1 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés.

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1 1 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés physiques  couleur  densité  l’eau dans le bois 3- Les propriétés mécaniques  élasticité, résistance  viscoélasticité  mise en forme 4- Traitement des bois

2 2 COULEURS DIFFERENTES 2. Propriétés du bois Diversité des bois

3 3 ODEURS DIFFERENTES 2. Propriétés du bois Diversité des bois

4 4 L T R L T R 2. Propriétés du bois Plans de référence

5 5 Balsa D=0,15 g/cm 3 Panacoco D=1,2 g/cm 3 Porosité ou indice de vide : 2. Propriétés du bois Porosité et densité du bois

6 6 Masse volumique à l’humidité H : Densité : 2. Propriétés du bois Masse volumique

7 7 Evolution de la densité en fonction de la teneur en eau ou humidité du bois : Application pour du châtaignier de  0 =600Kg/m3 PropriétésDensitéEssences Très tendres< 0,5Balsa 0,05, Peuplier 0,4 Tendres0,5 - 0,6Sapin 0,5; Pins 0,55; Cèdre 0,6; Mélèze 0,6; Bouleau 0,6; Acajou 0,6 Mi-durs0,6 - 0,7Cerisier 0,65; Noyer 0,7; Poirier 0,7; Teck 0,7 Durs0,7 - 0,9Chêne 0,7; Frêne 0,7; Olivier 0,85 Très durs0,9 - 1,4Buis 0,9; Azobé 1,05; Ébène 1,2 Densités moyennes à titre indicatif 2. Propriétés du bois Densité

8 8 Saturé PSF Anhydre Légende: Eau présente dans l’espace intersticiel Paroi cellulaire saturée en eau Paroi cellulaire présentant de l’eau Paroi cellulaire sans eau 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

9 9 Saturé * (130%) PSF* (30%) Anhydre* (0%) On observe en dessous du PSF une modification dimensionnelle de la zone d’observation L'humidité du bois ou la teneur en eau, notée H, est la quantité d'eau que renferme le bois, exprimée en % de sa masse à l'état anhydre. Elle est définie par l'expression suivante : Avec H : en % M h : masse du bois à l'humidité H; M 0 ; masse à l'état anhydre (H=0). *valeur indicative du châtaignier Vert* (70%) Commercialement sec* (13 à 18%) 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

10 10 Au moment de l'abattage, le bois peut contenir plus d'eau que de matière- bois ; parfois deux fois plus dans certains peupliers. L'humidité est alors supérieure à 100%. L’intérieur des cellules d'un bois vert est rempli d'eau libre. Elle s'évacuera progressivement par évaporation, sans que le bois ne subisse de retrait ou de déformation : c'est la phase dite de "ressuyage". Lorsque l'eau libre a entièrement disparu (point de saturation), il ne reste que l'eau liée qui imprègne les membranes des cellules. Le départ de cette eau liée entraîne des phénomènes de retrait et de déformation. Le point de saturation des fibres, est de l'ordre de 30 % pour toutes les essences. 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

11 11 Le bois est un matériau hygroscopique. Il est susceptible de perdre ou de reprendre de l'humidité en fonction de la température et surtout de l'humidité relative de l'air ambiant. 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

12 12 RETRAIT DU BOIS Le changement d'humidité du bois entre l'état anhydre (0%) et le point de saturation des fibres (30%) provoque des variations de volume et de dimensions. Ces variations se produisent dans les trois directions principales : axiale, radiale et tangentielle ; on dit alors que « le bois travaille ou qu'il y a jeu ». Au-dessous du point de saturation des fibres (environ 30%), le volume diminue, il subit du retrait ; au- dessus de l'état anhydre, il y a gonflement ; au-delà du point de saturation, il n'y a pratiquement aucune variation dimensionnelle. Ces variations dimensionnelles dépendent essentiellement pour un même changement d'humidité : des essences, de la direction par rapport au fil du bois, du débit. Fentes dans une pièce de bois après retrait 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

13 13 Le retrait est différent selon la direction du bois. Il est très faible dans le sens longitudinal. Il est plus important dans le sens tangentiel que dans le sens radial (environ 1,5 à 2 fois). Variations maximums selon la direction du bois RETRAIT ET DIRECTION DU BOIS 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

14 14 L’anisotropie des retraits est à l’origine de l’apparition des fentes au cours du séchage. Explication par l’exemple : prenons une rondelle et observons au cours du séchage les modifications géométriques d’un cerne de rayon R.  R/R =  R : retrait radial  C/C =  T : retrait tangentiel (avec C la circonférence du cerne) Un calcul géométrique conduit à la relation :  T =  R Or dans le bois  T = (1,5 à 2)  R D’où l’apparition de fente Cerne de rayon R 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

15 15 CONCLUSION Dans un milieu donné, en fonction de la température et de l'humidité de l'air ambiant, le bois se stabilise à une humidité d'équilibre qui varie suivant qu'il est employé en intérieur ou en extérieur, et suivant la période de l'année (en hiver ou en été). En dessous du PSF, les variations d’humidité du bois engendrent des retraits. L’anisotropie des retraits selon les directions de référence (R, T, L) peuvent causer en cours de séchage : -des torsions et des gauchissements qui occasionnent des difficultés lors des assemblages par exemple; -des fentes (mais qui affectent peu la résistance mécanique) Il est donc indispensable de sécher le bois avant tout usinage et utilisation dans la construction. 2. Propriétés du bois L’eau dans le bois

16 16 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés physiques  couleur  densité  l’eau dans le bois 3- Les propriétés mécaniques  élasticité, résistance  viscoélasticité  mise en forme 4- Traitement des bois

17 17 Le comportement mécanique du bois dépend -de l’essence (et donc de la densité) - de la direction de sollicitation - du type d’essais - des conditions ambiantes Les critères mécaniques:  =  l/l 0  = F/S 0 pente E =  /  F S0S0 l0l0  rupture 3. Propriétés mécaniques du bois Elasticité Résistance  Limite élastique

18 18 Modules élastiques: L>>R>T Retraits de séchage: L<<R<T L T R 3. Propriétés mécaniques du bois Anisotropie

19 19 Base de données du CIRAD 3. Propriétés mécaniques du bois Modules d’élasticité/densité

20 20 Modèle feuillusModèles résineux Standard H=12%  =650 kg.m-3 En MPa Correction / masse volumique Standard H=12%  =450 kg.m-3 En MPa Correction / masse volumique ER18101000 ET1030636 EL1440013100 Cf : Mécanique du matériau bois et composites, D. Guitard 3. Propriétés mécaniques du bois Modèles prévisionnels

21 21   (+) élongation contraction (-) traction (+) (-) compression +2% plateau de compression transverse rupture fragile par séparation des fibres en traction transverse E TR rupture par défibrage en traction longitudinale rupture par flambement localisé en compression axiale ELEL 3. Propriétés mécaniques du bois Influence de la sollicitation

22 22 d’après Techniques de l’ingénieur (Triboulot) 3. Propriétés mécaniques du bois Influence de la sollicitation

23 23 A retenir :  La charge de rupture en traction est à peu près deux fois celle de la compression axiale. Sens croissant de contrainte à la rupture: Traction perpendiculaire < cisaillement < Compression perpendiculaire < compression axiale FlexionTraction axiale << 3. Propriétés mécaniques du bois Influence du type de l’essai Compression/traction/flexion/cisaillement

24 24 Essence Module d'élasticité MPa Compression MPa Traction MPa Flexion MPa Cisaillement MPa Épicéa11 0004390666,7 Pins12 000471048710,0 Mélèze13 80055107999,0 Hêtre16 0006213510510,0 Chêne13 00054909111,0 3. Propriétés mécaniques du bois Influence de l’essence sur E

25 25 Les propriétés mécaniques dépendent des directions étudiées, on parle d’anisotropie Le bois est un matériau orthotrope (symétrie axiale) Le bois est caractérisé par 9 constantes élastiques = 3. Propriétés mécaniques du bois Loi de comportement mécanique

26 26 FeuillusRésineuxVerre/époxyÉpoxyAcier Masse volumique (g/cm 3 ) 0,650,452,607,8 Humidité (%)12 --- Modules élastiques (GPa) S 11 -1 =E R 1,811,00 18,0 2,85210 S 22 -1 =E T 1,030,636 S 33 -1 =E L 14,413,1>49,4 S 12 -1 =E T /  TR 2,68 (0,38)2,05 (0,31)60 (0,30) 7,12 (0,4)700 (0,3) S 23 -1 =E L /  LT 31,2 (0,46)30,8 (0,43)224 (0,22) S 31 -1 =E R /  RL 37,3 (0,05)34,2 (0,03)224 (0,08) S 44 -1 =G TL 0,9710,912 7,80 1,0780 S 55 -1 =G LR 1,260,861 S 66 -1 =G LR 0,3660,0846,76 EL/EL/ 22,1529,11>1929,92 3. Propriétés mécaniques du bois Comparaison / matériaux

27 27 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés physiques  couleur  densité  l’eau dans le bois 3- Les propriétés mécaniques  élasticité, résistance  viscoélasticité  mise en forme 3- Traitement des bois

28 28 = Effet du temps Exemple : on impose une charge et on enregistre la déformation au cours du temps : essai de fluage charge temps déformation déformation instantanée déformation différée 3. Propriétés mécaniques du bois Comportement viscoélastique

29 29 = Effet du temps Exemple : on impose une déformation et on enregistre la charge au cours du temps : essai de relaxation déformation temps charge charge instantanée relaxation de la charge 3. Propriétés mécaniques du bois Comportement viscoélastique

30 30 = Effet de la vitesse Exemple : on impose une déformation cyclique à une fréquence f et on enregistre la charge au cours du temps : essai dynamique ou cyclique temps déformation charge  contrainte déformation 3. Propriétés mécaniques du bois Comportement viscoélastique

31 31 “Modèle de Zener solide”  contient un unique processus viscoélastique du premier ordre  Le modèle le plus simple pour décrire un comportement viscoélastique solide Suffit à représenter :  complaisance/rigidité/recouvrance instantanée/différée...  hystérésis lors d’un chargement cyclique time contraint e déformatio n  (t)   contrainte déformation 3. Propriétés mécaniques du bois Modélisation rhéologique

32 32 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés physiques  couleur  densité  l’eau dans le bois 3- Les propriétés mécaniques  élasticité, résistance  viscoélasticité  mise en forme 3- Traitement des bois

33 33 3. Propriétés mécaniques du bois Mise en forme Comment la flèche est-elle rentrée dans le coeur ?

34 34 chaleur humidité à quelle échelle ce phénomène a t-il lieu ? -> échelle moléculaire (transition vitreuse de la lignine) 3. Propriétés mécaniques du bois étape 1 : ramollissement

35 35 à quelle échelle ce phénomène a t-il lieu ? -> échelle cellulaire (structure en nid d ’abeilles) compression à chaud dans le sens transverse 3. Propriétés mécaniques du bois étape 2 : compression

36 36 à quelle échelle ce phénomène a t-il lieu ?  échelle moléculaire (durcissement de la matrice avec le départ de l ’eau) coeur l’extrémité est maintenue comprimée jusqu ’au séchage complet, puis le corps de la flèche est usiné compression + séchage 3. Propriétés mécaniques du bois étape 3 : blocage à l’état comprimé

37 37 à quelle échelle ce phénomène a t-il lieu ?  échelle moléculaire (la matrice est ramollie et les microfibrilles reviennent à leur forme d ’origine) chaleur humidité 3. Propriétés mécaniques du bois étape 4 : la recouvrance =effet mémoire

38 38 microfibrilles matrice étape 1 : ramollisssement étape 2 : compression étape 3 : séchage sous contrainte étape 4 : recouvrance Au niveau moléculaire

39 39 Au niveau moléculaire

40 40 état déformé comment fixer cet état? recouvrance (chaleur + humidité) blocage mécanique (collage …) blocage chimique blocage thermique hautes températures Comment faire perdre la mémoire au bois

41 41 état déformé comment fixer cet état? blocage thermique hautes températures Comment faire perdre la mémoire au bois?

42 42 le tronc mis au carré Comment faire perdre la mémoire au bois?

43 43 face tendue face comprimée problème car peu de déformation possible en traction longitudinale chaleur + humidité solution : solliciter le bois en compression plutôt qu ’en traction : « appareil à cintrer » 3. Propriétés mécaniques du bois application TP : le cintrage

44 44 Plan 1- De l’arbre au bois  structuration multiéchelle  élaboration du bois dans l’arbre  conséquences de l’origine biologique de l’arbre 2- Les propriétés physiques  couleur  densité  l’eau dans le bois 3- Les propriétés mécaniques  élasticité, résistance  viscoélasticité  mise en forme 3- Traitement des bois

45 45 4. Traitement des bois Objectifs Atouts du bois -Isolant thermique -résistance mécanique élevée -qualités esthétiques -économique -Renouvelable, biodégradable Inconvénients du bois -Instabilité dimensionnelle /teneur en eau -Dégradation / insectes et champignons choix d’essences naturellement durables naturellement stables Traitements: Stabilité dimensionnelle Préservation

46 46 4. Traitement des bois les types de traitement Traitements chimiques de préservation:  CCA (Chrome Cuivre Arsenic), fortement limité par la directive communautaire 2003/2/CE, du 6 janvier 2003. Ces produits toxiques seront interdits par la communauté européenne à l'horizon 2008.  sels métalliques non fixants (fluor, bore, cuivre)  produits organiques (solvants pétroliers) Procédés :  Trempage court  Badigeonnage et pulvérisation  Autoclave : remplissage complet de toutes les cellules de bois par le produit jusqu’à saturation Mais ….problèmes / recyclage…

47 47 4. Traitement des bois les types de traitement = traitement à hautes températures (environ 250°C) - sans ajout de produits chimiques - valorise des essences très répandues en Europe (sapin, épicéa, pin maritime, hêtre, peuplier...). - développé par "l'École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne", en collaboration avec le propriétaire des licences et brevets "NOW S.A." et le constructeur "Fours & Brûleurs Rey". Traitements thermiques Exemple : rétification® http://www.emse.fr/spin/depscientifiques/PC2M/retification/principes.html http://www.retiwood.com/procede.html

48 48 4. Traitement des bois les types de traitement Rétification® http://www.emse.fr/spin/depscientifiques/PC2M/retification/principes.html Une pyrolyse ménagée craque principalement les hémicelluloses et commence à modifier la lignine. Les sous-produits de la pyrolyse se condenseraient et se polymériseraient alors sur les chaînes de lignines, d'où la notion de réticulation (création de liaisons chimiques entre chaînes polymériques) Ces réactions créent une nouvelle ''pseudo-lignine'' qui est plus hydrophobe et plus rigide que la lignine initiale.

49 49 4. Traitement des bois les types de traitement Rétification® http://www.emse.fr/spin/depscientifiques/PC2M/retification/principes.html Avantages : Diminution du retrait et de la teneur en eau à l’équilibre Augmente la durabilité Inconvénients : diminutions des propriétés mécaniques

50 50 4. Traitement des bois les types de traitement Traitement oléothermique : Oleobois ® consiste à imprégner en profondeur le bois d'un mélange d'huiles végétales et d'adjuvants naturels chauffé à basse température (<150°C). la première phase dite de chauffe élève la température du bois et réduit sa teneur en eau la seconde phase, d'imprégnation, permet la pénétration du liquide de traitement dans le matériau. http://www.oleobois.com/

51 51 Fin