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Stèphane
17 / 11 / 2016

Les propriétés mécaniques

de Bambou

Quelles sont les propriétés mécaniques du bambou ? C'est probablement l'une des questions les plus fréquemment posées par les architectes, les ingénieurs et les maîtres d'ouvrage intéressés par l'utilisation du bambou comme matériau de construction. Les propriétés des matériaux pour le bois, l'acier, le béton et même les produits semi-finis en bambou tels que les parquets et les panneaux de bambou sont disponibles depuis longtemps, mais ce n'est pas le cas pour les perches de bambou. Pourquoi ?

"Les propriétés de résistance du bambou sont souvent deux à trois fois supérieures à celles du bois conventionnel. Cependant, les incertitudes juridiques entourant les codes et les normes de construction rendent difficile l'utilisation des tiges de bambou comme matériau de construction structurel en Europe."

Le bambou est un nom collectif pour plus de 1575 espèces végétales différentes appartenant à la famille des graminées (Gramineae). Chacune de ces espèces de bambou possède des propriétés structurelles et mécaniques différentes, tout comme les espèces de bois conventionnelles telles que le teck, le chêne, le balsa, etc. En outre, les propriétés mécaniques d'une même espèce de bambou peuvent également varier considérablement. Ces différences sont dues à la âge de la tige de bambou, le teneur en humiditéle site conditions de croissance (climat, altitude, conditions du sol), et sur lesquelles partie de la tige de bambou les tests sont effectués.

Les espèces de bambou les plus adaptées à la construction étant originaires de pays tropicaux, il est souvent difficile de connaître les conditions de croissance exactes et d'obtenir un bon matériel d'essai. Par conséquent, les différentes études produisent souvent des résultats divergents et le comportement du matériau dans certaines situations n'est pas encore connu avec certitude.

Pourquoi les propriétés mécaniques sont-elles importantes ?

En Europe, il n'existe pas de norme (Eurocode) pour les poteaux de bambou en tant que matériau de construction. L'absence d'un tel code de construction en bambou complique la tâche de ceux qui souhaitent construire avec ce matériau. Il est donc urgent d'établir des règles et des normes claires.

Les tests déjà réalisés sur le bambou pour la résistance à la compression, la résistance à la traction et la résistance à la flexion sont prometteurs et montrent généralement de bien meilleurs résultats que les matériaux de construction traditionnels. Toutefois, d'autres facteurs doivent être examinés avant qu'un code de construction légal puisse être publié pour les poteaux de bambou en tant que matériau de construction. Ces autres propriétés sont :

  • Durabilité
  • Sécurité incendie
  • Impact environnemental
  • Convivialité
  • Efficacité énergétique

Des recherches supplémentaires sont encore nécessaires, notamment dans les domaines de la résistance au feu et de la durabilité. Néanmoins, des progrès importants ont été réalisés ces dernières années avec l'introduction d'une norme internationale ISO 22157.

essai de flexion du bambou
Essai de pliage | Photo : Pablo Acevedo

L'Organisation internationale de normalisation (ISO)

En 2004, l'Organisation internationale de normalisation (ISO) a élaboré sa propre norme pour déterminer les propriétés mécaniques du bambou. Dans la norme ISO 22157, non seulement la déflexion, la compression, la tension et le cisaillement sont cités comme des propriétés importantes, mais la teneur en humidité est également un paramètre pertinent.

Dans cet article, nous présentons quelques résultats de tests provenant de différentes sources et de différents types de bambou. Il est important de noter que tous les tests n'ont pas été réalisés conformément à la norme ISO 22157, mais celle-ci donne une bonne image générale. Pour l'espèce de bambou Guadua angustifolia, plus connue comme le bambou le plus solide du monde, des tests ont été réalisés en Colombie selon la norme ISO 22157. Vous pouvez lire les résultats un peu plus loin.

Pour l'avenir, nous nous référons à des tableaux contenant des informations sur les tests. Ces tableaux se trouvent dans le PDF qui accompagne ce blog.


Résistance à la compression

Pour répondre à la réglementation européenne, deux types de résistance à la compression doivent être testés conformément à la norme ISO 22157, à savoir la résistance à la compression parallèle à la direction des fibres et la résistance à la compression perpendiculaire à la direction des fibres. Curieusement, la norme ISO 22157 ne décrit que la méthode d'essai parallèle à la direction des fibres, et ne fournit pas encore de méthodologie pour la résistance à la compression perpendiculaire à la direction des fibres.

En raison de la forme naturelle de la tige de bambou, ce n'est pas un seul échantillon d'une tige qui sera testé, mais trois échantillons différents par tige. Un échantillon est prélevé dans la partie inférieure de la bûche, dans la partie centrale et dans la partie supérieure de la bûche. Cela est nécessaire parce que la tige de bambou n'a pas une section transversale continue et qu'il existe des différences dans les propriétés structurelles entre la section inférieure, qui a un plus grand diamètre, et la section supérieure, qui a un plus petit diamètre.

construction de troncs de bambou
La construction d'un tronc

Le spécimen ne doit pas contenir de nœuds, car les résultats obtenus sur ces spécimens ne donneraient pas une image fidèle. Les nœuds sont en fait les zones les plus solides (lorsqu'ils sont soumis à une pression) en raison de la structure de la fibre. Un échantillon est toujours prélevé entre deux nœuds, car il s'agit de la zone la plus faible de la tige de bambou.

Lorsque les tiges de bambou sont utilisées comme colonnes ou poutres, seules les sections inférieure, médiane et supérieure peuvent être utilisées pour ces applications constructives. La tête et le tuyau du tronc ne sont pas utilisés pour des applications constructives en raison de leur faible diamètre extérieur.

Résistance à la compression et module d'élasticité du bambou Guadua (G. angustifolia)

En 2010, le Université Los Andes à Bogota, Colombie Les propriétés mécaniques de l'espèce de bambou Guadua angustifolia ont été testées selon la norme ISO 22157. Pour étudier l'influence de l'âge de la tige de bambou sur ses propriétés mécaniques, des tiges de bambou de deux, trois, quatre et cinq ans ont été testées.

Les taux d'humidité respectifs des tiges de bambou étaient de 59,3%, 56,5%, 56,7% et 65,2%. Il est important de mentionner ces taux d'humidité car la teneur en humidité est un paramètre important pour les propriétés de résistance de la tige de bambou. Le diamètre extérieur moyen de la partie inférieure de la tige de bambou était de 13 cm, celui de la partie médiane de 12 cm et celui de la partie supérieure de 10 cm.

La résistance à la compression maximale du Guadua angustifolia (à l'état vert) a été observée sur des rondins de 3 à 4 ans, avec une résistance à la compression moyenne d'environ 1,5 million d'euros. 40 N/mm² . La résistance à la compression du Guadua de 5 ans a diminué d'environ 16% par rapport à la résistance à la compression du Bambou Guadua de 3-4 ans.

test de résistance à la compression du bambou
Les propriétés mécaniques du bambou 6

Comparaison de la résistance à la compression de différentes espèces de bambou

Le tableau suivant donne un aperçu de la résistance à la compression de différents types de bambou. Il est important de noter que tous les résultats n'ont pas été obtenus en utilisant la méthode d'essai prescrite par la norme ISO 22157. Les résultats doivent être considérés comme des valeurs moyennes, la différence d'âge ou de hauteur de la tige de bambou n'étant généralement pas prise en compte.

Conclusion

La résistance à la compression des différentes espèces de bambou se situe en grande partie entre les valeurs suivantes 40 et 80 N/mm². C'est... deux à quatre fois supérieure à la résistance à la compression de la plupart des essences de bois commerciales. La différence de résultats peut s'expliquer par les différentes méthodes d'essai et les échantillons utilisés. Cependant, il est clair que l'âge et la teneur en humidité des perches de bambou ont une influence importante sur leur résistance à la compression. Les pieux de bambou à faible teneur en humidité ont une une plus grande résistance à la compression que les perches de bambou à forte teneur en humidité.


Résistance à la traction

La résistance maximale à la traction du bambou est déterminée en testant les fibres (bandes de bambou) et non la tige de bambou entière. Comme pour la résistance à la compression, la norme ISO 22157 fournit des lignes directrices pour la résistance à la traction parallèle à la direction de la fibre, mais pas pour la résistance à la traction perpendiculaire à la direction de la fibre.

Pour mesurer la résistance à la traction du bambou, on teste trois bandes de test par tige de bambou, prélevées dans la partie inférieure, centrale et supérieure de la tige. Chaque bande de bambou mesure 100 mm de long, 10 à 20 mm de large, et son épaisseur est égale à celle de la tige de bambou.

Chaque éprouvette doit contenir un nœud, car le sens de la fibre du nœud est opposé au sens de la fibre du tronc. Le nœud est donc considéré comme le point le plus faible lorsqu'il est chargé en tension (l'inverse est vrai lors de l'essai de résistance à la compression). La teneur en humidité de chacune de ces éprouvettes doit également être déterminée comme le prescrit la norme ISO 22157.

Le tableau suivant indique la résistance à la traction des espèces de bambou les plus couramment utilisées pour les applications structurelles.

Conclusion

La résistance moyenne à la traction des différentes espèces de bambou se situe en grande partie autour de la fourchette suivante 160 N/mm². C'est... trois à quatre fois supérieure à la résistance à la traction de la plupart des bois commerciaux.


Contrainte de cisaillement

La contrainte de cisaillement maximale que peut supporter une tige de bambou est importante pour le développement des systèmes de connexion. Ici aussi, la norme ISO 22157 fournit des lignes directrices pour la contrainte de cisaillement parallèle à la direction de la fibre, mais pas pour la contrainte de cisaillement perpendiculaire à la direction de la fibre.

Comme dans les tests précédents, trois échantillons par tige de bambou sont testés, prélevés dans la partie inférieure, centrale et supérieure de la tige. La différence avec l'essai de pression est que dans cet essai, la moitié des éprouvettes doit contenir un nœud.

Avant le début de l'essai, le spécimen est mesuré en détail. La hauteur de l'éprouvette et l'épaisseur de la tige sont mesurées aux quatre points de cisaillement. Ceci est important car l'épaisseur de la tige de bambou peut varier et le spécimen peut ne pas être complètement droit.

Contrainte de cisaillement du bambou Guadua (G. angustifolia)

A l'Université de Los Andes en Colombie, la contrainte maximale de cisaillement a également été déterminée sur les mêmes tiges de bambou à partir desquelles la résistance à la compression a été déterminée, en utilisant la méthode d'essai discutée selon la norme ISO 22157. Comme pour la résistance à la compression, le tableau montre que la section centrale de la tige de bambou présente les meilleures valeurs à un âge de trois à quatre ans, et qu'à un âge plus avancé, la contrainte de cisaillement maximale diminue à nouveau. Le bambou de Guadua a une contrainte de cisaillement maximale d'environ 8 N/mm² (à un taux d'humidité d'environ 56,6%).

test de résistance au cisaillement du bambou
Les propriétés mécaniques du bambou 7

Comparaison de la contrainte de cisaillement de différentes espèces de bambou

Les contraintes de cisaillement de différentes espèces de bambou sont présentées dans le tableau ci-dessous. Encore une fois, les résultats doivent être considérés comme des valeurs moyennes car nous ne pouvons pas confirmer que tous les tests ont été réalisés conformément à la norme ISO 22157.

Conclusion

La tension à laquelle se produit le cisaillement, parallèlement à la direction de la fibre, est environ 10 fois inférieure à la résistance à la compression et même jusqu'à 20 fois inférieure à la résistance à la traction de la même espèce de bambou. Néanmoins, la résistance au cisaillement de la plupart des espèces de bambou est environ deux fois la résistance au cisaillement des bois tropicaux (3 à 6 N/mm²).


Résistance à la flexion

La déflexion d'une tige de bambou a une influence directe sur le comportement de la structure construite. Il est donc nécessaire de pouvoir prédire la déflexion de chaque élément d'une structure avant son utilisation. La méthode la plus couramment utilisée pour déterminer la déviation d'une poutre ou d'un poteau est l'essai de déviation à quatre points. Dans la norme ISO 22157, ce test est utilisé pour déterminer la résistance à la flexion d'une tige de bambou.

Résistance à la flexion du bambou Guadua (G. angustifolia)

L'essai de flexion à quatre points prescrit par la norme ISO 22157 a été effectué sur les Université de Los Andes en Colombie. L'essai de flexion a été effectué sur les mêmes tiges de bambou que les essais visant à déterminer la résistance à la compression et au cisaillement.

Lors de l'essai de flexion à quatre points, le module d'élasticité et, bien sûr, la résistance à la flexion ont été déterminés. Les résultats de ce test sont présentés dans le tableau suivant.

Le module d'élasticité du Guadua angustifolia est le plus élevé dans la partie inférieure et moyenne du tronc à un âge de quatre à cinq ans. Ce n'est pas le cas pour la partie supérieure du tronc, où le module d'élasticité le plus élevé est atteint à l'âge de trois ou quatre ans, tout comme dans la détermination du module d'élasticité dans l'essai de compression.

La résistance à la flexion de la tige de bambou n'est pas non plus la même pour les trois parties ; la partie supérieure de la tige de bambou a une plus grande résistance à la flexion que la partie inférieure. La résistance à la flexion augmente avec la hauteur du tronc. La résistance à la flexion de Guadua angustifolia est d'environ 100 N/mm².

Comparaison de la résistance à la flexion de différentes espèces de bambou

La résistance à la flexion du Guadua angustifolia est du même ordre de grandeur que la résistance à la flexion d'autres espèces de bambou couramment utilisées. Le tableau suivant présente un résumé de la résistance à la flexion de certaines autres espèces de bambou. Tous les résultats n'ont pas été obtenus par l'essai de flexion à quatre points prescrit par la norme ISO 22157. Ces valeurs peuvent donc présenter un faible écart, mais elles donnent une idée de l'ordre de grandeur de la résistance à la flexion des différentes espèces de bambou.

Conclusion

La résistance à la flexion de la plupart des espèces de bambou se situe entre 50 et le 150 N/mm² qu'en est-il est deux fois plus élevé que celui de la plupart des bois conventionnels. Les écarts entre les résultats des tests présentés dans le tableau ci-dessus sont probablement dus à la teneur en humidité des tiges de bambou testées et aux différentes méthodes de test. Par exemple, une bûche de bambou ayant une faible teneur en humidité est susceptible d'avoir une résistance à la flexion plus faible qu'une bûche de bambou ayant une teneur en humidité plus élevée.

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