMR du BLC par une épaisseur des

lames supérieure à 45 mm.

Les dimensions de la section transversale d’un BMR ne doivent pas excéder

280× 280 mm.

L’utilisation des BMR est limitée aux classes de service 1 et 2.

Délamination des lames

Lorsque l’intégrité du joint de collage est évaluée par la méthode d’essai de

délamination de la norme EN 391, le pourcentage de délamination totale de

chaque éprouvette doit satisfaire aux exigences spécifiées dans


le Tableau 3. Pour toutes les méthodes de délamination, le pourcentage

maximal de délamination d’un seul joint de collage doit être inférieur ou

égal à 30 %.

Produit Nombre de cycles 1 2 3

Méthode A - 5 10

Méthode B 4 8 - Bois lamellé-collé

Méthode C 10 - -

Méthode A - 10 15

Méthode B 8 12 - BMR des lames d’une épaisseur

supérieure à 60 mm

Méthode C 15 - -

Pour le BMR dont l’épaisseur de lame est comprise entre 45 mm et 60 mm,

l’interpolation linéaire s’applique.

Tableau 3 : Valeurs maximales de pourcentage de délamination totale de chaque éprouvette

Résistance des aboutages

Les aboutages doivent satisfaire à l’exigence suivante :

fm,j,k ≥ kf fm,l,k

avec :

fm,j,k : valeur caractéristique de la résistance en flexion des aboutages

(en N/mm2)

kf =1 pour la flexion sur chant

kf = 1,2 pour la flexion à plat


fm,l,k : valeur caractéristique de la résistance en flexion sur chant des lames

(en N/mm2)

Propriétés mécaniques des BMR

Les propriétés caractéristiques de résistance et de rigidité, ainsi que la

masse volumique du BMR, doivent correspondre à celles de la classe de

résistance des lames constitutives. En ce qui concerne la flexion sur chant,

la résistance caractéristique à la flexion des BMR , fm,BMR,k,chant , peut être

prise égale à 1,1× fm,l,k.

Dans un objectif de simplification, une unique valeur de coefficient d’effet

système ksys = 1,1 a été prise en compte et le gain de résistance à plat des

BMR pour la classe C18 n’a pas été pris en considération.

Calendrier de la norme

Le vote formel des États est prévu entre le 1er juin et le 31 juillet 2012, ce

qui entraînerait une ratification en septembre 2012 et une application en

mai 2013.


Description des trois campagnes expérimentales

% délamination EN 391 Méthode B

Module d'élasticité dynamique prototypes : Ultrason - Vibratoire

Module d'élasticité statique global & local, Résistance des lames

EN 408 - Flexion 4 points chant 208 lames pour 3 sections

Résistance des aboutages EN 408 - Flexion 4 points plat 31 lames aboutées pour 2 sections

LAMES ABOUTEES DOUGLASGrandeurs mesurées Méthode d'essais

Module d'élasticité statique global & local, Résistance à chant ou à plat des BMR

LAMES MASSIVES DOUGLAS

BMR DOUGLAS Méthode d'essaisGrandeurs mesurées

121 poutres BMR de 2 lames, 3 lames et 5 lamesEN 408 - Flexion 4 points

72 éprouvettes (de longueur 75 mm) prélevées dans les poutres BMR

Tableau 4 : Campagne expérimentale relative au douglas



EN 408 - Flexion 4 points

Module d'élasticité statique global & local, Résistance des lames EN 408 - Flexion 4 points Chant 65 lames pour 2 sections

Résistance des aboutages EN 408 - Flexion 4 points plat 17 lames aboutées

Méthode d'essaisGrandeurs Mesurées BMR SAPIN EPICEA

Module d'élasticité dynamique prototypes : Ultrason - Vibratoire 60 poutres BMR


Méthode d'essaisGrandeurs Mesurées

60 poutres BMR de 2 lames de section 160x160mm2

LAMES MASSIVES LAMES ABOUTEES

Tableau 5 : Première campagne expérimentale relative au sapin-épicéa



Module d'élasticité dynamique prototypes : Ultrason - Vibratoire


EN 408 - Flexion 4 points

Module d'élasticité statique global & local, Résistance des lames EN 408 - Flexion 4 points à Chant 90 lames

Résistance des aboutages EN 408 - Flexion 4 points à plat 33 lames aboutées

Méthode d'essaisGrandeurs Mesurées LAMES MASSIVES LAMES ABOUTEES

Méthode d'essaisGrandeurs Mesurées BMR SAPIN EPICEA

120 poutres BMR de 2 lames, 4 lames et 5 lames


120 poutres BMR

Tableau 6 : Seconde campagne expérimentale relative au sapin-épicéa


Liste des partenaires

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