Comment ça marche

Accélérer la transition mondiale vers un habitat durable et accessible. Telle est la mission de Leko.

C'est dans cet objectif que nos équipes ont mis au point un tout nouveau système constructif bois à lames structurelles croisées permettant de bâtir des bâtiments 3X plus résistant et 3X plus isolant. Une nouvelle façon de bâtir, plus responsable, plus durable et plus rentable.

Les systèmes actuels

Ils existent divers types de systèmes constructifs, pour ne citer que les principaux : l’ossature bois (MOB), le bois lamellé croisé collé (CLT) ou non (MHM) et ses dérivés isolés (CLTi).

La MOB, trouve principalement son application dans l’habitat individuel. C’est un système composé de lisses encadrant des montants entre lesquelles s’insèrent un isolant, assurant une bonne isolation thermique. Mécaniquement parlant, l’ossature est fixée à chant (petite inertie en contreventement), elle nécessite donc l’ajout de panneaux OSB (Oriented Strand Board) pour le contreventement, soit un ajout de colle non négligeable. L’assemblage se fait par des pointes (très souples) qui travaillent en cisaillement. Malgré l’évolution des procédés de fabrication, l’automatisation du processus reste partielle et la fabrication des caissons préfabriqués reste principalement artisanale. L’utilisation abusive de colle et sa faible résistance mécanique condamne le système pour son utilisation dans les nouveaux bâtiments bois multi-étages à faible empreinte carbone et haut niveau de confort.

Le CLT pose des problèmes au niveau environnemental raison de la forte présence de colle et des problèmes de production en raison du temps de séchage de la colle. De plus ce sont des panneaux pleins qui nécessitent une sur-isolation importante. Mécaniquement, ils ont une grande résistance mécanique, mais ils travaillent avec une inertie selon deux axes l’un fort, l’autre faible, le panneau se retrouve face à des problématiques de voilement. Les variantes sans colle de ces panneaux porteurs, Massiv Holz Mauer, sont intéressants, mais à l’image du CLT sont fortement consommateurs de bois pour des performances mécaniques qui ne sont pas à la hauteur.

Le CLTi, est un panneau à mi-chemin entre les deux procédés précédents, il est constitué de couches de bois croisés et collés à 90° comme le CLT, mais n’est pas un panneau plein, un écartement entre les lames de bois permet d’insérer des panneaux d’isolant et d’assurer ainsi une forte résistance mécanique et une bonne isolation thermique. La problématique de cette solution, comme la MOB et le CLT, est liée à l’utilisation de colle est à sa rupture fragile.

Leko apporte une solution compétitive et performante

Plan de travail 4

Leko apporte une solution compétitive et performante

À l’origine initiée dans le domaine public après 3 années de recherche, la technologie en bois croisés assemblés par picots aura demandé deux années de développement supplémentaires dans les laboratoires de Leko pour devenir le système constructif à lames structurelles croisées Leko, certifié et industrialisé. Une structure multi-plis unique qui offre aux architectes, constructeurs et promoteurs un moyen rapide et rentable de créer des bâtiments éconergétiques sur-mesure

Une comparaison des différents systèmes de construction a mis en évidence la nécessiter d’améliorer les assemblages, pour qu’ils soient moins polluants et plus résistants. Les panneaux présentant la meilleure résistance mécanique sont collés, c’est-à-dire que l’assemblage est réalisé au niveau de l’interface des bois par un joint de colle. L’utilisation de colle implique cependant un processus de fabrication lent en raison du temps de séchage de la colle en plus de son impact environnemental.

Les travaux de recherche menés par Stéphane Girardon dans le cadre de sa thèse sur l’ « Amélioration des performances mécaniques des assemblages bois sur bois vissés par préparation des interfaces » apportent des pistes intéressantes sur lesquelles les équipes de Leko se sont basées pour développer le système constructif Leko par lames structurelles croisées.

À l’origine initiée dans le domaine public après 3 années de recherche, la technologie en bois croisés assemblés par picots aura demandé deux années de développement supplémentaires dans les laboratoires de Leko pour devenir le système constructif à lames structurelles croisées Leko, certifié et industrialisé. Une structure multi-plis unique qui offre aux architectes, constructeurs et promoteurs un moyen rapide et rentable de créer des bâtiments éconergétiques sur-mesure

Une comparaison des différents systèmes de construction a mis en évidence la nécessiter d’améliorer les assemblages, pour qu’ils soient moins polluants et plus résistants. Les panneaux présentant la meilleure résistance mécanique sont collés, c’est-à-dire que l’assemblage est réalisé au niveau de l’interface des bois par un joint de colle. L’utilisation de colle implique cependant un processus de fabrication lent en raison du temps de séchage de la colle en plus de son impact environnemental.

Les travaux de recherche menés par Stéphane Girardon dans le cadre de sa thèse sur l’ « Amélioration des performances mécaniques des assemblages bois sur bois vissés par préparation des interfaces » apportent des pistes intéressantes sur lesquelles les équipes de Leko se sont basées pour développer le système constructif Leko par lames structurelles croisées.

Figure 1 : Comportements de parois en bois croisé simple et renforcés comparés aux comportements d’une paroi en CLT 3 plis et une paroi en ossature bois standard.

Girardon propose ainsi de mobiliser l’interface sans utiliser de colle par la création d’obstacle sur les surfaces en contact par usinage de la matière. La forme de ces obstacles est un compromis entre leurs facilités d’usinage, la possibilité de reprendre des efforts dans plusieurs directions, la facilité de gestion des stocks, la facilité d’assemblage, la transmission des efforts par compression (meilleure résistance) et par cisaillement.
De ce compris ressort un profil de « picot » pyramidal de base carrée comprise entre 2,5 et 5 mm de largeur. Et un angle de dent compris entre 45° et 90°, préférentiellement 60°, valeur standard dans les outils d’usinage. Cet assemblage permet de bloquer le mouvement des lames dans le plan de leur interface, quatre vis viennent compléter cet assemblage pour le pré-contraindre dans la direction perpendiculaire à son plan.

Assemblage mécanique sans colle, par picots et vis

Bien qu’intéressants, ces travaux de laboratoire étaient encore loin de pouvoir se transcrire en une réalité industrielle. Les équipes de Leko ont donc repris le travail à zéro pour réussi à perfectionner cette technologie dans le but de pouvoir la certifier et l’industrialiser.

Les travaux de recherche et développement ainsi menés par Leko ont permis stable et durable

Plan de travail 4

Girardon propose ainsi de mobiliser l’interface sans utiliser de colle par la création d’obstacle sur les surfaces en contact par usinage de la matière. La forme de ces obstacles est un compromis entre leurs facilités d’usinage, la possibilité de reprendre des efforts dans plusieurs directions, la facilité de gestion des stocks, la facilité d’assemblage, la transmission des efforts par compression (meilleure résistance) et par cisaillement.

De ce compris ressort un profil de « picot » pyramidal de base carrée comprise entre 2,5 et 5 mm de largeur. Et un angle de dent compris entre 45° et 90°, préférentiellement 60°, valeur standard dans les outils d’usinage. Cet assemblage permet de bloquer le mouvement des lames dans le plan de leur interface, quatre vis viennent compléter cet assemblage pour le pré-contraindre dans la direction perpendiculaire à son plan.

Plan-de-travail-60
Plan-de-travail-60

Bien qu’intéressants, ces travaux de laboratoire étaient encore loin de pouvoir se transcrire en une réalité industrielle. Les équipes de Leko ont donc repris le travail à zéro pour réussi à perfectionner cette technologie dans le but de pouvoir la certifier et l’industrialiser.

Les travaux de recherche et développement ainsi menés par Leko ont permis stable et durable.

Interfaces picotée

Le principe du picot est d’aller chercher une résistance à l’interface des bois par création d’obstacle. La forme du picot vient de l’optimisation de cet obstacle pour mobiliser un maximum de surface, augmenter la raideur de l’assemblage tout en restant industriellement réalisable. Nous obtenons donc une dent triangulaire usinée sur la longueur de la lame de bois, dent à base carrée aux endroits « picotés » soit usiné également sur le côté transversal de la lame.

Tête de vis

Plan de travail 150

Assemblage de lames croisées

L’assemblage par picots pour du bois croisés est un assemblage mécanique. Le but recherché étant de maintenir les lames entre elles, et de bloquer leurs degrés de libertés. Pour cela l’assemblage est divisé en 2 parties, la partie supérieure où la traverse est picotée et le montant non et la partie inférieure où le montant est picoté et la traverse non. Le plan de l’assemblage est donc entièrement bloqué, pour venir maintenir cet assemblage fermé, quatre vis sont disposées aux 4 coins de l’assemblage.

Plan de travail 500

Strato Conception

L’assemblage de bois croisés permet de constituer des plis (autrement appelé couches). Chaque pli étant orienté perpendiculairement au précédent de la même façon que le CLT. En revanche à la différence du CLT, ces plis sont principalement constitués d’isolants intercalés entre les bois d’ossature. Ce système de pli permet de monter les panneaux en strato-conception, soit couche après couche comme les imprimantes 3D. En travailler sur des algorithmes d’automatisation, il est ainsi possible de robotiser le montage, le tout secondé par une logistique anticipative. Le bois à l’heure de l’industrie 4.0.

Plan de travail 140

Épaisseur optimisée de 40%

Composé de 3 à 10 plis en fonctions de son utilisation (mur intérieur ou extérieur), le panneau à lames croisées assure à la fois un rôle structurel et fonctionnel. En d’autres termes ce panneau performant 2-en-1 possède des propriétés mécaniques, assurant la descente de charges et le contreventement dans la structure qu’il compose tout en jouant plusieurs rôles de fonctions, à savoir thermique, acoustique, pare-feu, etc. Cette conception intégrée se base sur les préceptes « Integrative Design » du Rocky Mountain Institute visant à faire baisser le coût des bâtiments efficients en repensant la façon dont ils sont construits.

Plan de travail 130

Structure Leko®

Système constructif HQE innovant en bois, préfabriqué off-site dans les usines Leko® et optimisé pour l’assemblage on-site. La technologie LEKO permet de construire des maisons et résidences à très haute performante énergétique et très faible empreinte carbone. Les murs Leko sont 3X plus résistants qu’un mur en ossature bois, 3X plus isolants qu’un mur en CLT, et 40% plus fin qu’un mur conventionnel.

maison

Principe de fonctionnement de l'assemblage (global)

L’assemblage par picots est un assemblage mécanique, c’est-à-dire que c’est la géométrie des différents composants qui permet la transmission des efforts par contact. Ainsi, la direction des différentes rainures longitudinales et transversales permet de définir le blocage d’un certain nombre de degrés de liberté. L’assemblage se faisant dans le plan de l’interface, le nombre maximum de degrés de liberté sur lesquelles l’assemblage peut agir est trois : deux translations (Tx, Ty) et une rotation (Mz).

Plan de travail 40

Ainsi, bloquer ces 3 DDL, permet de faire travailler le système dans les deux directions et donc l’utiliser en contreventement comme un panneau de CLT par exemple. L’usinage des rainures à 90° l’une de l’autre nous permet trois grands cas de figures.

Le premier, un assemblage picoté sur les deux faces au niveau de l’assemblage, n’est pas une configuration que l’on va retenir puisque les picots de viennent pas faire obstacle les uns aux autres. Les rainures longitudinales d’une lame viennent glisser dans les rainures transversales de l’autre et inversement.

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Dans le deuxième cas de figure une lame est rainurée uniquement longitudinalement, l’autre est picotée sur toute la surface d’assemblage, « assemblage plein ». Ainsi les picots laissent libre la translation parallèle aux rainures longitudinales de la seconde lame, mais bloque la direction perpendiculaire à ces rainures. Ce qui nous permet de bloquer une translation et la rotation dans le plan.

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Un troisième type d’assemblage possible correspond à un « demi assemblage ». Soit, pour une des lames que l’on nommera traverse, rainurée longitudinalement, la largeur de l’usinage des rainures transversales dans la longueur de la lame est de 120mm (largeur de l’outil), la longueur de l’usinage des rainures transversales dans la largeur de la lame est de la moitié, soit 60mm (schéma de gauche). Soit pour l’autre lame que l’on nommera montant (schéma central), rainuré longitudinalement, l’usinage des rainures transversales est de 120x120mm.
En revanche pour optimiser la sollicitation mécanique de l’assemblage, on décale le positionnement de cette rainure de 60mm, la largeur d’outil nous obligeant à usiner le double. Soit, la partie supérieure de l’assemblage permet de bloquer un premier degré de liberté en translation et la partie inférieure de l’assemblage permet de bloquer le second degré de liberté en translation. La rotation étant bloquée par la partie inférieure et supérieure.

Plan de travail 2

Tous les degrés de libertés dans le plan sont bloqués, en revanche ce n’est pas le cas des degrés de liberté dans l’espace, il reste en effet 1 translation, normal à l’interface de contact et 2 rotations à bloquer qui tendent à séparer les lames l’une de l’autre. Il faut « fermer » l’assemblage, c’est pourquoi 4 vis, situées aux 4 coins de l’assemblage pour plaquer correctement le bois aux endroits où les contraintes sont les plus concentrées (bras de levier et peu de diffusion des contraintes aux extrémités).

Plan de travail 30

Principe de fonctionnement de l'assemblage (local)

Localement les picots viennent au contact les uns des autres, la transmission d’effort se fait par frottement des faces des picots sollicités les uns sur les autres selon la direction de l’effort. Lorsqu’un picot appuie sur une rainure longitudinale, il la fait travailler en cisaillement roulant (compression locale transversale de ses fibres), alors que lui-même travaille en cisaillement longitudinal (compression locale longitudinale de ses fibres) plus résistant que le cisaillement roulant. En revanche, comme les fibres des picots sont tranchés, la diffusion des contraintes ne peut pas se faire le long de la fibre, c’est pourquoi ce sont les picots qui cassent et non la rainure, l’inertie à mobiliser est moins importante.

Nécessité de la précontrainte

En théorie les picots s’emboitent parfaitement, en pratique, un jeu existe provenant de l’usinage, d’un certain retrait du bois ou simplement d’une irrégularité du bois. Hors l’assemblage fonctionnant par frottement, il faut une sollicitation maximum des surfaces des picots. C’est pourquoi les vis doivent permettre de pré-contraindre l’assemblage pour permettre de solliciter un maximum de surface transmettant le contact et éviter l’existence d’un jeu initial, source de glissement.
La précontrainte a une seconde fonction, elle permet d’augmenter par frottement l’effort transmissible entre deux éléments, conséquence directe de la compression perpendiculaire locale. La transmission passe par la compression du bois également et non plus seulement par le cisaillement (qui a une résistance plus faible que la compression).

Les vis standard sur le marché n’étaient pas optimales vis-à-vis de notre système, notamment en raison de la trop grande dégradation des picots. C’est pourquoi un partenariat avec Schmid Schrauben a été mis en place pour développer une nouvelle vis :

Plan de travail 560

Tête de vis

Le diamètre de la tête de la vis (1) est le diamètre minimum pour une empreinte TX 20 : Standard torx, c’est pourquoi la tolérance ne peut être que positive. La dimension m correspond au diamètre du corps de la vis, filetage compris (calculé sur la moyenne des deux filets).

L’empreinte torx a été sélectionnée par rapport aux empreintes plus classiques (fente, cruciforme, Allen, …) car sa forme augmente la surface de contact entre la vis et l’embout permettant ainsi d’appliquer un couple de serrage plus important en réduisant le risque de déformation de l’empreinte ainsi que le risque d’éjection de l’outil.

Le diamètre de la tête a été optimisé pour être le plus petit possible, en effet, le but étant de pénétrer dans la rainure en endommageant le moins de picots possibles pour garder l’assemblage mécanique par picots performants. Ainsi chaque vis est enfoncée dans le creux d’une dent (Figure 5), ainsi il n’y a que quatre picots endommagés sur la moitié de leurs faces travaillantes (Figure 6).

La hauteur de la tête est dépendante directement du standard de l’empreinte TX20-255 (2a) et de son procédé de fabrication (2b, 2c, 2d).

Plan de travail 1

Corps de la vis et filets

Le diamètre intérieur de la vis (3) -hors filetage- est le diamètre minimum pour avoir la résistance souhaitée de la vis en torsion (4,2 Nm) et en traction (5,8 kN). Encore une fois le diamètre est recherché minimum pour minimiser l’endommage des picots et la possibilité de fendage du bois.

Plan de travail 530

La vis est composée de deux filetages pour des raisons de vitesse et de résistance. Plus le pas du filet est important plus la vitesse de pénétration dans le bois est grande, c’est pourquoi le pas (4) est important. La présence de deux filets de dimensions différentes permet de travailler localement le bois en cisaillement (lors d’un effort général de traction) sur deux plans de cisaillement différents (Figure 7), ce qui permet dans un premier temps d’augmenter la reprise du cisaillement en traction et dans un second temps de diffuser la contrainte dans le bois. La dimension du premier filetage (5a) a un ratio de 1.6 avec le corps de la vis (3), ce ratio étant actuellement optimisé par le fabricant pour le bois de feuillus. La dimension du second filet (5b) dépend du mode de fabrication des filets (peigne standard du fabricant).

Plan de travail 50

Le filet longe la vis sur toute sa longueur pour maximiser la résistance à l’arrachement de la vis dans le bois et pré-contraindre l’assemblage. La longueur de la vis (6), est recherchée en fonction de l’épaisseur de nos bois, en effet, elle est égale à la distance entre le fond d’une dent et la pointe de celle opposée, tout en conservant un jeu pour enfoncer la tête dans le bois et ne pas gêner l’assemblage par picots.

La pointe de la vis

L’angle de la pointe (7) est un angle standard pour tous les fabricants de vis. La forme obtenue par matriçage à froid, permet un effet de pré-perçage et diminue ainsi le risque de fendage.

Rôle de la vis

Le bois a une faible résistance en cisaillement roulant, il est donc nécessaire d‘avantager la transmission des efforts plutôt par compression [Girardon]. La vis permet ainsi de pré-contraindre l’assemblage, soit appliquer une contrainte de compression entre les bois pour maximiser le contact des picots entre eux et mettre le bois en compression.
Elle permet également de bloquer la 3ème direction, normale à la surface de contact des picots pour empêcher le désemboîtement des picots.

Le positionnement des vis dans l'assemblage

Pour chaque croix d’assemblage (croisement de deux lames rainurées), 4 vis permettent le maintien des lames l’une contre l’autre, les vis sont placées aux quatre coins de l’assemblage pour couturer plus largement possible l’assemblage. L’écartement au bord est celui minimum avant fendage du bois. En effet en se positionnant le plus à l’extérieur possible des bois, les lames sont plaquées à leurs bords, là où sont localisés les efforts les plus importants lorsque l’assemblage subit un moment.

Le 1er jeu de quatre vis (1) est placé selon cette réflexion, le second jeu (2) lui, est une rotation du premier selon un angle de 90° autour du centre de l’assemblage. Ce qui permet l’utilisation d’une pince avec une configuration unique pour le montage. Les pinces sont à justifier par les campagnes d’essai (hors Eurocodes), démonstration sur papier.

Plan de travail 1

Matière première locale, abondante et sous-valorisée

La nouvelle technologie en bois croisés Leko, vise à transformer une ressource aujourd’hui abondante et gaspillée, celle du Bois Énergie (BE), qui part en fumée. Ce gisement d’or vert est issu des coupes d’éclaircies des bois de feuillus nécessaires pour permettre un accroissement pérenne de la forêt. Ces coupes représentent à elles seules près de 20% de la récolte en Grande Région chaque année, soit 2 millions de m3, autant de bois pour construire 10 000 maisons chaque année (5 millions de m2 de murs Leko). L’accroissement annuel de la forêt étant supérieur à la récolte.

Plan de travail 510
Plan de travail 180