Propriétés physiques et mécaniques du matériau bois Sandrine Bardet Laboratoire de Mécanique et Génie Civil Sandrine.bardet@univ-montp2.fr IUP3 – M1 CIM 11/10/06

Matériau issus d’une ressource « renouvelable », Matériau performant

Plan 1- De l’arbre au bois 2- Les propriétés physiques 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

Plan 1- De l’arbre au bois 2- Les propriétés physiques 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

De l’arbre au bois L’arbre usine à bois Feuillage = Elaboration matière ligneuse Respiration Transpiration Tronc = Tuyauterie Soutien mécanique Stockage Flux descendant : sève élaborée Flux ascendant : sève brute Système racinaire = collecteur de matière première Eau Sels minéraux

De l’arbre au bois Echelle macroscopique le duramen (ou bois de cœur) l’aubier (l’aubier est la partie vivante de l’arbre) duramen écorce

De l’arbre au bois Les cernes de croissance Les cernes montrent la rythmicité de la croissance

De l’arbre au bois Echelle des cellules Le bois est composé de cellules de différentes fonctions Les cellules composent le plan ligneux qui dépend de l’essence = structure en nid d’abeille (mousse)

De l’arbre au bois Structure interne d’un résineux résineux = conifère = gymnosperme = softwood Une structure “archaique”: Trachéides majoritaires, soutien+conduction stockage: faible proportion de parenchyme radial (rayons ligneux) parfois canaux résinifères

De l’arbre au bois Structure d’un feuillu feuillus = angiosperme = hardwood Des structures plus “évoluées” (donc plus de spécialisation et de complexité) fibres majoritaires, soutien seulement conduction assurée par les vaisseaux stockage: souvent beaucoup de parenchyme radial (rayons ligneux) voire axial présence possible de toutes sortes d'extractibles (résines, tannins...)

De l’arbre au bois Echelle de la paroi cellulaire = multicouche S3 S2 S1 - la lamelle mitoyenne (LM) - la couche primaire (P) P - la couche secondaire divisée en 3 sous couches S1, S2 et S3 LM

De l’arbre au bois Structure de la paroi secondaire = composite à fibres orientées La couche S2 est composé de parties très rigides : les "microfibrilles" de cellulose f … enrobées dans une matière plus molle (mélange de lignine et d'hémicellulose) f : angle moyen des microfibrilles des couches S2

De l’arbre au bois Composition chimique Substances de faible poids moléculaire Macromolécules Polysaccharides (hollocellulose) Organique Inorganique Extractibles Cendres Cellulose Cristalline ≈70% Amorphe ≈30% Hémicelluloses (polyoses) Lignines  50%  30%  20% ≈≤5% ≈≤2% 45% (25-65%) <20% (10-30%) 30% (14-45%) 7% (1-35%) 0-8%

Plan 1- De l’arbre au bois 2- Les propriétés physiques 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

De l’arbre au bois Croissance de l’arbre Moelle Ecorce Aubier Partie vivante de l’arbre Bois de Cœur ou Duramen = squelette de l’arbre Tronc creux

De l’arbre au bois Le cambium écorce + phloème bois (xylème) écorce tissu générateur issu du bourgeon surface active d'ampleur indéfiniment croissante cellules de phloème cambium cellule cambiale écorce moelle cellules de bois moelle

Plan 1- De l’arbre au bois 2- Les propriétés physiques 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

De l’arbre au bois un matériau précontraint axial Tension en périphérie Compression à coeur Contrainte de croissance = contrainte de support + contrainte de maturation

De l’arbre au bois Contraintes de maturation La nouvelle cellule tend à se rétracter selon le fil du bois (déformation de maturation) Cette déformation est gênée par l’adhésion sur le bois plus ancien Création d’une nouvelle couche de bois

De l’arbre au bois Contraintes de maturation La nouvelle cellule est fortement tendue La cellule ancienne voisine est comprimée maturation

De l’arbre au bois Contraintes de maturation

Effet du chargement progressif: contraintes de support De l’arbre au bois Contraintes de support D F s x chargement fabrication Effet du chargement progressif: contraintes de support D F s ( t ) x fabrication + chargement

De l’arbre au bois le bois un matériau précontraint Exemple de matériau précontraint : béton précontraint Le béton résiste bien à la compression, mais peu, à la traction. Il faut donc éviter que ce matériau soit trop tendu, et risque de se fissurer. Et pour cela, il faut le comprimer de façon artificielle et en permanence, dans les zones où les charges extérieures développent des tractions, de façon qu’au total le béton reste comprimé (ou assez peu tendu pour ne pas risquer de se fissurer) et donc résistant, en tous cas de charge. Méthode : Mise en tension de câbles en acier par des vérins qui s’appuient sur le béton à précontraindre Cf Techniques de l’Ingénieur

De l’arbre au bois le bois un matériau précontraint

De l’arbre au bois le bois un matériau précontraint Aspects positifs Aspects négatifs - le bois résiste mieux en traction axiale Lors de l’abattage les précontraintes se libèrent : la périphérie initialement tendue se contracte, le cœur se dilate permet à l’arbre de tenir droit ( = haubanage actif) fentes à coeur dilatation à coeur contraction périphérique Traction transverse

De l’arbre au bois les aspects négatifs Aspects positifs Eucalyptus en Afrique du Sud Fente en bout chez le hêtre

De l’arbre au bois Précontrainte et réorientation Les précontraintes permettent à l’arbre de tenir droit et de limiter les efforts de compression Mais est-ce que les précontraintes permettent la réorientation des tiges? Pour la réorientation: une dissymétrie des valeurs des contraintes de croissance le bois fabriqué est plus ou moins tendu la face plus tendue « tire » sur la face moins tendue cela crée une courbure, et donc l’orientation des tiges

De l’arbre au bois Bois de réaction Feuillu G LM + P S 1 S 2 S 3 LM + P G Bois normal Bois de tension

De l’arbre au bois bois de réaction - résineux LM + P S 1 S 2 S 1 S 2 S 3 Bois de compression Bois normal

De l’arbre au bois bois de réaction - résineux Bois de tension Bois de compression

De l’arbre au bois mesures Méthode du trou

De l’arbre au bois mesures Capteur de déplacement