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Stratégie d’amélioration de la résistance mécanique des zones de connecteur – Performance

Problématique

La construction non-résidentielle au Québec et ailleurs dans le monde est en constante évolution au niveau du design, de l’efficacité énergétique et de la responsabilité environnementale. Lorsque le bois est issu de forêts gérées de façon durable, son utilisation permet de réduire l’empreinte carbone des bâtiments. En Amérique du nord, la construction résidentielle s’effectue majoritairement en ossature légère de bois, ce qui a permis de développer une expertise chez les architectes et les ingénieurs dans la mise en valeur de ce matériau écologique. Par ailleurs, puisque le bois utilisé dans les bâtiments de grandes tailles demande une plus importante spécialisation, le développement de produits d’ingénierie répondant aux nouveaux besoins est à la base de la promotion des solutions bois dans le secteur non-résidentiel. Offrant des avantages au niveau esthétique et environnemental, le lamellé-collé est une solution qui ne cesse de croître en popularité. Un de ses principaux avantages est qu’il permet d’utiliser les remarquables propriétés mécaniques du bois sans être limité par le facteur dimensionnel. Par ailleurs, l’assemblage des petites pièces de bois donne la possibilité de créer des éléments cintrés, un détail architectural appréciable.

L’objectif de la recherche

Afin de promouvoir l’utilisation du bois en construction non-résidentielle et de réduire l’empreinte carbone des bâtiments, un matériau innovateur et performant sera élaboré à l’aide d’une modification en surface du bois.

Méthodologie

L’imprégnation sera utilisée comme stratégie de renfort dans les zones des connecteurs des lamellés-collés afin de pouvoir augmenter la performance des poutres et d’en diminuer les sections ou d’en allonger les portées. Le bois d’épinette noire utilisé requiert un faible coût de transformation et son utilisation permet d’améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments en diminuant les échanges thermiques dus à la structure principale. Un procédé d’imprégnation vide-pression à l’aide de résines acrylates et d’agents de renfort servira à créer un matériau supérieur mécaniquement. Les tests de résistance des assemblages de bois traité permettront d’analyser l’effet de l’imprégnation sur le bois et sur son emploi dans les zones des connecteurs. Afin de considérer le cycle de vie des produits dans cette étude, les agents de renfort devront permettre un recyclage en fin de vie du bois, lors de la déconstruction de la charpente.

Applications potentielles et retombées industrielles

L’augmentation de la résistance du bois dans les zones des connecteurs permettra d’élargir les possibilités d’utilisation du bois dans des design de structures innovateurs. L’attrait des professionnels pour ce matériau renouvelable sera ainsi grandissant et engendra une augmentation du nombre de bâtiments non-résidentiels comportant le bois comme système constructif principal.

Publication scientifique

Téléchargez l’article ci-dessous ou consultez le à: The Effects of acrylate impregnation of Black Spruce Timber as Connectors Strength

Évaluation d’une nouvelle méthode de calcul des assemblages de bois à l’aide de goujons de petit diamètre

Problématique

Les impacts environnementaux étant devenu une priorité de nos jours, il n’est pas surprenant de voir de plus en plus de nouvelles constructions de toute sorte être réalisées en bois. Cela s’explique par le fait que ce matériau est beaucoup plus écoresponsable que d’autres options tel le béton ou l’acier.

Cependant, une bonne construction doit inévitablement inclure de bons assemblages pouvant résister aux charges qu’ils doivent transférer. Les assemblages à l’aide de goujons peuvent s’avérer une bonne solution, cependant, leur application est limitée dû au fait que la méthode de calcul utilisée actuellement s’applique à des configurations et types de bois très spécifiques. De plus, les résistances sismiques sont, à ce jour, très peu documentées en ce qui a trait aux assemblages de bois de tout type.

L’objectif de la recherche

L’objectif de ce projet est d’évaluer une nouvelle méthode de calcul adaptée pour les assemblages de bois à l’aide de goujons de petits diamètres. Cette méthode propose une utilisation plus permissive de ce type d’assemblage dans les calculs des charpentes en bois et permettra aussi de déterminer le type de rupture de l’assemblage, soit une rupture fragile, ductile ou mixte.

Méthodologie

Une revue de littérature sera effectuée afin de répertorier ce qui a déjà été proposé sur le sujet. Ensuite, une analyse profonde de la méthode proposée sera effectuée afin de l’adapter à d’autres types de connecteurs de petits diamètres tel les clous et les vis. Par la suite, des tests cycliques seront effectués en laboratoire afin de valider les résultats obtenus par la méthode.

Applications potentielles et retombées industrielles

Cette recherche pourrait permettre une conception plus adaptée des assemblages de bois à l’aide des goujons à petits diamètres et ainsi faciliter leur intégration dans les projets futurs d’ingénierie de façon économique. Par ailleurs, cette recherche pourrait s’adapter afin de paraître dans les futures éditions de la norme CSA-O86.

Développement d’une méthode de calcul parasismique pour les bâtiments multi-étagés à ossature légère en bois

Problématique

Avec l’augmentation de la limite de hauteur des constructions en bois qui est passée de quatre à six étages dans le Code National du Bâtiment du Canada 2015. La considération des efforts produits par un tremblement de terre devient encore plus importante. En effet, les bâtiments multi-étagés sont particulièrement vulnérables aux sollicitations produites par les tremblements de terre et les vents forts. Actuellement, la conception pour les efforts causés par les séismes, plus communément appelée la conception parasismique, des bâtiments multi-étagés en ossature légère est effectuée avec la méthode de la charge statique équivalente (ESFP). Par contre, il existe une autre méthode d’analyse, l’analyse dynamique linéaire (LDA), qui n’est pas utilisée par l’industrie de la construction en bois et permettrait d’optimiser la conception des structures. L’enjeu principal pour utiliser la LDA pour les structures à ossature légère en bois est de simplifier la modélisation de ce type de structure dans les logiciels commerciaux d’analyse. Récemment, une méthode de modélisation a été développée et permet d’utiliser la LDA en utilisant un processus itératif, appelé méthode itérative de LDA ci-dessous.

 

L’objectif de la recherche

L’objectif principal de la recherche est de simplifier l’utilisation de l’analyse dynamique linéaire (LDA) par le développement d’une nouvelle méthode, basée sur la méthode de modélisation, pour rendre ce type d’analyse accessible aux ingénieurs de la pratique. La méthode développée doit permettre l’optimisation de la conception de bâtiments multi-étagés à ossature légère en bois. Finalement, le but du projet à long terme est de contribuer à l’augmentation du nombre de constructions multi-étagées à ossature légère en bois de moyenne hauteur grâce à la méthode de calcul permettant l’optimisation et la réduction des coûts.

Méthodologie

À fin de valider l’efficacité et la simplicité de la méthode simplifiée de LDA, une comparaison entre l’ESFP, la méthode itérative de LDA et la méthode simplifiée de LDA a été effectuée pour l’analyse parasismique de murs à ossature légère de deux, quatre et six étages selon cinq différentes longueurs de mur. Les murs analysés ont été tirés d’un exemple de calcul sur la conception d’un bâtiment à ossature légère en bois de six étages.

Applications potentielles et retombées industrielles

Le projet de recherche va permettre de fournir au concepteur de structure à ossature légère en bois une méthode de calcul permettant d’utiliser la LDA afin d’optimiser la conception des structures et de réduire les coûts. Dans le contexte actuel, il est primordial d’apporter ce changement de méthode de conception pour les structures en bois de cinq et six étages puisque les sollicitations aux tremblements de terre sont plus importantes et le potentiel d’optimisation est tout aussi important. L’augmentation du nombre de constructions à ossature légère en bois passe par la réduction des coûts de celles-ci.

Conception optimale de structures composites bois-béton pour garantir une ductilité sécuritaire

Problématique

Les constructions en bois prennent de plus en plus d’importance depuis quelques années. Cependant, malgré cette effervescence, les ingénieurs sont souvent craintifs à utiliser ce genre de structure dû à leur comportement fragile. Les normes d’acier et de béton obligent les ingénieurs à créer une structure ductile, mais ce n’est pas le cas pour le bois, car les méthodes n’existent pas encore. Plusieurs recherches ont été effectuées afin de développer des connecteurs ductiles qui lient la dalle de béton à la poutre de bois, mais les ruptures globales sont toujours fragiles. Puisque les structures composites présentent de grands avantages telle que leur rigidité, il est essentiel de mettre de l’avant une méthode qui permet de concevoir une poutre hybride bois/béton qui présentera une rupture ductile.

Objectifs de la recherche

• Développer un modèle pour calculer la déformation lors de perte d’action composite.
• Développer un modèle pour optimiser les performances de la structure tels que la flèche, la vibration, la résistance et le poids.
• Développer un nouveau type de connecteur.
• Effectuer des tests en laboratoire afin de valider les résultats obtenus par simulation informatique.

Méthodologie

Afin de mener à terme ce projet, les étapes principales seront d’effectuer une revue bibliographique sur tous les types de connecteurs bois/béton qui existent et de les tester par simulation afin de savoir lesquels sont les plus prometteurs pour développer une rupture ductile de la poutre. Ensuite des tests de cisaillement direct seront effectués sur les connecteurs les plus prometteurs et possiblement de nouveaux types de connecteurs seront mis de l’avant afin d’optimiser le comportement ductile. Ensuite des essais de flexion seront effectués afin de valider si la rupture globale est ductile.

Applications potentielles et retombées industrielles

La nature de la recherche permettrait à l’ingénieur de s’assurer d’avoir une rupture ductile lors de construction de bois. La ductilité permet d’avoir des signes avant-coureurs avant l’effondrement, ainsi que la redistribution des efforts lors de structure hyperstatique ce qui amène donc une sécurité supplémentaire à la structure.

Publication scientifique

Article payant. Consultez l’article à Samuel : The effect of rotary intertia on the natural frequencies of composite beams

Cadre de déploiement de la méthode conception-construction

Problématique

Comme la méthode de Conception-Construction influe-t-elle sur les performances d’un projet de construction, et à quel type de projet est-elle le mieux adaptée ? Qu’en est-il dans le cadre d’un projet de construction en bois ?

L’objectif de la recherche

Déterminer les limites, les avantages ainsi que les impacts sur les parties prenantes de la méthode de Conception-Construction. Réaliser un outil facilitant le choix de la méthode en fonction des caractéristiques du projet.

Méthodologie

L’évaluation des performances ainsi que des impacts sur les parties prenantes est réalisée grâce à une revue de littérature ainsi qu’une analyse de contenu. Les informations nécessaires à l’élaboration de l’outils d’aide à la décision sont recueillies lors d’une série d’entrevue avec différents intervenants, puis vérifiées avec la littérature.

Applications potentielles et retombées industrielles

Cette étude peut amener à une réévaluation des pratiques dans le domaine de la construction au Québec. Elle permet également un gain de temps pour les industriels désirant se renseigner sur les performances du Design-Build et facilite le travail des chercheurs qui établissent une revue de littérature sur ce sujet.

Impact de la faible masse thermique du bois sur la performance des bâtiments

Problématique

Les bâtiments en bois ont une faible masse thermique, ce qui affecte négativement les profils de consommation énergétique et le confort des occupants. On vise ici à documenter cet effet en climat québécois et à développer des stratégies architecturales et au niveau des systèmes mécaniques pour contrebalancer la faible masse thermique en optimisant la performance énergétique et le confort des occupants. Ces concepts seront testés par des simulations numériques.

L’objectif de la recherche 

-Analyser le comportement du bois dans les murs au niveau de la masse thermique.

-Optimiser la composition des types de murs contenant du bois dont les murs à ossature légère et les murs composés de CLT (bois lamellé-croisé).

-Procéder à une analyse plus globale de la performance du bois dans les bâtiments (pas seulement dans les murs mais aussi au niveau des planchers et des plafonds) dans le but de bien connaître le comportement et la performance du matériau par rapport aux méthodes de construction courantes.

-Proposer des solutions pour optimiser la performance du bois dans les bâtiments en regard de la masse thermique.

 

Méthodologie 

-Produire un modèle MatLab qui permet de calculer des propriétés thermiques dynamiques des murs.

-Simuler les murs établis qui représentent les 4 ou 5 catégories de construction.

-Produire un modèle 3D pour investiguer l’effet de la masse thermique au Québec et dans d’autres climats.

-Simuler différentes compositions de murs pour évaluer l’effet de la masse thermique dans eQuest.

-Procéder à une analyse et une optimisation de la composition du mur à l’aide de MatLab et d’un logiciel d’optimisation selon les contraintes et objectifs établis.

-Étude des résultats obtenus et comparaison avec la vocation et le confort désirés.

-Comparaison avec les résultats obtenus dans d’autres articles.

-Établissement d’un modèle de bâtiment 3D qui servira de référence pour effectuer les analyses et les optimisations.

-Simulation numérique du bâtiment 3D avec un logiciel de simulation tel qu’Energy Plus ou eQuest

-Optimisation de la composition et des stratégies de ventilation du bâtiment.

-Simulation de bâtiments avec ou sans structure apparente et analyse des résultats.

VOLET OPÉRATIONS :

-Optimisation de la composition et des stratégies de ventilation du bâtiment.

-Étude des résultats obtenus et comparaison avec la vocation et le confort désirés.

VOLET CONCEPTION :

-Produire un modèle MatLab qui permet de calculer des propriétés thermiques dynamiques des murs.

-Simuler les murs établis qui représentent les 4 ou 5 catégories de construction.

-Produire un modèle 3D pour investiguer l’effet de la masse thermique au Québec et dans d’autres climats.

-Simuler différentes compositions de murs pour évaluer l’effet de la masse thermique dans eQuest.

-Procéder à une analyse et une optimisation de la composition du mur à l’aide de MatLab et d’un logiciel d’optimisation selon les contraintes et objectifs établis.

-Simulation de bâtiments avec ou sans structure apparente et analyse des résultats.

 Applications potentielles et retombées industrielles 

-Création de règlements ou inspiration de la réglementation au niveau de certaines variables thermiques dynamiques pour les bâtiments.

-Économie d’énergie à long terme en améliorant la composition des murs.

-Économie d’énergie l’aide de nouvelles stratégies d’utilisation de la masse thermique et de stratégies de ventilation.

-Bilan de carbone diminué à l’aide de l’utilisation du bois dans les bâtiments à la place du béton.

-Création de nouvelles coupes de murs écoénergétiques avec une masse thermique et un comportement thermique optimisés.

Optimisation des paramètres de polymérisation in situ d’un système glycérol/acide citrique et bois

Problématique

Dans le contexte actuel, les produits de lambris utilisés pour le revêtement extérieur font face à une dégradation irréversible occasionnée par les conditions atmosphériques (photo-dégradation, pourriture, oxydation avec l’air) qui se traduit par une perte de stabilité dimensionnelle. Afin d’empêcher cette dégradation, une étude a démontré qu’il est possible de réduire considérablement ce phénomène en augmentant la stabilité dimensionnelle par la polymérisation in situ dans le bois d’acide citrique et de glycérol. L’optimisation de ce procédé est essentielle pour son utilisation en industrie afin d’en réduire le temps requis et la demande énergétique.

L’objectif de la recherche

L’objectif central de ce projet porte sur l’optimisation des paramètres de polymérisation in situ d’un système glycérol/acide citrique et bois. Lors de ce travail de mémoire, certains aspects seront abordés plus spécifiquement, à savoir :

• Mise au point des paramètres permettant la réduction d’énergie et de temps pour la réaction. • Étude de faisabilité en industrie (aspect économique et environnemental).

Méthodologie

Afin d’obtenir un procédé capable de transformer le bois en matériau inerte aux phénomènes naturels, ce projet sera divisé en deux parties. Le premier segment sera axé sur l’optimisation de la formation de polymère in situ dans le bois à base de glycérol et d’acide citrique. L’accent de l’analyse sera mis sur la caractérisation du polymère obtenu à la suite de l’utilisation de différents catalyseurs, de la variation du temps et de la température et par l’influence du type d’imprégnation (à cœur ou en surface). Le deuxième segment sera axé sur l’étude de faisabilité en industrie des procédés élaborés. Cette partie se fera en collaboration étroite avec Maibec afin de faire une analyse réelle des aspects économiques et environnementaux en jeu.

Applications potentielles et retombées industrielles

Suite aux travaux effectués, ce nouveau procédé une fois optimisé permettra la modification de lambris comportant des avantages notoires sur sa durabilité, son coût et sa compatibilité avec l’environnement. Tous ces avantages additionnés permettront le développement du marché du lambris pour le partenaire industriel Maibec.

Évaluation de l’impact du bois sur la consommation d’énergie et confort visuel dans un environnement architectural

Problématique

 Wood is a naturally available resource in the region of Quebec and besides its mechanical, economical and environmental benefits, wood is a living organism that has long survived on the earth. It is warm to touch and evokes positives memories. Although we are aware of its physical properties, the impact of using wood on visual comfort and energy consumption remains unknown.

L’objectif de la recherche

There are two main objectives in this research

– Study the effect of wood installation on energy consumption. The purpose of this step is to study and compare the distribution of daylight in the space for each experiment.

– Study the effect of wood on visual comfort in workspaces. This step focuses on the effect of location and color of wood inner coating on brightness and contrast of the space.

Méthodologie

 This experimental research analyses the quantitative effects of wood in terms of daylight factor (DF) and daylight autonomy (DA) and qualitative effects in terms of brightness and contrast of the space as well as CIEL*a*b. For the purpose of this research HDR photography, scale model, Photolux system, which consists of a calibrated photo-luminancemeter and Radiance, is used. Scale modeling provides the most accurate way to study quality of daylighting. calibrated photo-luminancemeter allows to collect and analyze complex datasets, correlate luminance distribution patterns efficiently and with high accuracy, specify regions of interest and apply masks to represent human visual zones. The photos will then analyzed in Photolux and to give us information on Daylight distribution within the space, daylight factor and contrast. Beside physical scale model studies, Radiance, a recognized computer model is used to extract the daylight autonomy of the space, a relevant indicator of the energy efficiency of the proposal.

The study will test the hypothesis that careful use of wood in interior spaces enables us in providing comfortable spaces that should be more responsive of users’ preferences, as well as potentially more efficient in terms of daylighting and energy use. This research aims to provide architects and designers with information on how to benefit from wood to create sustainable, comfortable and energy efficient spaces.

Publication scientifique

Téléchargez l’article ci-dessous ou consultez le à: Impact of Indoor Use of Wood on the Quality of Interior Ambiences under Overcast and Clear Skies: Case Study of the Eugene H. Kruger Building, Quebec City

Évaluation des variabilités du profil environnemental du cycle de vie d’un bâtiment et de son pointage de certification LEED, en fonction du choix des matériaux

Problématique

« Les bâtiments résidentiels et commerciaux laissent une empreinte environnementale importante » au Canada en consommant « 50 % des ressources naturelles extraites et 33 % de (…) [l’]énergie » [Industrie Canada, 2013]. Afin de diminuer cet empreinte, plusieurs écolabels et standards sont proposés. Cependant, ceux-ci tendent à se concentrer principalement sur certaines phases spécifiques du bâtiment, ce qui peut engendrer un déplacement de l’impact environnemental sur son cycle de vie.

Objectif de recherche

L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer, par une analyse du cycle de vie (ACV), la variabilité du profil environnemental d’un bâtiment certifié LEED. Cette variabilité sera occasionnée par la modification de différentes configurations de matériaux apportée au bâtiment étudié.

Méthodologie

L’étude se basera sur un édifice à bureau de cinq étages certifié LEED Argent (NC 1.0), qui sera le « Scénario de base ». Pour ce faire, l’ACV de ce bâtiment sera réalisée en le modélisant à l’aide du logiciel SimaPro 8, de la banque de donnée ecoinvent 3.1 et de la méthode d’analyse de l’impact Impact 2002 +. Ensuite, différentes configurations de sous-systèmes, telles que le « Plancher/Plafond » et le « Mur extérieur », et les modifications nécessaires au bâtiment seront relevées et modélisées en réalisant de nouveau l’ACV. Le pointage de la certification LEED v4 pouvant être obtenu en fonction des matériaux de chacun des scénarios sera évalué. Les différents résultats obtenus seront finalement comparés.

Applications potentielles

Cette étude permettra de quantifier l’intensité des impacts environnementaux sur le cycle de vie d’un bâtiment et la variation de ces impacts en fonction des critères relatifs à la certification LEED v4. Dans l’optique d’améliorer l’impact environnemental des bâtiments qu’ils auront à construire, ses résultats seront cruciaux afin de permettre aux industriels d’orienter leurs efforts dans le choix des matériaux et dans l’application de la certification LEED v4.

De la conception à la préfabrication numérique 3D des structures CLT

Problématique

Alors que les principes de développement durable, d’écologie du bâtiment et d’efficacité énergétique prennent une place de plus en plus importante dans le design architectural, le CLT, par ses caractéristiques intrinsèques, représente un matériau de construction idéal pour une architecture écoresponsable. Cependant, les bâtiments en CLT aspirants à offrir des performances énergétiques intéressantes sont généralement limités par les directives et règles de conception qui n’encouragent que peu les expérimentations formelles qui permettraient d’explorer des stratégies passives alternatives appuyées sur la forme du bâtiment. En parallèle, la préfabrication numérique des structures bois a redéfini les limites et frontières de la préfabrication conventionnelle. Ainsi, les concepteurs peuvent maintenant envisager des formes planaires complexes en matériau bois sans augmenter significativement le coût de production grâce à la précision et la diversité des éléments permise par la préfabrication numérique.

L’objectif de la recherche

Ce projet aura pour but d’explorer le développement d’un concept architectural utilisant le CLT dans un esprit de préfabrication numérique 3D et de découpe optimisée. Il s’agit plus précisément de démontrer qu’à travers une approche intégrée il est possible de concevoir et de construire des projets à géométrie complexe en CLT ayant des qualités esthétiques, structurales et environnementales supérieures aux structures en acier ou en béton.

Méthodologie

La méthode utilisée dans le cadre de ce projet est celle de la recherche-création. La recension des écrits permettra en premier lieu de définir les méthodes classiques et expérimentales de mises en œuvre du CLT et d’identifier le potentiel des différents systèmes constructifs envisageables. À partir des données d’un projet architectural expérimental, le système le plus adéquat sera employé selon une approche intégrée à l’aide de simulations dans un logiciel de conception et de modélisation paramétrique 3D. Plusieurs itérations du projet seront proposées tenant compte de l’aspect architectural et structurel, tout en intégrant les contraintes de fabrication. Ces itérations permettront de produire un projet architectural de qualité optimisant la structure et la mise en œuvre, mais surtout offrant des fichiers de découpe permettant un passage direct aux machines-outils à commande numérique dans un esprit d’économie de matériau et de coût.

Applications potentielles et retombées industrielles

Les détails de la démarche numérique employée lors de cette recherche permettront l’avancement des connaissances sur les potentiels constructifs du CLT au Québec. Ce projet sera une démonstration qu’avec les moyens mécaniques dont nous disposons et en utilisant une approche intégrée pour optimiser le matériau et les coûts, il est possible de construire des projets architecturaux plus complexes en passant directement du modèle 3D à la fabrication des pièces sur mesure en CLT.