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4.2 Types de joints en bout
Ce rapport décrit les résultats d’études en cours ou antérieures réalisées par Forintek sur les méthodes utilisées pour l’aboutage du bois et la qualité des produits. Il donne une description détaillée des différents paramètres susceptibles d’affecter le procédé d’aboutage et la qualité du produit fini. Il contient également une masse de renseignements publiés dans le cadre d’ateliers, de conférences ou de revues techniques. Cette information a été regroupée et intégrée dans un format simplifié de façon à être utilisable dans la fabrication des bois aboutés. L’un des chapitres porte sur le processus de qualification et de contrôle de la qualité des bois de charpente aboutés et décrit les normes canadiennes de produits spéciaux applicables. On trouvera à la fin de chaque section un paragraphe traitant d’idées de recherche novatrices, de questions importantes pour l’industrie canadienne du bois abouté et de lacunes dans les connaissances.
A system which integrates architectural and structural design issues for timber connections will be developed for a limited number of connections and loading conditions which are dealt with in various national and international codes and standards. The scope of engineering issues relevant to connections will be expanded to include a wide range of timber connections and engineering solutions which are not covered by code procedures. This will include cases such as 3-dimensional loading configurations, dynamic analysis of connections and more rigorous analysis procedures. Progress on these objectives is described.
Lors de la conception des structures en bois d’oeuvre, il importe que les éléments de la charpente, telles les poutres, les colonnes et les fermes, soient conçus de manière à résister aux charges prévues, puisqu’une chaîne n’est jamais plus forte que son maillon le plus faible. Il est tout aussi important que les assemblages de ces éléments soient conçus avec soin. Un assemblage doit pouvoir transmettre la charge et ses contraintes, d’un élément à un autre, en respectant des limites acceptables de déformation. Le rendement adéquat de l’assemblage importe particulièrement dans le cas des structures construites dans les régions sismiques, où la défaillance d’un assemblage peut entraîner l’effondrement de la structure lors d’un séisme important. L’introduction de divers produits du bois sur le marché a accru les occasions d’utiliser le bois dans diverses applications structurales, ajoutant ainsi à l’importance du rôle des assemblages dans les éléments structuraux.
There is interest in the lumber and truss industry to supply and use fingerjoined lumber for metal plate connected wood trusses. To support this, it is necessary to provide evidence that fingerjoined lumber meeting the requirements of a recognized fingerjoined lumber product standard can be used with the lumber design provision provided in the governing wood engineering design code.
In consultation with the truss and lumber industry, it was agreed that fingerjoined machine graded lumber meeting the requirements of the National Lumber Grades Authority (NLGA) Special Product Standard 4 (SPS 4) would be assessed for truss applications. The assessment would need to show no issues with applying the lumber design provisions in Clause 5.5.13 of CSA O86, the Canadian Engineering Design in Wood Code, to NLGA SPS 4 fingerjoined lumber. This is necessary because Clause 5.5.13 was originally developed for non-fingerjoined lumber and applies specifically to the design of lumber in truss applications.
The tests carried out under this program included bending test specimens with 1 to 4 joints per specimen tested to failure under three different bending moment configurations, and single fingerjoints tested to failure under pure axial tension or compression, and then under eccentrically applied axial tension or compression to induce bending in addition to the axial loading. All test specimens were prepared using a 2100f-1.8E grade spruce-pine-fir lumber and because the test to failure was typically less than 5 minutes, polyvinyl acetate (PVA) adhesive was used to bond the fingerjoints to facilitate joint fabrication.
Additional testing was also carried out to extend the testing protocol developed in 2008-09 for assessing fingerjoint adhesives under sustained tension loads. Samples bonded with a known performing adhesive, phenol resorcinol formaldehyde (PRF), were substituted with samples bonded with PVA, a known poor performer under sustained loads.
In the bending test, test span configuration and characteristic number of joints showed strong effects on the average bending capacity of the fingerjoints. While more joints in the region of maximum bending moment were expected to contribute to lower bending capacities, this was not as evident in this study. This is likely due to the small sample sizes and the tight control over the joint strength (i.e. low strength variability). Instead, having one or more fingerjoints in the maximum moment zone but near the load points appeared to have a stronger effect. The bending strength reductions were on the order of 5 to 10%.
In the combined loading test, loading eccentricity showed a strong effect on the capacity of the fingerjoints in both tension-bending and compression-bending. The tension-bending interaction should be noted for those evaluating online or offline tension test results. Both the tension-bending and compression-bending results are consistent with the assumptions in the CSA O86 design code.
Green finger jointing is increasingly becoming a proven possibity with three main technological processes, the New Zealand Greenweld process, the US soybean-based adhesive process and the US soybean-based adhesive process by assessing drying degrade and mechanical performance of green-glued finger-jointed material after drying. The urethane-based adhesive process was studied in a previous project. Overall, we did not observe performance differences between the Greenweld and the soybean-based adhesive processes. This was to be expected since they are both phenol resorcinol formaldehyde types of adhesives. Thus, the process choice should be made based on other considerations than mechanical performance, such as economical or procedure preferences. In comparison with the polyurethane adhesive studied before, it appears obvious that more stress concentration is present at the joint after drying because of the failure modes observed. However, with long term use, this product (the urethane-based adhesive) still needs to be studied because it is less known than the two other phenol-resorcinol-formaldehyde based processes. The results also demonstrate that green finger-jointing material, such as black spruce and balsam fir, could at least be used to produce stud grade lumber.
Des visites industrielles auprès des producteurs et des utilisateurs de panneaux collés sur chant ont été effectuées afin de définir ce qu’est un collage sur chant de qualité pour les produits d’apparence. Cette enquête répondait ainsi au premier objectif spécifique du projet. Lors des visites, des panneaux collés avec joints de bonne et de mauvaise qualité ont été recueillis pour examen au laboratoire de Forintek. Des mesures effectuées au microscope ont permis d’établir à 0.05 mm la valeur maximale acceptable de largeur du joint de colle d’un panneau. Les principales causes de joints problématiques propres à l’opération de délignage des bandes sont l’éclatement des fibres du bois sur l’arête, la trop grande rugosité de la surface sur chant et la mauvaise rectitude du trait de scie. La proportion de panneaux rejetés reliés à ces causes varie de 0.5 à 3 %. Les fentes en bouts et les joints ouverts aux extrémités dus à un retrait en largeur des bandes de bois suite à un séchage sont responsables d’une plus grande proportion de rejets de panneaux.
La plupart des usines visitées utilisent une scie à refendre à lame unique pour le délignage de bandes de largeur variable. Les modèles de déligneuse Mattison 202 et 404 sont utilisés dans la majorité des cas. Toutefois, certaines usines utilisent des modèles à scies multiples. Suite au délignage, la qualité du trait de scie est vérifiée de façon visuelle seulement. La présence de la pointe de diamant sur chant est utilisée comme indice de qualité collage. La seconde année du projet portera sur l’identification et le développement de méthodes d’évaluation des paramètres affectant la qualité collage.
Des visites industrielles auprès des producteurs et des utilisateurs de panneaux collés sur chant ont été effectuées afin de définir ce qu’est un collage sur chant de qualité pour les produits d’apparence. Lors des visites, des panneaux collés avec joints de bonne et de mauvaise qualité ont été recueillis pour examen au laboratoire de Forintek. Des mesures effectuées au microscope ont permis d’établir à 0.05 mm la valeur maximale acceptable de largeur du joint de colle d’un panneau. Les principales causes de joints problématiques propres à l’opération de délignage des bandes sont l’éclatement des fibres du bois sur l’arête, la trop grande rugosité de la surface sur chant et la mauvaise rectitude du trait de scie bien que l’angle d’équerre de la scie constitue aussi un paramètre critique. La proportion de panneaux rejetés en usines reliés à ces causes varie de 0.5 à 3 %.
Des mesures de rugosité sur un échantillon de bandes recueillies en usines ont permis d’établir des valeurs représentatives de rugosité sur chant de bandes utilisées à la production industrielle de panneaux. Des mesures de rugosité sur des bandes délignées en laboratoire ont démontré les effets importants du modèle de scie et de la vitesse d’alimentation, ou avance par dent, sur les valeurs de rugosité sur chant. Des mesures effectuées sur des bandes délignées à partir de scies usées ont démontré que la rugosité sur chant ne permet pas de détecter le niveau d’usure d’une scie, les valeurs moyennes de rugosité étant similaires à celles de bandes délignées à l’aide de scies bien affûtées.
Suite à la fabrication de panneaux en laboratoire à partir de bandes présentant une large gamme de rugosité sur chant, des mesures ont démontré l’augmentation de la largeur des joints de colle, l’augmentation de la proportion des joints de largeur supérieure à 0.05 mm (trop apparents) et la diminution de la résistance en cisaillement des joints de colle avec l’accroissement de la rugosité sur chant des bandes. Les paramètres de collage (type de colle, pression aux serres, température ambiante, etc.) furent gardés constants pour la fabrication de l’ensemble des panneaux.
Finalement, en fonction des résultats obtenus dans le cadre de cette étude, des valeurs de rugosité sur chant Ra et Rt de 9 µm et 80 µm respectivement peuvent être considérées comme des valeurs permettant la fabrication à grand volume de panneaux avec joints de colle de qualité, une augmentation de la rugosité sur chant résultant en des joints de colle plus apparents.
