Ecole Nationale des Ponts et Chausses 2008-2009

2e anne Rapport de semaine douverture Introduction aux matriaux

Le Bambou dans la construction

Rdacteur : Sbastien FONLUPT AST OFF GCCSminaire pilot par le dpartement Gnie Civil et Construction Du 23 au 26 septembre 2008

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RemerciementsPour sa contribution llaboration de ce rapport, je tiens remercier tout particulirement Laurent Gilet, charg de dveloppement de la socit Bambou Technologie Carabe, base en Martinique et spcialise dans la construction de maisons et bungalows en bambou. La ractivit dont M. Gilet a fait preuve et la qualit des informations fournies mont permis de mener bien ce travail.

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Sommaire gnral

REMERCIEMENTS .................................................................................................................................................. 3 SOMMAIRE GENERAL ........................................................................................................................................... 5 INTRODUCTION ....................................................................................................................................................... 7 1 GENERALITES SUR LE BAMBOU .............................................................................................................. 8 1.1 1.2 1.3 1.4 2 DESCRIPTION BOTANIQUE ........................................................................................................................... 8 CONDITIONS DE RECOLTE ........................................................................................................................... 8 LOCALISATION............................................................................................................................................ 9 LECONOMIE DU BAMBOU ........................................................................................................................... 9

PROPRIETES DE LACIER VERT ....................................................................................................... 10 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 DESCRIPTION STRUCTURELLE ................................................................................................................... 10 DONNEES CHIFFREES ................................................................................................................................ 11 COMPORTEMENT EN RUPTURE .................................................................................................................. 11 DURABILITE DU BAMBOU.......................................................................................................................... 11 Les diffrentes attaques dont le bambou fait lobjet............................................................................ 11 Traitements possibles .......................................................................................................................... 12 Dure de vie ........................................................................................................................................ 12

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APPLICATIONS ............................................................................................................................................. 12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 ECHAFAUDAGES ....................................................................................................................................... 12 CONSTRUCTION DE MAISONS ET EQUIPEMENTS INTERIEURS ..................................................................... 13 ARMATURES POUR BETON ARME............................................................................................................... 14 LAMELLE-COLLE ...................................................................................................................................... 14 BIO-POLYMERES ....................................................................................................................................... 14

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UN MATERIAU ECOLOGIQUE.................................................................................................................. 15 4.1 4.2 4.3 FIXATION DU CO2 ..................................................................................................................................... 15 LUTTE CONTRE LEROSION DES SOLS ........................................................................................................ 15 FAIBLE CONSOMMATION DENERGIE ......................................................................................................... 15

CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 16 ANNEXE 1 : CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE DIFFERENTES ESPECES DE BAMBOUS COMPAREES A CELLES DU DOUGLAS ........................................................................................................... 17 ANNEXE 2 : CONTEXTE NORMATIF ................................................................................................................ 18 BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................................................... 19 TABLE DES ILLUSTRATIONS............................................................................................................................. 20

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IntroductionDans le cadre des semaines douverture, le dpartement Gnie Civil et Construction a organis une semaine de stage intitule introduction aux matriaux de construction articule autour de visites dentreprises (acirie, verrerie, scierie, cimenterie) dans lest de la France. Les matriaux de construction taient jusqualors gnralement choisis pour leur fonctionnalit, leurs caractristiques techniques et leur cot. Cependant ces dernires annes, la question grandissante du dveloppement durable, en particulier dans les pays occidentaux, a conduit inclure le cot environnemental comme critre dans les principes constructifs retenus. Depuis une vingtaine dannes, les recherches se sont portes sur la mise au point de matriaux et de technologies qui consomment un minimum dnergie lors de leur production. Lattention sest peu peu tourne vers des matriaux nonindustriels, tels les fibres vgtales ou le bambou. Le bambou, matriau renouvelable croissance rapide, facile cultiver et dot de bonnes caractristiques techniques semble tre une alternative possible aux matriaux traditionnels que sont le bton, lacier ou le bois. Ainsi, architectes et crateurs en qute de technologies adaptables au plan local redcouvrent aujourdhui les qualits de construction de ce matriau et les mthodes de mise en uvre. Aprs avoir prsent le bambou de manire gnrale, ce rapport sintresse aux caractristiques techniques de ce vgtal, dont les applications sont toujours plus nombreuses avec lavnement du dveloppement durable

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1 Gnralits sur le bambouLe mot bambou provient du malais "mambu" qui signifie "bois indispensable". Dans cette partie, nous verrons en quoi cette plante, unique dans le monde vgtal, facile cultiver et bien implante lchelle mondiale revt une grande importance du point de vue conomique.

1.1

Description botanique

(www.wikipedia.com)

Le bambou est une gramine dont la tige est forme d'un chaume ou canne, lignifi, fistuleux (c'est--dire en tube creux) cloisonn aux nuds et la croissance trs rapide (le bambou produit six fois plus de cellulose que les espces de pins croissance rapide). Le bois des chaumes, riche en silice, est trs dur et trs rsistant. La cicatrice visible aux nuds est la trace de la gaine des feuilles tombes. Le chaume peut se diviser en rameaux feuills, eux mmes diviss en ramuscules. Les bambous ont un vaste systme de tiges souterraines, appeles rhizomes (par exemple, les rhizomes de Phyllostachys bambusoides parcourent plus de 3 m par an et dautres espces produisent un rseau de rhizomes qui peut couvrir jusqu' 1000 m2). Les rhizomes permettent la plante de crotre en formant des touffes plus ou moins serres. Les racines sont adventives (croissance latrale) et se dveloppent autour des nuds du rhizome. Plantes uniques dans le monde vgtal, les bambous ne prsentent pas pour autant un aspect uniforme et comptent environ 80 genres et plus de 1200 espces (famille des Poaceae, sous famille des Bambousoideae). La taille, la forme, la couleur et les caractristiques mcaniques des tiges varient selon les espces, et au sein dune mme espce, en fonction de lenvironnement de la plante. La vitesse de croissance peut chez certaines espces atteindre un mtre par jour. Bien que le bambou ne soit pas un arbre du point de vue botanique, on parle de fort de bambous.

Figure 1 : diffrentes espces de bambous (www.bambus\new\eng\reports\mechanical_properties\referat2.html, 2002)

1.2

Conditions de rcolte

(Kermoal, 2008)

Les espces importantes dun point de vue commercial atteignent habituellement la maturit en quatre cinq ans. Des rcoltes sont par la suite possibles tous les deux ans, sans limite de dure pour certaines espces. Le bambou est galement au premier plan pour la production de biomasse, puisqu'il en fournit jusqu' 40 tonnes par hectare et par an. On estime qu'environ un quart de la biomasse dans les 8

rgions tropicales, et un cinquime dans les rgions subtropicales, proviennent du bambou. La tige du bambou, qui est la partie la plus importante de la plante, conomiquement parlant, peut atteindre et dpasser 40 m chez certaines espces, en trois quatre mois. On estime qu'en 35 ans, un bambou peut produire jusqu' 15 km de perche utile, d'un diamtre pouvant aller jusqu' 30 cm.

1.3

Localisation

Cette plante a fait son apparition il y a environ 200 millions d'annes et pousse naturellement aujourd'hui dans les zones tropicales, subtropicales et tempres de toutes les rgions du monde, des altitudes variables, (jusqu' 3000 m dans l'Himalaya), l'exclusion de l'Europe et de l'Asie occidentale. Le bambou tolre une vaste gamme de sols (depuis les sols pauvres en matire organique jusqu' ceux riches en minraux), et les conditions d'humidit les plus diverses (de la scheresse aux inondations). D'aprs des recherches rcentes, le bambou tait rpandu en Europe il y a 3 millions d'annes, mais il a disparu durant la dernire priode glaciaire. Leur aire de rpartition a connu une forte progression par la culture. Les Portugais le firent connatre en Europe sous son nom actuel. Ils furent galement les premiers lacclimater, en 1730. En 1747, il fut implant la Martinique do il gagna les Antilles puis les Amriques, o il prospra naturellement.

Figure 2 : zones o le bambou pousse l'tat naturel (www.wikipedia.com)

1.4

Lconomie du bambou

(Kermoal, 2008)

On estime que le bambou rapporte chaque anne 7 milliards de dollars EU partags entre 2,5 milliards de personnes (oprations commerciales et utilisations de subsistance confondues). La plante a plus de 1 500 utilisations connues (tissage, papier, construction, alimentation). Plus d'un million de personnes vivent dans des maisons en bambou, ou dont le bambou est un lment matre de la structure, du revtement ou de la toiture. Ainsi le bambou, ressource renouvelable, disponible sur la majorit du globe, constitue, sous de nombreuses formes, une source de revenus pour des milliards dindividus.

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2 Proprits de lacier vert La popularit du bambou est certes lie sa facilit de culture mais aussi ses excellentes caractristiques mcaniques directement issues de sa structure naturelle. Les valeurs de rsistance du bambou le classent au-dessus des bois de construction traditionnels auxquels il emprunte les mthodes de prennisation.

2.1

Description structurelle

Les proprits mcaniques du bambou diffrent en fonction de lespce, de lge (optimum 3-4 ans), des les conditions climatiques, de lhumidit des cannes, et de leur longueur. Mais dans tous les cas, les proprits mcaniques du bambou, soumis une force de compression ou de tension, sont excellentes, quivalentes ou suprieures aux bois de construction communs. Les performances du bambou sexpliquent par sa structure naturelle : une structure creuse, des fibres longitudinales et labsence de nuds tels que ceux que lon peut observer sur les bois de construction habituels.

Figure 3 : schma de la vue en coupe d'un bambou (Dveloppement d'une poutre de bton arme de bambou, 2006)

Les fibres de bambou observables dans la coupe transversale du chaume ont un diamtre compris entre 10 et 20 microns, mesurent de 2 5 mm de longueur et sont rigoureusement parallles. Elles occupent 40% de la paroi et sont disposes autour des vaisseaux conducteurs. On distingue la partie interne de la tige qui reprsente 70% de lpaisseur et la partie externe de la tige. Le pourcentage de fibres est suprieur dans la partie extrieure du chaume qui est ainsi plus rsistante tant en flexion quen traction. Les bambous ont un faible module dlasticit ce qui peut entraner laffaissement des structures. La rsistance en compression du bambou est suprieure dans le sens longitudinal comme la plupart des bois de charpente.

Figure 4 : coupe transversale de bambou (Nguyen-Trong-Thu)

Figure 5 : coupe transversale vue au microscope (Razak)

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2.2

Donnes chiffresMasse volumique : 500 800 kg/m3 Rsistance la traction : 100 400 MPa Rsistance la compression longitudinale : 25 100 MPa Rsistance la flexion : 70 300 MPa Module dlasticit : 10.000 30.000 MPa Rtractabilit : 3 12%

On trouve pour le bambou les donnes techniques suivantes (Kermoal, 2008) :

Des tests mens par les universit dtats de Washington (WSU) et dHawa (UHI) donnent des rsultats similaires et montrent que plusieurs espces de bambous ont de biens meilleurs caractristiques que le Douglas. Il est noter que le rapport entre sa rsistance et sa masse volumique classe le bambou devant le bton, lacier et les bois de construction traditionnels. Comme pour les bois de construction, le taux dhumidit influe sur les proprits mcaniques du bambou. Plus lhumidit est leve, moins les caractristiques mcaniques sont bonnes (taux dhumidit optimal aprs schage : 15 20%). Cest la partie interne de la tige, moins dense, qui emmagasine la plus grande quantit deau. Comme pour le bois, le schage du bambou entrane un retrait de 3 12 % dans le sens radial et ngligeable dans le sens longitudinal.

2.3

Comportement en rupture

Figure 6 : rupture en flexion d'une tige de bambou (Dveloppement d'une poutre de bton arme de bambou, 2006)

Le comportement en rupture des bois de construction communs diffre des conditions de ruine du bambou. Pour ce dernier, il ny a pas de cassure spontane de toute la section du matriau. Les fissures apparaissent immdiatement dans la direction des fibres. Ainsi la dtrioration de la rgion critique est moindre. Le transfert d'nergie est retard par la diffusion. En outre, la distribution longitudinale des fentes sur toute la longueur du tube est stoppe par les nuds.

2.4

Durabilit du bambou2.4.1 Les diffrentes attaques dont le bambou fait lobjet

Le bambou, matriau naturel, est sensible lhumidit et aux attaques dinsectes ou de champignons, cest pourquoi son utilisation ncessite un traitement pralable.

Figure 7 : attaque de champignons sur la paroi d'une cellule de bambou (Razak, 2006)

Figure 8 : attaque d'insectes sur une tige de bambou (Razak, 2006)

2.4.2

Traitements possibles

On distingue les traitements traditionnels dont lefficacit nest pas avre (trempage dans de leau froide ou chaude pendant un mois, cuisson) et les traitements chimiques efficaces mais qui nuisent la rputation cologique du bambou. Les traitements chimiques sont les mmes que ceux mis en uvre pour les bois de construction traditionnels.

2.4.3

Dure de vie

La dure vie des matriaux en bambou en extrieur et non traits varie de trois cinq ans, suivant les espces et le climat. Convenablement traite lors de la conception puis entretenue tout au long de son cycle de vie, une structure en bambou peut rsister 30 ans. Dans cette partie, nous avons abord les qualits structurelles du bambou, qui en font un matriau de premier ordre. Son origine naturelle impose certaines vulnrabilits que des traitements adapts permettent de pallier.

3 ApplicationsLa construction chinoise a su, depuis plusieurs millnaires, profiter de la rsistance exceptionnelle du bambou en lutilisant tant dans les matriaux de constructions que dans la mise en uvre de ces matriaux. Encore aujourdhui, dimmenses buildings sont construits avec des chafaudages en bambou. Mais le bambou ne sert pas seulement construire les chafaudages puisquil est utilis en Chine et au Japon en tant que matriau de construction moderne rpondant aux normes antisismiques les plus strictes. Il entre galement dans la composition de nombreux matriaux composites destins aux charpentes, sols, cloisons des btiments ou polymres automobiles les plus rcents.

3.1

Echafaudages

(www.wikipedia.com)

Beaucoup moins coteux et parfaitement adapts aux conditions cycloniques, les chafaudages en bambou ont permis ddifier lInternational Finance Center (416 m) et le Central Plaza (374 m) de HongKong, la Jin Mao Tower (421 m) de Shanghai, le Shun Hing Square (384 m), le Shenzhen ou le Citic Plaza (391 m) de Guangzhou (Canton), en Chine.

Figure 9 : chafaudage de Hong Kong (Georges Charles)

Figure 10 : chafaudage de Hong Kong (Georges Charles)

3.2

Construction de maisons et quipements intrieurs

(American institute of architects, 2007) (Bambou Technologie Carabe, 2006)

Le bambou peut tre utilis comme matriau de base pour des structures ou des maisons. En outre, du fait de son faible poids et de son lasticit, le bambou est un matriau idal dans les zones exposes des calamits naturelles, comme les tremblements de terre et les ouragans. On rapporte que 30 maisons en structure bambou ont rsist un sisme de magnitude 7,6 au Costa Rica en 1998, alors que la plupart des difices en bton arm, situs au mme endroit, ont t gravement endommags. Cette plante est galement employe pour la production de planchers et de parquets, essentiellement destination de lEurope et des Etats-Unis.

Figure 11 : maisons en bambou (Bambou Technologie Carabe, 2006)

Figure 12 : structure en bambou (Bambou Technologie Carabe, 2006)

3.3

Armatures pour bton arm

(Dveloppement d'une poutre de bton arm de bambou, 2006)

Plusieurs tudes sintressent lutilisation darmatures en bambou, comme substitut lacier, dans le bton arm. Profitable du point de vue du dveloppement durable et rentable du point de vue conomique, ce procd constructif pose certains problmes techniques. En effet, les tiges ne peuvent tre utilises ltat naturel. Linstabilit dimensionnelle du matriau (le bambou va gonfler en absorbant lhumidit du bton puis se rtracter en schant) et les problmes dadhrence bton/bambou sont les principales limites de la technologie des btons arms de bambou. Pour y remdier, les tiges de bambous doivent subir certains traitements pralables (usinage pour amliorer ladhrence, traitements insecticides et fongicides, impermabilisation). Les btons doivent par ailleurs faire lobjet dune formulation particulire (dimension des granulats limite et teneur en eau abaisse).

3.4

Lamell-coll

(Doutrelepont, 2006)

Des tudes ont t menes sur le lamell-coll de bambou. Les caractristiques mcaniques de ce matriau sont trs intressantes, parfois suprieures celles du bois lamell-coll, et permettraient de fabriquer des poutres de sections plus rduites rsistance gale. Des fonds ont t octroys en 2007 pour la cration dune socit Bruxelles, spcialise dans la fabrication dlments en bambou (poutre, charpente,) suivant les techniques des lamelles compresses-colles et du lamell-coll.

Figure 13 : poutre de lamell-coll de bambou en test de flexion (Doutrelepont, 2006)

3.5

Bio-polymres

(Wyart, 2008)

Les bio-polymres se dveloppent au sein de l'industrie automobile (limitation des missions de CO2). Ces biomatriaux renforcs de fibres constituent un nouveau dbouch pour le chanvre ou le bambou. Un vhicule peut contenir plusieurs kg de ces matriaux base de fibres vgtales (accoudoirs, tablettes arrires, dossiers de siges...). Mitsubishi dveloppe le PBS, un polymre renforc de fibres vgtales de bambou. Des pices sont utilises dans une concept-car Mini depuis 2007.

Figure 14 : composite base de fibres de bambou dvelopp par Mitsubishi

Du fait de ses trs bonnes caractristiques techniques, le bambou trouve de nombreuses applications structurelles dont certaines, encore ltude, sont voues un avenir prometteur.

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4 Un matriau cologique(Kermoal, 2008)

Les seules qualits techniques du bambou justifient son utilisation dans la construction, mais limprieuse ncessit dintgrer aujourdhui le dveloppement durable dans tout projet, renforce dautant plus lintrt pour le bambou, matriau cologique tout point de vue.

4.1

Fixation du CO2

Le bambou, ressource renouvelable croissance rapide, peut fixer 30% de plus de CO2 que les arbres feuillus (jusqu' 12 tonnes de CO2/ha/an en comparaison des 3 tonnes pour une fort de feuillus) et librer 30% de plus dO2. La quantit de matire organique produite par une bambouseraie augmente de 10 30% par an, contre 2 5 % pour une fort.

4.2

Lutte contre lrosion des sols

Grce au rseau de rhizomes trs dense, le bambou limite l'rosion des sols, notamment sur les rives des fleuves ou les pentes des collines (un plant de bambou peut fixer 6 m3 de sol). Le feuillage touffu des bambous freine le dferlement des pluies sur la couche superficielle du sol. Les feuilles tombes qui forment un tapis d'environ 10 cm d'paisseur par an, amortissent l'impact de la pluie sur le sol et facilitent l'absorption et la rtention d'eau de la terre. Le bambou est une plante pionnire, et peut tre plante sur des sols endommags pralablement par une surexploitation. Sa rcolte, ralise de faon raisonne ne porte aucune atteinte au systme de la bambouseraie (pas drosion des sols et conservation de lcosystme).

4.3

Faible consommation dnergie

La culture du bambou ne ncessite peu ou pas d'engrais, ni de produits phytosanitaires. Ltude de la balance nergtique (en units dnergie pour leur capacit supporter une charge) des matriaux de construction traditionnels est largement favorable au bambou (ciment : 240 units, acier : 1500 units, bois : 80 units, bambou : 30 units). Lanalyse du cycle de vie du bambou montre quil sagit dun matriau hautement cologique. Son rendement en termes de fixation de carbone, son rle contre lrosion des sols et le peu dnergie ncessaire sa croissance militent pour la dmocratisation de son utilisation dans la construction.

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ConclusionLe bambou, matriau cologique prsent sur la majorit du globe, a des milliers dapplications qui permettent des milliards de personnes de subsister. Dans le domaine de la construction, son utilisation est favorise par ses excellentes qualits structurelles et la question grandissante du dveloppement durable. En Occident, le bambou a encore du mal simposer face aux matriaux de construction habituels que sont lacier, le bton et le bois. Un foss subsiste entre les savoir-faire locaux (au Vietnam ou en Chine, par exemple) et les connaissances internationales. Lorganisation dune filire bambou permettrait de disposer dun matriau de qualit constante, et la normalisation des principes constructifs spcifiques permettrait de promouvoir les avantages incontestables de lutilisation du bambou dans la construction.

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Annexe 1 : Caractristiques mcaniques de diffrentes espces de bambous compares celles du douglas(American institute of architects, 2007)

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Annexe 2 : Contexte normatif

Norme ISO 22156 : 2004 Bambou Conception des structures Norme ISO 22157 - 1 :2004 Bambou Dtermination des proprits physiques et mcaniques Norme ISO 22157 - 2 : 2004 Bambou Dtermination des proprits physiques et mcaniques

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Bibliographie American institute of architects. (05/05/2007). Convention 2007 : Structural bamboo : thinking outside wooden box. Consult le 05/11/2008, sur http://aia.org Bambou Technologie Carabe. (2006). Consult le 08/11/2008, sur Bambou habitat: http://www.bambouhabitat.com Capra, B. (2008). Calcul et comportement des matriaux : le bois. Ecole Nationale des Ponts et Chausses. Charles, G. (s.d.). Le Bambou toutes les sauces. Consult le 06/11/2008, sur http://www.taoyin.com Dveloppement d'une poutre de bton arme de bambou. (2006, 10). Consult le 25/10/2008, sur Collection mmoires et thses lectroniques: http://www.archimede.bibl.ulaval.ca Doutrelepont, C. (01/2006). Quand une herbe concurrence le bois. Rcupr sur http://www.brusselsgreentech.be Encyclopdie Axis. (1994). Paris: Hachette. Kermoal, P. (04/08/2008). Un milliard de personnes vivent dans le bambou. Consult le 02/11/2008, http://www.moohve.org McQuaid, M. (2006). Shigeru Ban. Paris: Phaidon. Nguyen-Trong-Thu. Bambou au zen. Razak, W. (04/2006). Alteration on physical and mechanical properties of bambousa vulgaris from Sabah forest through heat treatment process. Sabah, Malaysia. www.bambus\new\eng\reports\mechanical_properties\referat2.html. (27/10/2002). Consult le 12/10/2008. www.wikipedia.com. (s.d.). Consult le 12/10/2008. Wyart, D. (27/06/2008). Les biomatriaux et les fibres naturelles dans l'automobile. Consult le 02/11/2008, sur Techniques de l'ingnieur: http://www.communaut.techniques-ingnieur.fr

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Table des illustrations

Figure 1 : diffrentes espces de bambous ....................................................................................... 8 Figure 2 : zones o le bambou pousse l'tat naturel........................................................................ 9 Figure 3 : schma de la vue en coupe d'un bambou ......................................................................... 10 Figure 4 : coupe transversale de bambou ...................................................................................... 10 Figure 5 : coupe transversale vue au microscope............................................................................ 10 Figure 6 : rupture en flexion d'une tige de bambou ......................................................................... 11 Figure 7 : attaque de champignons sur la paroi d'une cellule de bambou .......................................... 12 Figure 8 : attaque d'insectes sur une tige de bambou....................................................................... 12 Figure 9 : chafaudage de Hong Kong .......................................................................................... 13 Figure 10 : chafaudage de Hong Kong ........................................................................................ 13 Figure 11 : maisons en bambou ................................................................................................... 13 Figure 12 : structure en bambou ................................................................................................... 13 Figure 13 : poutre de lamell-coll de bambou en test de flexion ...................................................... 14 Figure 14 : composite base de fibres de bambou dvelopp par Mitsubishi ..................................... 14

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