Propriétés mécaniques et physiques du bois

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1 Propriétés mécaniques et physiques du bois
M2 BFD - UE 938 Propriétés mécaniques et physiques du bois Meriem Fournier

2 Le plan Humidité (teneur en eau) du bois Densité des bois
Retraits et gonflements avec la teneur en eau

3 Le bois contient de l’eau
Le bois est un matériau hygroscopique (hygroscopie = capacité d’un matériau à absorber ou désorber de l’eau venant de l’air ambiant) Définition de l’humidité (teneur en eau) du bois (moisture content MC) pour le bois matériau (NF et EN) Teneur en eau MC (en %) : Masse – Masse anhydre Masse anhydre L’état anhydre est par convention obtenu en mettant l’échantillon à 103°C pendant un temps suffisant pour que sa masse se stabilise.

4 Humidité du bois : quelle eau ?
Point de Saturation des Fibres  30% Saturé Eau "libre" ou eau capillaire Eau "liée" ou eau des parois Anhydre

5 « Deux » matériaux bois Le bois vert : au dessus du Point de Saturation des fibres (de 30% à plus de 200%) (le bois dans l’arbre, le bois au premier usinage …) Le bois sec : au dessous du Point de Saturation des fibres (entre 4% et 30%) (le bois mis en œuvre, le bois avant collage, protection de surface …)

6 EAU LIBRE EAU LIEE

7 Termes normalisés (NF B 51-002)
Au-delà du PSF : Bois vert entre 25 et 60% : Bois ressuyé Entre 23% et PSF : Mi-sec Entre 18 et 22% : Commercialement sec De 13 à 17% : Sec à l’air En dessous de 13% : Desséché 0% : Anhydre

8 Attention mesure de la teneur en eau bois matériau versus bois énergie
DANS LE BOIS ENERGIE, ON EXPRIME LA TENEUR EN EAU PAR RAPPORT A LA MASSE TOTALE. Si un vendeur de plaquettes forestières vous parle de bois à 80% de teneur en eau, à quelle teneur en eau normalisée « matériau » cela correspond-il ?

9 Le bois mis en œuvre se met à une humidité d’équilibre qui dépend de l’état physique de l’air ambiant Sera revu en Xylologie avancée Exercice : si j’achète un objet en bois sur le marché de Douala au Cameroun, quel pourcentage de poids perdra-t-il lorsque je le ramène à Nancy en été. Même question entre été et hiver (dehors) à Nancy.

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11 Comment mesurer l’humidité du bois ?

12 Comment mesurer l’humidité du bois
Méthode directe (pesée d’une éprouvette avant et après passage à l’étuve) Méthodes indirectes (intérêt d’une mesure non destructive in situ) - Electriques (différence de comportement entre l’eau conductrice et le bois isolant). Méthodes couramment utilisées dans l’industrie. - Spectrométrie infrarouge La spectrométrie en réflexion diffuse dans le proche infrarouge (SPIR) est une méthode sans contact de mesure du rayonnement réfléchi par l’échantillon. Ce rayonnement dépend de la constitution chimique du bois (Baillères et al., 2002). Les molécules d’eau absorbent la lumière infrarouge de façon sélective à 3 longueurs d’onde différentes : 2662, 2738 et 6270 nm. …

13 Densités des bois

14 Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?

15 Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?
Dictionnaire Larousse : Qualité de ce qui est dense. […] . Physique : Rapport de la masse d'un liquide ou d'un solide à la masse d'eau occupant le même volume à la température de 4 °C. Exercice : un bois a une masse volumique de 650 kg/m3, quelle est sa densité ? Comment la mesurer ? Méthode directe : Mesures de masse (balance) et de volume (par déplacement d’eau ou par mesure de «  longueurs) Masse Volume = Longueur X largeur X épaisseur Masse = volume

16 Mesures indirectes Densitométrie par rayons X : Les rayons X sont une forme de rayonnements électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise entre 5 picomètres et 10 nanomètres. Ils ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen. Microdensitométrie (principe des radios médicales) : Si l'on admet que la composition atomique du bois est relativement constante, l'absorption d'un rayonnement X d'intensité donnée par une couche de bois d'épaisseur uniforme ne dépend plus que de sa densité. Tomographie (cf Le scanner permet de reconstituer une image 3D de l'échantillon soumis à un balayage à rayons X en analysant l'atténuation des rayons X suite à la traversée de l'échantillon.

17 Densités des bois Balsa : 0,1
Ordre de grandeur de la densité des bois secs à l’air (H=15%): entre 0,5 et 0,7 Classes de densité Densité Essences Bois très lourds >0,85 Azobé, Ipé Bois lourds 0,70 - 0,85 Charme, Robinier, Movingui, Chêne dur Bois mi-lourds 0,56 - 0,70 Niangon, Iroko, Châtaigner, Chêne tendre, Pins Bois légers 0,45 - 0,55 Framiré, Douglas, Epicéa, Sapin, Pins Bois très légers <0,45 Western red cedar, Séquoia, Peuplier Balsa : 0,1 Amourette, Boco, Gaïac , Panacoco… (bois de fer) : 1 à 1,3

18 Attention la densité du bois dépend de sa teneur en eau :
Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) Densité du bois « vert » (plus grande ou plus petite ?)

19 Toutes les définitions sont utiles :
Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) : intéressant pour le bois matériau, aucun sens pour le bois tissu. Densité du bois vert : pour le bois tissu, c’est le chargement mécanique qui doit être porté par le tissu de soutien, pour le bois matériau, c’est le poids qu’on va devoir transporter en camion Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche contenue dans le volume humide (pour H>PSF) = pour l’arbre et le bois tissu, c’est le coût de construction d’un volume unitaire = pour l’homme et le service carbone de la forêt, c’est une donnée basique pour évaluer le stock de carbone dans un peuplement : dB plus grande ou plus petite que la densité du bois sec ? Comment savoir combien de carbone stocke un arbre ?

20 Porosité et densité du bois
Porosité : c = 1 – r0/rML rML : Masse volumique anhydre de la « matière ligneuse » constituant les parois  constante,  1,53

21 Porosité et densité du bois
Balsa D=0,15 g/cm3 Panacoco D=1,2 g/cm3

22 La teneur en eau a une limite qui dépend de la porosité
Volume Volume Volume Infradensité=0,1 infradensité=0,4 Infradensité=0,8 MCmax= 183% MCmax= 58% MCmax= 934% air eau air eau Masse sèche (parois) eau Masse sèche (parois) PSF Saturation PSF Saturation PSF Saturation Quelle est la teneur en eau MC maximale qui tient dans un bois d’infradensité dB ? Hyp: additivité des volumes Vtotal = Veau + Vparois + Vair Veau = Vtotal – Vparois Meau = 1* Veau = Vtotal - Mparois/1,5 (en g/cm3) MCmax= Meau /Mparois = Vtotal /Mparois - 1/1,5 À saturation, pas d’air : MCmax= 1/dB - 0,66

23 Le bois se rétracte en séchant
Point de Saturation des Fibres L Saturé L R ou T R ou T L R ou T Anhydre

24 EAU LIBRE EAU LIEE

25 Définitions autour de 0,5%/% Sera revu en Xylologie avancée
Volume au dessus de PSF – Volume anhydre Retrait volumique total (en %) : autour de 15% Volume au dessus de PSF Volume au dessus de PSF – Volume à H Retrait volumique à la teneur en eau H (en %) : Volume au dessus de PSF Retrait volumique à la teneur en eau H Coefficient de retrait volumique (en %/%) : autour de 0,5%/% PSF - H Sera revu en Xylologie avancée

26 Retraits linéiques Définitions des retraits linéiques
Retrait tangentiel > Retrait radial (x2) >> Retrait axial (x50) 10% 5% 0,1% Retrait volumique  Retrait R + Retrait T Coefficient de retrait = la pente de la courbe = le % de retrait pour une variation de teneur en eau de 1%

27 Déformation des débits ?
Débit sur dosse Débit sur maille Ou sur quartier L’anisotropie des retraits (RT) est un pb grave

28 Propriétés de quelques résineux :

29 Propriétés de quelques feuillus français :

30 Propriétés de quelques bois tropicaux courants du marché français :

31 Exercice Une planchette de sapin de 410 x 87 x 15 mm
Débitée à l’état vert dans le sens du fil et sur quartier On la stocke dans une pièce chaude et sèche 25°C et 60% Humidité de l’air Quelles seront ses nouvelles dimensions ?

32 Exercice L=2500 mm b=380 mm h=27mm
Question : le bois est scié puis raboté vert, quelles sur-côtes prévoir pour avoir les dimensions finales prévues à 12% de teneur en eau ? Pour du hêtre (pour du peuplier) ? Pour un débit sur quartier (puis un débit sur dosse) ? L=2500 mm

33 Réponses : Il faut toujours scier le bois frais en plus grande épaisseur pour garantir les dimensions après séchage

34 Question : une planche d’Iroko de 1500x172x27mm pèse 4,2kg
Question : une planche d’Iroko de 1500x172x27mm pèse 4,2kg ? C’est normal ?

35 Réponse : Masse volumique observée de la planche :

36 Mécanique et eau : Autocontraintes de séchage

37 L’eau dans le bois, moteur de déformation
Déjà vu … Le bois se rétracte en séchant

38 L’eau dans le bois, moteur de contrainte

39 Pourquoi une rondelle entière fend
R – DR R Quelle devrait être le nouveau rayon R – DR après séchage de PSF=30% à H=12%. DH : variation d’humidité (ici DH = 18%) aR : coefficient de retrait radial (déformation radiale pour 1% de DH) aT : coefficient de retrait tangentiel (déformation tangentielle pour 1% de DH)

40 Pourquoi une rondelle entière fend
Après séchage de DH, le rayon R deviendrait R – aR DH R DR = aR DH R Mais si on raisonne sur le périmètre du cercle P=2 p R DP = aT DH P Le rayon et le périmètre peuvent-ils varier indépendamment ?

41 Rayon > périmètre /2p , est ce possible ?
R (1 – aT DH) ? R (1 – aR DH) ?

42 Les retraits ne s’expriment pas complètement
Rayon intermédiaire R (1 – eR DH) avec aR < eR < aT mais * Tension tangentielle * Compression radiale sR< 0 sT > 0 La valeur de eR (et des contraintes) dépend des retraits aR et aT Et aussi des propriétés élastiques du bois dans le plan RT

43 Et si la tension tangentielle est trop forte, alors le bois craque
R (1 – aT DH) R (1 – aR DH) Il n’y a plus (ou presque plus de contrainte), le rayon devient indépendant du périmètre et les retraits s’expriment entièrement.

44 Dans un problème de séchage, plus on voit des fentes, moins il y de contraintes mais plus le séchage a généré des contraintes fortes que le bois n’a pas pu supporter quand on ne voit pas de fentes, il y a peut être de fortes contraintes … mais pas suffisantes pour faire casser le bois.