Structures en bois et charges extrêmes : le comportement du CLT en cas d’explosions ou de tornades

Dans l’ingénierie structurelle, les bâtiments destinés à résister à des charges extrêmes, telles que des explosions ou des tornades, étaient traditionnellement réalisés en acier ou en béton armé. Le comportement de ces matériaux est en effet largement documenté lorsqu’ils sont soumis à des vitesses de déformation élevées et dans des conditions de charge dynamique. C’est pourquoi ils sont habituellement choisis pour des infrastructures militaires, industrielles et à haut risque.

Ces dernières années, toutefois, cette approche a été remise en question. Les structures en bois d’ingénierie, notamment en CLT et lamellé-collé, sont aujourd’hui réévaluées pour leur comportement structurel sous charges dynamiques. Leur excellent rapport résistance‑poids, associé à leur capacité à dissiper l’énergie à travers les assemblages, ouvre de nouvelles perspectives de conception.

Selon des études conduites dans des cadres universitaires et militaires, le comportement des matériaux n’est pas le même sous charges dynamiques que sous charge statique. En présence d’une vitesse de déformation élevée, il est possible d’observer une augmentation de la résistance et de la rigidité.

Dans ce contexte en évolution, Rothoblaas a approfondi le sujet avec le professeur Ghasan Doudak, de l’Université d’Ottawa. Il est l’un des principaux chercheurs sur le comportement des structures en bois soumises à des explosions et l’intervenant de référence au premier TEEW du Canada, prévu en octobre 2026.

Professeur, comment est né votre intérêt pour la conception de bâtiments en bois résistants aux explosions ?

La motivation initiale de cette recherche est née d’une collaboration avec le secteur militaire. Dans ce contexte, le bois n’était pas considéré comme un matériau adapté à la conception de bâtiments soumis à des explosions, comme peuvent l’être certaines infrastructures stratégiques, militaires ou gouvernementales. La question était donc de savoir si les structures en bois pouvaient offrir des performances adéquates en présence de charges extrêmes.

Le bois est, par nature, un matériau léger, facile à transporter et rapide à assembler. Dans les systèmes en bois d’ingénierie, tels que le CLT et le bois lamellé‑collé, ces caractéristiques s’accompagnent d’une bonne résistance aux sollicitations horizontales et aux impacts balistiques. Ces avantages offrent un potentiel d’application important, notamment dans des contextes où la rapidité d’exécution et l’efficacité structurelle sont déterminantes.

Un autre aspect concerne le champ d’application : la résistance aux explosions ne se limite pas au domaine militaire. Les mêmes principes peuvent être utilisés pour améliorer la sécurité des bâtiments civils exposés à des évènements accidentels ou à des charges extrêmes.

Le problème principal tient au comportement du matériau. Intrinsèquement, le bois n’est pas ductile ; pour obtenir des performances adéquates, il est nécessaire d’associer correctement la masse à des panneaux en bois d’ingénierie et, surtout, à des assemblages structurels capables de dissiper l’énergie. C’est grâce à ces assemblages que la structure acquiert de la ductilité. Parallèlement, il est essentiel de modéliser avec précision la pression générée par l’explosion, qui varie fortement en fonction de la distance (contact, champ proche ou lointain).

Vous avez mené des essais à échelle réelle avec des explosions. Quels sont les résultats concernant le comportement du bois ?

L’un des aspects les plus significatifs concerne les effets de la vitesse de déformation (strain rate). Il s’agit de la variation des propriétés mécaniques d’un matériau en fonction de la rapidité avec laquelle il est déformé. En présence de charges dynamiques rapides, comme celles générées par une explosion, le bois peut présenter une résistance supérieure à celle observée en conditions statiques. Il s’agit d’une observation importante, car elle montre que le comportement du bois soumis à des charges extrêmes ne peut pas être évalué avec les mêmes paramètres que ceux utilisés dans la conception traditionnelle.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

Le bois présente de bonnes performances lorsqu’il est soumis à des charges latérales, telles que le vent et les séismes. Cela vaut‑il également pour les explosions ?

Il existe une corrélation, mais aussi une différence fondamentale. Tout comme le vent, les explosions génèrent des sollicitations latérales. Cependant, les charges provenant d’une explosion agissent généralement hors plan, tandis que les actions sismiques se développent principalement sur le plan de la structure. Malgré cette différence, le principe fondamental reste le même : les assemblages sont déterminants. Dans les systèmes en bois d’ingénierie, le comportement structurel est conçu de façon à ce que les panneaux principaux maintiennent une certaine rigidité, tandis que les connecteurs métalliques ont pour rôle de dissiper l’énergie et de réduire le risque de ruptures fragiles.

Cette approche introduit également un avantage opérationnel. Après un évènement extrême, les connecteurs peuvent être remplacés, ce qui permet de remettre en état la structure, à l’aide d’interventions limitées.

Le bois peut‑il rivaliser avec l’acier et le béton dans ces scénarios ?

La comparaison directe est complexe et dépend du type d’application. Si l’on considère le rapport résistance‑poids, le bois peut se révéler compétitif, voire plus performant que l’acier et le béton dans certains cas spécifiques. Cependant, chaque matériau possède son propre domaine d’utilisation. Le bois est particulièrement efficace lorsque l’on veut privilégier des solutions légères, la rapidité de montage et une approche éco-durable. Le béton reste indispensable pour les structures enterrées ou avec de grandes masses, tandis que l’acier apporte la ductilité requise dans de nombreux systèmes structurels. Dans la pratique, les solutions les plus efficaces sont souvent hybrides : le bois fonctionne très bien en combinaison avec des connecteurs en acier, qui assurent la dissipation de l’énergie.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian

Existe‑t‑il des différences entre le CLT et les ossatures en bois traditionnelles ?

Oui, et la différence est importante. Pour résister efficacement aux explosions, il est nécessaire d’utiliser des produits en bois d’ingénierie tels que le CLT et le lamellé‑collé, associés à des assemblages correctement conçus. Les structures légères à ossature en bois n’offrent pas le même niveau de performance face à ce type de sollicitations. La continuité, la masse et le comportement structurel des panneaux en bois d’ingénierie jouent un rôle déterminant dans l’absorption et la redistribution des charges.

En ce qui concerne des évènements comme les tornades, où se situe la principale vulnérabilité des bâtiments en bois ?

Dans la plupart des cas, la faiblesse ne concerne pas les éléments en bois eux‑mêmes, mais les systèmes d’assemblage. Les équerres d’ancrage sont souvent sous-dimensionnées ou mal conçues. De même, les connecteurs pour la toiture sont fréquemment prévus en ne considérant que les charges verticales, sans prendre en compte les actions de soulèvement générées par le vent. Le choix d’adopter des vis structurelles conçues pour résister à la traction, à la place de systèmes moins performants comme les pointes, peut améliorer de manière significative la réponse du bâtiment.

Quelles sont les principales interventions pratiques pour améliorer la résistance du bois aux charges dynamiques ?

La réponse est la même dans tous les scénarios : ce sont les assemblages qui gouvernent le comportement structurel. Avec une conception adéquate, il est possible d’augmenter de manière significative la résistance des structures en bois aussi bien aux explosions qu’aux épisodes de vent violent. Cela implique :

• de sélectionner les connecteurs les mieux adaptés ;

• de concevoir des systèmes capables de dissiper l’énergie ;

• de considérer toutes les directions de charge, y compris les actions de soulèvement et les effets dynamiques.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

Le rôle du système dans la réponse aux charges extrêmes

Les résultats issus des recherches du Professeur Doudak mettent en évidence un changement de paradigme dans l’évaluation du bois en ingénierie structurelle. Utilisé comme matériau d’ingénierie et associé à des assemblages correctement conçus, il peut répondre efficacement à des scénarios de charge non conventionnels. Pour les concepteurs et les ingénieurs, cela implique d’appliquer un concept clair : les performances sous charges extrêmes ne dépendent pas du matériau en lui‑même, mais du système structurel dans son ensemble, notamment des assemblages. Comprendre cette interaction est essentiel pour passer de la conception standard à des contextes à haut risque.

Approfondissez les principes de conception des assemblages et le comportement des structures en bois en participant au TEEW, et consultez la documentation technique sur les systèmes de fixation pour charges dynamiques.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian