GSA-Principes

Les tiges filetées collées sont parmi les moyens d’assemblage les plus efficaces dans la construction moderne en bois. Qu’elles soient collées parallèlement ou perpendiculairement au sens des fibres, de grandes forces peuvent être appliquées sur une petite surface de bois. En collaboration avec le professeur Ernst Gehri, la neue Holzbau AG (n’H) fait de la recherche et développement dans ce domaine depuis la fin des années 1990. Sous la marque „Technologie GSA, une grande variété de solutions ont été développées depuis lors et sont utilisées avec succès dans différentes constructions en bois dans le monde entier.
Le bois, la résine et l’acier forment un système composite. Par conséquent, les propriétés de ces trois matériaux doivent être harmonisées. Afin de pouvoir créer des assemblages optimaux, certaines règles doivent être respectées et des conditions générales doivent être remplies. L’assemblage doit être conçu de manière que les tiges en acier se cassent en mode ductile, de façon à éviter les ruptures fragiles du bois ou de l’adhésif.
Ce site explique les principes fondamentaux sur lesquels sont basées les performances élevées des tableaux de dimensionnement GSA.

Textes de soumission

La pratique de la construction exige souvent un appel d’offres aussi neutre que possible par rapport au produit. Les textes de soumission pour la technologie GSA ont été rédigés selon ce principe. Idéalement, les projeteurs devraient avant tout définir les forces dans les assemblages ainsi que les dimensions appropriées. D’autres exigences concernant les matériaux, la protection incendie et l’humidité peuvent avoir une influence significative et sont donc à considérer en conséquence. En outre, les conditions générales (en allemand) peuvent être insérées au début du devis.

Dans la zone de téléchargement, vous trouverez l’ensemble de notre collection en allemand sous forme de fichier Excel ou d’importation pour l’interface SIA 451.
→ Exemple d’assemblage simple: Poteaux de Suspension (en allemand)

Exigences

Les normes actuelles pour les éléments porteurs exigent plusieurs classifications de la part des concepteurs de structure.

La classe de conséquences (Consequence Class 1-3) évalue l’étendue des dommages en cas de rupture d’une structure. On peut en déduire les exigences pour la planification et l’exécution des bâtiments. Un autre aspect est le type de sollicitation (Service Category 1-2). Comme d’habitude dans la construction de bâtiments, les informations du tableau ci-dessous s’appliquent aux actions statiques et quasi-statiques (neige, vent, charges utiles dans les bâtiments et tremblements de terre «non-ductiles»). Les sollicitations cycliques (tremblement de terre «ductiles») et dynamiques (à la fatigue : grues, charges de circulation, etc.) peuvent également nécessiter un contrôle plus approfondi lors de la planification des tiges filetées collées. En particulier pour ces genres d’application, un acier avec des propriétés spéciales peut être utile ou même nécessaire.

Les exigences ne doivent pas toujours être sélectionnées au maximum pour les différentes utilisations. En conséquence, les conditions préalables à un appel d’offres dans les catégories de fabrication supérieures devraient devenir plus étendues et les contrôles plus conséquents. Le tableau ci-dessous est donc proposé pour la fabrication d’éléments avec tiges filetées collées:

Production CategoryExigences de productionSituations dapplication
– Exemples
PC 1faibleRenforcement ⊥ au fil:
– Compression transversale Niveau de l’appui
– Tension transversale dans les assemblages et éléments courbés
– Entailles
– Evidements (Dimensionnement selon la norme)
Barres simples ‖ au fil:
– Panne sur un poteau
PC 2normalePetits groupes (n≤4) ‖ au fil avec uniquement un effort normal:
– Ancrages muraux
– Diagonales résistantes à la traction
Applications plus complexes ⊥ au fil:
– Composite bois-béton
– Grands évidements (ALP)
– Renforcements au cisaillement
PC 3hauteGroupe de barres ‖ au fil avec un effort normal et de la flexion:
– Angle de cadre
– Joints de poutre ou poteaux encastrés
– Treillis

Performance

De nos jours, les matériaux ainsi que les structures entières sont conçus pour offrir des performances élevées. Dans la langue française, le terme « performance » est ambigu. Le terme «rendement» a un effet plus précis en tant que mesure de l’efficacité des assemblages.

Par conséquent, les constructions à hautes performances se caractérisent par le fait qu’elles répondent aux exigences données avec un volume de matériau relativement faible (surface de la section). Dans le cas d’un assemblage, la question se pose toujours de savoir dans quelle mesure il réduit la résistance ultime ou la rigidité de la pièce. Ceci peut être illustré par un essai en traction. La surface brute de la section multipliée par la résistance à la traction donne la résistance de la pièce (100%). D’autre part, il y a la résistance du groupe d’éléments de fixation.

Le rendement η peut donc toujours être calculé à partir de la résistance de l’assemblage obtenue par rapport à la section brute utilisée. La plupart des assemblages en bois nécessitent un usinage qui affaiblit la section brute. Dans le cas de tiges filetées encollées, il faut déduire le diamètre du percement et celui des trous d’injection afin de déterminer la surface nette de la section. Pour la technologie GSA, un rendement à environ 85% est possible. Cet affaiblissement dans la zone de l’assemblage peut être compensé par l’utilisation locale de bois de meilleure qualité. La figure ci-dessous montre donc des taux d’utilisation élevés voir même impossible pour les classes de résistance spécifiées. Il s’agit d’une comparaison basée sur un groupe de quatre tiges filetées encollées dans le bois longitudinal. Ces données se réfèrent à la classe d’humidité 1. Il est également à noter qu’une disposition plus serrée des goujons est importante pour la rentabilité de l’assemblage. Par rapport aux dimensions minimales données par l’homologation, il est parfois nécessaire de prévoir des distances au bord ou entre axes plus grands afin de simplifier la production de l’élément. Découvrez par rapport à ce sujet le chapitre «Prédimensionnement» dans les différentes applications du GSA (exemple: treillis)

Les rendements indiqués sont basés sur des essais représentatives (groupe de tiges encollées). Ceci a été rendu possible grâce à la recherche sur les facteurs d’influence suivants :

– Angle entre la tige et la direction des fibres
– Diamètre du trou, diamètre de la tige, longueur d’encollage, noyure, distance entre axes, distance au bord
– Essence de bois, classe de résistance, densité, humidité du bois
– Qualité de l’acier et profilage
– Propriétés de l’adhésif

Combinaison entre le bois, la résine et l’acier

Avec les deux thèses d’Andrea Bernasconi (1996) et d’Alessandro Fabris (2001), l’EPF de Zurich a posé les bases importantes pour le collage de tiges filetées dans la construction bois.

C’est ainsi que l’on a compris que la transmission de la force entre la résine et l’acier est principalement mécanique. Selon les résines, le joint de colle peut être de plusieurs millimètres. Toutefois, il a été démontré que le type de profilage des barres en acier a une influence significative sur la capacité de charge. Le filetage métrique s’est avéré le plus idéal pour la combinaison avec la résine GSA. Des études récentes ont montré que certaines résines ne résistent pas à des températures élevées (allant jusqu’à 60°C). Pour cette raison, tous les types de résine qui fonctionneraient pour des essais à froid de courte durée n’ont pas nécessairement leur place dans la pratique. A condition que la résine soit suffisamment efficace, la rupture se produit au niveau de la transition entre la surface intérieure du trou et l’adhésif. Afin d’obtenir le collage le plus efficace possible, la qualité de la surface intérieure du trou doit être impeccable. Le personnel doit être formé en conséquent pour le montage des tiges ainsi que le contrôle de qualité.

Décrivant les contraintes de cisaillement les modèles suivants ont été rédigés : La progression de celle-ci sur la tige dépend du rapport entre Eacier zu Ebois. On suppose simplement que la résine est rigide. Ainsi, les allongements de la résine correspondent à ceux de l’acier. Les rapports de rigidité dans le bois longitudinal entraînent des pics de contraintes dans les zones d’extrémité du joint de colle. La déformation (compatibilité) provoque de la tension transversale, qui a un effet défavorable sur la résistance au cisaillement du bois. Cet aspect complexe des contraintes est considéré comme la raison pour laquelle la capacité portante d’une tige encollée n’augmente pas linéairement avec l’augmentation de la longueur d’encollage. Un déplacement de la zone d’encollage (noyure) s’adhère efficace car le volume de bois sollicité par la tension transversale peut être augmenté. Il est également important de noter que les tensions transversales sont directement fonction du diamètre de la barre. Par conséquent, les résultats des essais sur des petites tiges ne peuvent pas simplement être convertis sur des diamètres plus grands.

Lorsque les tiges sont encollées perpendiculairement au fil, on peut supposer que la répartition des contraintes de cisaillement est uniforme. Grâce au rapport de rigidité très élevé, une tige plus longue permet d’obtenir un effet de profondeur plus important.

Parallèle ou perpendiculaire aux fibres

L’importance des différents types de rupture n’est pas la même si les barres sont encollées perpendiculairement ou parallèlement aux fibres.

Les tiges filetées collées atteignent leur efficacité maximale lorsqu’elles sont chargées dans leur sens axial. Pour cette raison, ce document traite exclusivement des sollicitations axiales. Selon la norme SIA 265 : 2012 (paragraphe 6.10.2.1), la sécurité structurale doit généralement être réalisée en ce qui concerne :
– rupture de la tige nervurée
– rupture de l’adhésif au contact avec la tige nervurée ou le bois
– rupture du bois autour de l’encollage
– rupture d’une pièce de bois dans la zone de l’assemblage

Selon la norme SIA 265, les mêmes valeurs peuvent être utilisées pour des efforts de compression et de traction. Cette définition se trouve sûrement du côté de la sécurité. La sollicitation de traction parallèle aux fibres est donc le plus grand défi.

eingeklebter Anker im Längsholz

Utilisation parallèle aux fibres: 0° ≤ α < 30°

L’état d’équilibre entre la force dans la tige filetée et les contraintes normales dans la section du bois est obtenu par des contraintes de cisaillement parallèles (‖) au fil du bois.

Le cône circulaire a un faible écartement de tous les côtés car le module de cisaillement (G) est beaucoup plus petit que le module d’élasticité le long du fil (E0). Il s’ensuit de cette considération que :

– la «surface de bois activable» à l’extrémité de la tige est limitée.

– une distance entre axes très élevé n’améliore pas la situation.

– de nombreuses petites tiges permettent un flux optimal des forces. La vérification de la section nette du bois à l’extrémité des barres doit toujours être réalisée. Dans de nombreux cas, l’utilisation de classes de Résistance supérieures du bois est obligatoire pour pouvoir supporter la performance de la technologie GSA®.

eingeklebter Anker im Querholz

Utilisation perpendiculaire aux fibres: 30° ≤ α ≤ 90°

L’état d’équilibre entre la force dans la tige filetée et les forces perpendiculaire dans la section du bois est obtenu par des contraintes de cisaillement perpendiculaires () au fil du bois. Les contraintes de cisaillement obtiennent une dispersion relativement faible dans le sens transversal (cisaillement perpendiculaire). Dans le sens du fil par contre, on peut supposer une grande dispersion. La figure montre de ce fait un cône elliptique. La longueur des barres peut souvent choisie de manière constructive afin que les vérifications dans la partie en bois ne soient pas nécessaires. (Par ex. longueur d’encollage  > 0.7*hauteur de poutre dans le cas de liaisons transversales en traction)

Rupture de la barre profilée

Ce mode est destiné à créer une structure robuste et à garder la conception et la modélisation aussi simple que possible. La hiérarchie des résistances structurelles doit être maîtrisée.

Les modes de rupture fragile ne peuvent être exclus que si la ductilité est garantie par le goujon. Ceci rend possible une valeur de la ductilité DS ≥ 3 et c’est seulement de cette manière que le rapport γMM de 1.5 peut être appliqué selon la norme SIA 265.

Pour les applications perpendiculaires au fil, la résistance de l’élément en bois est généralement suffisamment élevée. Cette affirmation suppose que la conception tient compte de façon adéquate des faibles propriétés de traction transversale du bois. Ceci peut être réalisé en général par le choix correct de la longueur d’encollage. Pour l’utilisation comme groupe de goujons dans le sens du fil, les propriétés des tiges utilisées doivent être déterminées avec précision au préalable. Les spécifications des normes de produits ne sont pas suffisantes pour garantir la rupture ductile de l’acier (limite d’élasticité supérieure). La figure suivante montre quatre exemples de test de qualité de la n’H. Les limites d’élasticité sont en réalité nettement supérieures à la norme et varient en fonction du diamètre. Pour garantir que la dispersion se situe dans la plage (étroite) nécessaire, toutes les barres d’un même assemblage doivent provenir du même lot de production.

Rupture du bois le long du joint de colle

Les résistances d’arrachement pour la technologie GSA® sont basées sur un modèle avec deux critères de rupture. Le premier décrit la rupture en cisaillement avec la paroi du trou comme surface de référence. En outre, le respect du critère dit d’allongement est requis.

Dans le modèle porteur pour la rupture en cisaillement, la valeur numérique X est déterminée en fonction du type de bois et n’est valable que pour les conditions géométriques spécifiques. Avec l’exposant α, l’orientation du bois peut être prise en compte. Parallèlement au fil du bois, elle est inférieure à 1.0 et tient donc compte de l’évolution non linéaire des contraintes de cisaillement.

Tragmodell für ins Holz eingeklebte Gewindestangen

Dans sa thèse, Fabris a expliqué en détail la modélisation du critère d’allongement. En conséquence, si la résistance de la barre est trop élevée, il se produit des allongements de l’acier que le bois environnant ne peut plus supporter. Pour la détermination de la valeur caractéristique de l’épicéa, une valeur εu,H de 2.4 ‰ peut être appliquée selon l’homologation DIBt. De ce fait, seuls les aciers avec une faible limite d’élasticité peuvent être utilisés dans la pratique pour les applications longitudinales de l’épicéa. Les barres avec une résistance de 8.8 ou plus n’ont de sens seulement pour provoquer les formes fragiles de la rupture à des fins de recherche. La figure suivante montre une rupture fragile typique avec fendage du bois.

Sprödbruch mit Aufspalten

Les tests internes à la n’H ont prouvé que les tiges avec une résistance de 8.8 peuvent même être utilisés en pratique dans le bois dur. Les allongements de rupture des feuillus (hêtre et frêne) sont suffisamment élevés pour cela. En général, ce critère explique pourquoi, à un certain moment, l’augmentation de la longueur encollée n’augmente plus la capacité de charge.

Caractéristiques de la technologie GSA

Les tableaux de dimensionnement contiennent des résistances de charge élevées avec des distances aux bords et des distances entre axes relativement faibles. Afin d’atteindre les valeurs indiquées, un contrôle de qualité adéquat est nécessaire en plus du savoir-faire opérationnel.

La technologie GSA a été développée dès le début pour permettre un espacement économique des goujons. C’est pourquoi la préparation spéciale des goujons fait partie de la pratique courante. Ce que l’on appelle le rétrécissement de la tige sert suivant les situations à remplir les objectifs ci-dessous :

– Comme la transmission de la force entre la résine et l’acier est purement mécanique, la suppression du filetage crée une zone sans liaison adhérente.

– La noyure de la longueur d’encollage, augmente le volume de bois soumis à la tension transversale.

– En usinant au diamètre approprié, la rupture ductile de l’acier est assurée.

– Pour terminer, l’acier ne doit s’écouler que dans cette zone d’élongation définie sans endommager le joint de colle.

Cela permet la sommation linéaire des résistances individuelles (nef = n1.0) pour les applications en groupe de goujons parallèles aux fibres. Ainsi, la technologie GSA crée la base idéale pour un dimensionnement simple et sûr. Elle constitue également une interaction parfaite entre le bois, la résine et l’acier.

Effort de compression

La sollicitation en compression des tiges filetées encollées est généralement moins délicate que celle en traction.

Le fendage du bois ne devient un problème uniquement lorsque la barre menace de flamber. Dans de très nombreuses situations, le rétrécissement de la tige peut être esquivé. La longueur d’encollage est ainsi augmentée et toute la section de la tige est disponible. Pour certaines constructions, on peut prendre en considération la surface de contact du bois (d’extrémité).

Bibliographie

Vous trouverez de plus amples informations sur la technologie GSA® en particulier ainsi que sur les tiges nervurées collées en général dans les publications suivantes:

▪ E. Gehri, «Krafteinleitungen mittels Stahlanker» in Brettschichtholz, Weinfelden, 28. SAH-Fortbildungskurs, 1996, pp. 111-143. Commande
▪ A. Bernasconi, Tragverhalten von Holz senkrecht zur Faserrichtung mit unterschiedlicher Anordnung der Schub- und Biegearmierung, Publikation 96-3, ETH Zürich, 1996. DOI
▪ E. Gehri, «Klassische Verbindungen neu betrachtet» in HOLZ ART 2000, Luzern, 17. Dreiländer-Holztagung, 2000, pp. 43-50. Commande
▪ E. Gehri, «Leistungsfähige Verbindungen: Kriterien und Konzepte» in Verbindungstechnik im Holzbau, Weinfelden, 32. SAH-Fortbildungskurs, 2000, pp. 13-25. Commande
▪ A. F. Fabris, Verbesserung der Zugeigenschaften von Bauholz parallel zur Faser mittels Verbund mit profilierten Stahlstangen, Ph.D Thesis ETH Zürich, 2001. DOI
▪ E. Gehri, «Ductile behaviour and group effect of glued-in steel rods» in International RILEM Symposium on Joints in Timber Structures, Stuttgart, RILEM Publications s.a.r.l., 2001, pp. 333-342. Link
▪ R. Steiger, E. Gehri und R. Widman, «Pull-out strength of axially loaded steel rods bonded in glulam parallel to the grain» in Materials and Structures 40, 2006, p. 69–78. DOI
▪ R. Widmann, R. Steiger, E. Gehri, «Pull-out strength of axially loaded steel rods bonded in glulam perpendicular to the grain» in Materials and Structures 40, 2007, p. 827–838. DOI
▪ E. Gehri, «Eingeklebte Anker – Anforderungen und Umsetzungen» in Band I, Prolog IV, Garmisch, 15. Internationales Holzbau-Forum, 2009. Texte complet
▪ E. Gehri, «High performing jointing technique using glued-in rods» Trentino: World Conference on Timber Engineering, 2010 Texte complet
▪ G. Tlustochowicz, E. Serrano und R. Steiger, «State-of-the-art review on timber connections with glued-in steel rods» in Materials and Structures 44, 2011, p. 997–1020. DOI
▪ Z-9.1-778, 2K-EP-Klebstoff GSA-Harz und GSA-Härter für das Einkleben von Stahlstäben in Holzbaustoffe, Berlin: Deutsches Institut für Bautechnik, 2012. Téléchargements
▪ R. Steiger, «In Brettschichtholz eingeklebte Gewindestangen» in Band I, Prolog IV, Garmisch, 18. Internationales Holzbau-Forum, 2012. Texte complet
▪ R. Steiger, E. Serrano, M. Stepinac, V. Rajčić, C. O’Neill, D. McPolin und R. Widmann, «Reinforcement with glued-in rods» in Reinforcement of Timber Structures, A state-of-the-art report, Shaker Verlag, 2015, pp. 133-159. DOI
▪ E. Gehri, «Verbindungstechniken für auf Laubhölzer basierte Holzwerkstoffe – mit besonderer Berücksichtigung von BSH und LVL aus Buche» in Band I, Prolog IV, Garmisch, 21. Internationales Holzbau-Forum, 2015. Texte complet
▪ E. Gehri, Performant connections – A must for veneer-based products, Wien: Wold Conference on Timber Engineering, 2016. Texte complet

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