Pour la réalisation de coques et de structures spatiales, les panneaux de bois s’adaptent facilement à des formes irrégulières et non orthogonales. Les avancées techniques et technologiques simplifient grandement la préfabrication. Toutefois, si les panneaux de bois LVL offrent d’intéressantes propriétés mécaniques, les possibilités de design sont réduites par le manque d’efficacité des éléments de jonction. Des composés géométriquement simples tels que les caissons Kerto Ripa sont assemblés grâce à des liaisons collées. Lors du montage in- situ, il devient en outre nécessaire d’ajouter des attaches ou éléments métalliques de fixation, de plus il n’est pas toujours possible de coller ensemble les éléments sur place, à cause des conditions environnementales particulières requises pour l’usage des colles. Pour des structures plus complexes, telles que des structures pliées, l’assemblage de joints non orthogonaux devient un réel défi, même avec des éléments de jonction métalliques. Des études précédentes ont par ailleurs démontré que l’efficacité structurelle d’un édifice en bois pouvait être considérablement améliorée si les joints venaient à être optimisés.
Les joints mécaniques intégrés 2.0
Une possibilité d’amélioration réside dans la plus vieille méthode d’assemblage connue : les joints mécaniques intégrés. Ce sont des liaisons solides, telles que les tenons-mortaises, les queues d’aronde ou encore les assemblages à queue droite (finger-joints) qui sont communément utilisées dans la charpenterie et la menuiserie traditionnelle. Avec l’industrialisation croissante et la prolifération des machines, ces joints ont été largement remplacés par la production massive de fixations métalliques. Ce n’est que récemment que l’industrie du bois a pris conscience que des outils tels que les interfaces de génération algorithmiques peuvent être utilisés pour l’analyse et la conception des liaisons intégrées, provoquant la résurgence de techniques de fixations mécaniques intégrées.
Une seconde alternative possible pour l’assemblage de panneaux de bois sans l’utilisation de fixations additionnelles existe dans des jonctions dites « élastiques », qui constituent une autre technique connue d’assemblage mécaniques. Ces joints élastiques appelés « joints snap fit » permettent un verrouillage mécanique pour relier ensemble deux éléments de bois. Ils sont aujourd’hui largement utilisés dans l’industrie comme un moyen simple, économique et rapide de connecter deux éléments.
En explorant les propriétés d’élasticité du bois et particulièrement sa viscosité, le laboratoire IBOIS de l’EPFL a mis au point un système de prise mâle et femelle, qui une fois emboîtés (ou “clipsés”) sont capables de maintenir ensemble deux éléments de bois sans ajout de colle ou de métal. Le principe de connexion instantanée pourrait simplifier la mise en œuvre, raccourcir le temps de montage et diminuer son coût.
Le joint se compose d’un élément mâle et un femelle, à la manière d’un tenon-mortaise où le tenon (mâle) viendrait se clipser dans la mortaise (femelle). Le tenon est doté en son extrémité d’un crochet, et subit une compression temporaire pour s’insérer dans la mortaise. Cette compression est permise par l’élasticité du matériau. Lorsque les deux prises sont emboitées, la compression est relâchée et le tenon retrouve son état initial, assurant ainsi l’assemblage des éléments sans stress. L’étude de la force maximale admise par l’élément tenon en compression est primordiale car il faut éviter que les fibres de bois de la tête du tenon ne s’écrasent lors de l’encastrement dans la mortaise. L’utilisation de tels joints pour lier ensemble des panneaux de bois ouvre la porte à de nouvelles structures tridimensionnelles entièrement en bois.
Une nouvelle technologie basée sur des méthodes d’assemblage complémentaires
Si les snap-fit joints peuvent assurer un certain maintien entre les éléments, ils n’admettent en revanche aucune résistance au cisaillement. Afin de pouvoir utiliser ce type de joints en tant qu’éléments de construction capables de reprendre et transmettre les efforts de la structure, IBOIS a combiné les joints snap-fit avec des joints de type queue d’aronde prismatiques qui récupèrent la majorité des efforts. La combinaison de ces éléments a pour résultat un assemblage au comportement mécanique équivalent à des joints vissés. Leur résistance aux efforts tranchants dépend de la longueur des éléments assemblés.
Le temps de découpe des éléments – inexistant dans le cas d’un assemblage conventionnel – est compensé par la rapidité de montage. L’assemblage d’une poutre à joints snap-fit se fait en deux étapes : d’abord le clipsage des éléments latéraux sur l’élément du dessous, puis la partie supérieur vient se clipser et compléter la poutre. Ceci signifie également qu’une poutre peut être transportée démontée et à plat, et montée directement sur le chantier. Son assemblage est intuitif et ne nécessite pas d’outillage particulier. Ce procédé réduit considérablement le volume de transport.
De nombreux avantages sur les liaison métalliques
Les éléments de liaison métalliques tels que les vis conviennent pour un assemblage rapide directement sur le site, contrairement à des liaisons par collage. Toutefois ces éléments additionnels nécessitent une épaisseur minimum des éléments à assembler pour être efficaces, et ils ne peuvent être utilisés sur des panneaux LVL trop fins par exemple. Ils nécessitent également d’importants moyens pour une mise en œuvre précise, contrairement à des joints mécaniques intégrés, qui sont préfabriqués pour s’emboiter parfaitement avec une tolérance de 0.1mm. Le processus de mise en œuvre de ces nouveaux joints (modélisation numérique, paramétrisation, découpe CNC) permet une optimisation de la géométrie des joints au sein même de la structure, et peut être adaptée selon le matériau choisi, son épaisseur, l’angle d’assemblage etc. Le transport des éléments à plat avant montage permet une optimisation du volume déplacé. Les joints snap-fit permettent un assemblage et un désassemblage rapide, Les joints snap-fit forment une connexion bois-bois ; les avantages d’une connexion à matériau unique sont nombreux : aspect et esthétique, facilité de recyclage, conductivité thermique homogène etc. Associés à des joints mécaniques de type queue d’aronde, les performances mécaniques d’un tel assemblage sont très prometteuses.
Une scénographie en bois pour le célèbre opéra Nabucco
Fin novembre 2018, un Nabucco inédit sera présenté à la cathédrale de Lausanne. La scénographie sera complètement hors normes, puisque les places pour les spectateurs et le décor seront créés de toutes pièces, grâce à un important projet en bois, imaginé et conçu par l'EPFL.
Les bancs présentés par IBOIS pour l’opéra Nabucco sont un infime aperçu des possibilités offertes par ces nouvelles technologies. La totalité de la structure mise en place pour Nabucco est démontable et réutilisable. Sa mise en œuvre ne nécessite pas d’outils particuliers et se fait manuellement. Suite aux représentations, certains bancs seront laissés à la cathédrale pour accueillir des évènements ultérieurs, tels que des concerts d’orgue. La structure sera proposée à la vente pour une seconde vie. A moyen terme, des applications dans la construction en bois de ce type de joint pourraient voir le jour.