RAZVAN COMAN
EFFET DES PARAMETRES DE COUPE SUR
L’ABOUTAGE DE L’ÉPINETTE NOIRE À HAUTE
MASSE VOLUMIQUE
Mémoire présentée
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences du Bois
pour l’obtention du grade de maître èn sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE ET DE GÉOMATIQUE
UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC
2010
Résumé
Les produits de bois d’ingénierie jointés sont fréquemment utilisés pour la fabrication des éléments structuraux ou non-structuraux comme le lamellé-collé et les poutrelles en I. L’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) est l’espèce la plus utilisée pour la fabrication des produits de bois d’ingénierie jointés dans l’est du Canada. Pour obtenir une surface de qualité satisfaisante au jointage, les paramètres d’usinage doivent être ajustés en fonction des propriétés du bois utilisé. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer l’effet de la vitesse de coupe et de l’épaisseur du copeau sur la résistance en traction du bois jointé d’épinette noire de haute masse volumique. Des colombages d’épinette noire ont été jointés sous douze conditions de coupe (4 vitesses de coupe entre 1860 m/min et 3960 m/min et 3 épaisseurs de copeau entre 0,51 mm et 1,27 mm). Un profil de type sans épaulement et une colle de type Polyuréthane Émulsion Prépolymère avec une pression d’assemblage de 3,45 MPa ont été utilisés dans le procédé de jointage. L’analyse factorielle a mis en évidence une interaction statistiquement significative entre la vitesse de coupe et l’épaisseur du copeau sur la résistance en traction (UTS). La vitesse de coupe était la variable ayant le plus influencé la valeur de UTS. L’influence de l’épaisseur du copeau était moins importante, son effet se manifestant seulement pour la vitesse de coupe de 3260 m/min. Les résultats montrent qu’on peut obtenir un bon jointage entre 1860 et 3960 m/min de vitesse de coupe et pour une épaisseur du copeau variant entre 0.51 et 1.27 mm. Le meilleur résultat a été obtenu pour une vitesse de coupe de 3260 m/min et une épaisseur de copeau de 0.89 mm. Ces résultats devraient être validés en usine en conditions d’opération en usine, notamment en évaluant le comportement de l’usure des couteaux.
Mots-clés: aboutage, épinette noire, paramètres d’usinage, vitesse de coupe,
Abstract
Finger-jointed softwood lumber is widely used in manufacturing of structural or non structural applications such as glued laminated lumber and prefabricated wood I-joists. Black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) is the most frequently used species for finger jointed engineered wood products in Eastern Canada. However, some of the key machining parameters must be adjusted according to the properties of the wood in order to obtain a surface quality suited for the finger jointing process. The main objective of this study was to evaluate the effect of the cutting speed and chip load on the ultimate tensile strength (UTS) of finger jointed high density black spruce wood. Four different cutting speeds and three chip loads were used as variables. A feather profile was selected with a polyurethane-based adhesive and an end-pressure of 3.45 MPa. A factorial analysis showed a statistically significant interaction between cutting speed and chip load on the UTS. The cutting speed was the most significant variable affecting finger-jointed high density black spruce. The influence of chip load on UTS was lower, being apparent only at 3260 m/min cutting speed. Results indicated that suitable finger-jointing could be achieved within a range of 1860 m/min and 3960 m/min of cutting speed with a chip-load between 0.51 m and 1.27 mm. However, the best result was obtained at 3260 m/min cutting speed and 0.89 mm chip-load. These results need to be validated by performing running mills to verify for tool wear behaviour.
Keywords: finger-jointed, black spruce, machining parameters, cutting speed, chip load, high density, Glulam, isocyanates.
Remerciements
Ce mémoire de maîtrise fut possible grâce à la supervision et à la collaboration de mon directeur Dr. Roger Hernández ainsi que de mon co-directeur Dr. Robert Beauregard de la Chaire Industrielle sur les Bois d’Ingénierie Structuraux et d’Apparence (CIBISA). Leur expertise, leur esprit pédagogique et également leur patience, ont été essentielles pour l’aboutissement de ce projet. J’adresse également mes remerciements au Dr. Alexander Salenikovich pour son soutien et pour ses suggestions pertinentes.
Je tiens à remercier Benoît St-Pierre, coordonnateur de CIBISA, pour son expertise liée au projet et pour l’aide logistique fournie et à Etienne Simard, étudiant stagiaire à CIBISA, pour sa contribution lors de la préparation des échantillons.
Je souhaite aussi remercier tout le personnel du Centre de Recherche sur le Bois (CRB) qui m’ont aidé dans ce projet, et plus particulièrement Sylvain Auger, Luc Germain et Daniel Bourgault, techniciens de laboratoire, pour leur grande contribution. Merci de tout mon cœur à Marie-Noël, Colette et Guylaine, vous m’avez donné plus que vous ne pensez.
Je tiens aussi à remercier Martin O’Connor, technicien au laboratoire de Québec de
FP-Innovations, division Forintek, pour ses efforts soutenus lors de l’aboutage, ainsi que
Table des matières RÉSUMÉ... I ABSTRACT... II REMERCIEMENTS ... III TABLE DES MATIÈRES...IV LISTE DES TABLEAUX...V LIST OF TABLES...V LISTE DES FIGURES...VI FIGURE LIST...VI LISTE DES ÉQUATIONS...VII LIST OF EQUATIONS...VII INTRODUCTION ... 1 GÉNÉRALITÉS ... 3
LA CONCEPTION DU BOIS D'INGÉNIERIE (CLASSIFICATION DES PRODUITS, USAGES, ESSENCES UTILISÉES, ETC.) ...3
LE LAMELLÉ‐COLLÉ...7
FACTEURS QUI AFFECTENT LA QUALITÉ DE L'ABOUTAGE...9
GÉOMÉTRIE DES JOINTS (GÉOMÉTRIE, TYPE DE JOINT, ETC.) ...10
Paramètres d’usinage (Vc, Va, Ac) ...15
Propriétés du bois...18
Le collage...21
COMPORTEMENT MÉCANIQUE DU LAMELLÉ‐COLLÉ ET NORMES RÉGISSANT LE PROCÉDÉ D’ABOUTAGE...24
MATÉRIEL ET MÉTHODES ... 27 LA PRÉPARATION DU MATÉRIEL...27 LA DESCRIPTION DE L’ÉTUDE EXPÉRIMENTALE...29 PARAMÈTRES D’ABOUTAGE...31 Vitesse de coupe...31 Avance par couteau...31 Géométrie du joint et autres paramètres...32 LES ÉTAPES DE L’ABOUTAGE...33 L’ÉVALUATION MÉCANIQUE...35 INFLUENCE OF MACHINING PARAMETERS ON THE TENSILE STRENGTH OF FINGER‐JOINTED HIGH DENSITY BLACK SPRUCE LUMBER ... 37 INTRODUCTION AND BACKGROUND...38 MATERIALS AND METHODS...41 RESULTS AND DISCUSSION...44 CONCLUSIONS...50 REFERENCES...51 CONCLUSION GÉNÉRALE ... 54 RÉFÉRENCES... 57 ANNEXES ... 62
Liste des tableaux
Tableau 1 : Facteurs qui affectent la qualité de l’aboutage (adapté de Fröblom 1975)... 9
Tableau 2 : Comparaison entre les deux normes utilisées pour la purge des défauts... 28
Tableau 3 : Paramètres d’usinage étudiés dans la littérature ... 31
Tableau 4 : Paramètres d’usinage étudiés antérieurement... 31
Tableau 5 : Paramètres utilisés pour l’aboutage et collage... 32
Tableau 6 : Paramètres utilisés lors des essais mécaniques de traction... 35
List of tables Table 1. Parameters used for the finger-jointing process ... 42
Table 2. Parameters used for the tensile tests ... 43
Table 3. Feed speed (m/min) as a function of cutting speed and chip load... 43
Table 4. Ultimate tensile strength (MPa) of finger-jointed black spruce ... 44
Liste des figures
Figure 1: Valeur des livraisons manufacturières québécoises (Ministère des Ressources
naturelles et de la Faune, 2005a) ... 4
Figure 2 : Comportement différent de l’acier et du bois dans un incendie... 5
Figure 3 : Exemples de structures en lamellé-collé ... 6
Figure 4 : Lamelle aboutée ... 7
Figure 5 : Lamellé-collé, vue latérale a), vue de face b) ... 7
Figure 6 : Étapes du procédé d’aboutage... 8
Figure 7 : Géométrie du joint... 10
Figure 8: Types de joint:... 11
Figure 9 : Zones inactives du point de vue mécanique dans le joint ... 12
Figure 10 : Zones actives mécaniquement dans le joint ... 13
Figure 11 : Les surfaces réelles de contact entre les entures ... 13
Figure 12 : Tête porte-couteaux et nomenclature ... 15
Figure 13 : Disposition des zones de contraintes en flexion... 24
Figure 14 : Les zones des contraintes dans une poutre en flexion... 25
Figure 15 : Bois empilé dans la chambre de conditionnement ... 27
Figure 16 : Réduction en dimensions des blocs de bois ... 29
Figure 17 : Structure des traitements ... 30
Figure 18 : Tête porte-couteaux... 33
Figure 19 : Système d’application pour l’adhésif... 33
Figure 20 : Les étapes de l’assemblage: ... 34
Figure 21 : Machine Systech TNS-800... 35
Figure list Figure 1. Comparison of UTS results with Bustos et al. (2004)... 47
Figure 2. Distribution of modes of failure ... 49
Liste des équations
1. Géometrie du joint ………10
2. Coefficient de réduction de la section effective ………12
3. Section effective ………12
4. Surface de collage effective ………..13
5. Vitesse de coupe ………15
6. Avance par couteau ………...15
7. Résistance en traction ………36
List of equations 1. Feed speed...42
Introduction
L’industrie québécoise du bois est présentement dans une étape caractérisée par la diminution de la ressource de qualité dans le contexte de la réduction des exportations vers les États-Unis et de la pression concurrentielle des régions à moindre coûts. Un bon exemple est la surproduction des produits en bois résineux en provenance de la Colombie Britannique due à la récupération du bois mort de l’attaque du dendroctone du pin. Une partie particulièrement affectée de l’industrie de transformation est celle de la transformation primaire du bois. Le besoin recherche et développement est dans cette situation encore plus important que d’habitude. Obtenir des produits de meilleure qualité en réduisant les coûts de production et en utilisant la matière première disponible constitue une partie de la solution pour les entreprises du domaine de la première transformation du bois. De plus, le développement pour ces entreprises de produits à valeur ajoutée constitue une avenue de développement intéressante.
Le lamellé-collé est un produit utilisé dans les structures des bâtiments en bois. Il remplace avec succès les poutres en bois massif, offrant entre autres une meilleure performance mécanique et stabilité dimensionnelle. Le procédé utilisé pour l’obtention de longues lamelles utilisées dans la fabrication du lamellé-collé est appelé aboutage. On obtient ainsi, en collant des pièces de bois de longueur réduite et de faible valeur marchande, des poutres de dimensions préétablies. La qualité du lamellé-collé dépend de la qualité du bois utilisé et du procédé technologique. La résistance mécanique d’une poutre en lamellé-collé dépend directement de la qualité de l’interface bois-colle (le joint), car c’est cette zone qui est le point faible de ce produit. Plusieurs facteurs comme le type de colle et la qualité de surface influencent la qualité du collage. Pour obtenir une surface adéquate, les paramètres d’usinage utilisés doivent tenir compte des propriétés du bois, principalement la masse volumique. Plusieurs recherches (Selbo 1975, Kutscha and Caster 1987, Hernández and Rojas 2002) ont rapporté que la qualité
de surface est influencée par la masse volumique du bois qui influence à son tour la qualité du joint.
L’espèce la plus souvent utilisée dans l’est du Canada pour la fabrication du lamellé-collé est l’épinette noire. Elle constitue une des matières premières de base pour les pâtes à papier, pour le bois de construction et, de plus en plus, pour les produits à valeur ajoutée. La grande étendue de la distribution de l’épinette noire fait que, même s’il s’agit d’une seule et même espèce, les propriétés de base du bois varient largement en fonction de la localisation géographique. Alteyrac et al. (2005) ont mené une étude portant sur l’épinette noire du Nord du Québec (région de Chibougamau). Ils rapportent une masse volumique basale entre 458 et 466 kg/m3 et une largeur moyenne des cernes de 1 mm. Ces valeurs diffèrent de celles rapportées par Jessome (2000): 406 kg/m3 et 1,3 mm. Plusieurs études ont été menées sur l’aboutage de l’épinette noire (Bustos 2003; Bustos et al. 2003 a et b, 2004; St-Pierre et al. 2005), mais la quantité d’information sur l’aboutage de l’épinette noire à masse volumique élevée est réduite.
Ce projet vise à déterminer si l’épinette noire de haute masse volumique peut être utilisée pour la fabrication de lamellés-collés à utilisation structurale. Plus précisément, cette étude a comme objectif l’optimisation des paramètres de coupe en analysant l’influence de la vitesse de coupe et de l’épaisseur du copeau sur la résistance en traction du bois abouté d’épinette noire de haute masse volumique.
Généralités
L’industrie de la transformation des produits forestiers est un domaine très important pour l’économie du Québec. L’industrie des produits forestiers (produits en bois, papier et meubles) a été le premier employeur dans le secteur manufacturier en 2001 avec 123 221 emplois, soit 22% des emplois dans ce secteur (Ministère des Ressources naturelles et de la Faune, 2005b). De ce 22%, environ 15% provient de
l’industrie des produits de 1ere/2eme/3eme transformation (dont 8,2% seulement dans le
secteur 2eme/3eme transformation), domaine qui a généré 14,7% du volume de la
production manufacturière, soit environ 12,7 milliards de dollars. L’importance du
secteur de 2e/3e transformation du bois est facilement visible tenant compte du fait que
le nombre d’emplois générés par ce domaine d’activité a augmenté de 79% (de 25 826 à 46 230 emplois) entre 1991 et 2001 (Institut de la statistique du Québec 2005).
La conception du bois d'ingénierie (classification des produits, usages, essences utilisées, etc.)
Les produits en bois d’ingénierie (PBI) constituent une partie de plus en plus importante de l’industrie du bois et cela pour des bonnes raisons. Le contexte économique oblige les producteurs à se diriger vers des produits à valeur ajoutée, soit des produits de deuxième et troisième transformation. Ces produits nécessitent plus de savoir faire et sont plus couteux à produire, mais ces désavantages sont compensés par une qualité et une performance supérieures, justifiant un prix de vente supérieur, par leurs propriétés plus homogènes et prédictibles, et par la meilleure utilisation des ressources.
Il y a plusieurs catégories de produits de 2e/3e transformation; tels que :
bois d’ingénierie d’apparence ou structural meubles
bois traité
cadres et moulures
composantes de systèmes de construction préfabriquées composites bois polymères, etc.
Les produits structuraux en bois d’ingénierie occupent une place importante dans le
secteur de la 2eme/3eme transformation au Québec. Entre 1995 et 2002, la valeur des
produits de charpente en bois (autre que bois massif) est passée d’environ 83 millions à presque 260 millions de dollars, soit une augmentation de plus de 300% (Figure 1).
Figure 1: Valeur des livraisons manufacturières québécoises (Ministère des Ressources naturelles et de la Faune, 2005a)
Dans la catégorie des produits structuraux (classification SCIAN 321.215) on trouve les lamellés-collés, les poutrelles en I, les poutres de placage laminées, les poutres de lamelles orientées, les poutres de lamelles parallèles, les poutrelles ajourées, etc.
Avantages du bois par rapport à d’autres matériaux utilisés en structures On pourrait se demander si un produit structural obtenu à partir du bois peut entrer en compétition avec les matériaux consacrés, tels que l’acier et le béton. Le lamellé-collé est un produit vert, obtenu à partir d’une ressource renouvelable. On consomme environ 5 fois plus d’énergie pour le béton et 6 fois plus d’énergie pour l’acier pour obtenir des poutres avec une résistance mécanique équivalente, ceci occasionne de 5 ou 6 fois plus d’émission de gaz à effet de serre pendant la production sans mentionner d’autres substances chimiques associées à ces procédés industriels (Glued Laminated Timber Association 2007). Le rapport résistance/masse volumique du bois massif résineux est environ 5-6 fois plus grand que celui du béton typiquement utilisé en construction et légèrement plus grand que celui de l’acier. Une autre façon d’exprimer ce fait est que pour des poutres avec des résistances équivalentes, celle en acier peut dépasser de 20% et celle en béton de 600% le poids de la poutre en lamellé-collé, et cela avec un impact négatif sur le coût de transport des matériaux, le volume de la fondation et le coût de la construction. Un autre aspect qui différencie le bois lamellé-collé de ses concurrents est sa meilleure résistance au feu : les structures en bois massif de fortes dimensions ont un comportement plus prédictible en situation d’incendie et s’avèrent plus résistantes que les structures en acier ou en béton (Figure 2).
Figure 2 : Image montrant le comportement différent de l’acier et du bois dans un incendie (Glued Laminated Timber Association 2007)
Le faible coefficient de transfert thermique du bois fait en sorte que la vitesse de consommation du bois par le feu est réduite. La vitesse de carbonisation du bois est connue, et ce facteur est pris en considération lors des calculs de la structure. Au Canada, des formules analytiques de calcul pour l’évaluation de la performance au feu des poutres en lamellé-collé sont disponibles dans le Code National du Bâtiment du Canada (NBCC 2005) dans l’Annexe D-2.11 et ces formules proposent une vitesse de carbonisation de 0,6 mm/min. Le charbon qui se crée à l’extérieur agit comme un isolant et protège le bois à l’intérieur retardant l’effondrement de la structure.
L’attrait du lamellé-collé comme choix structural est augmenté par la versatilité des formes que l’on peut obtenir, comme en témoignent les nombreuses structures érigées ces dernières années (Figure 3).
Figure 3 : Exemples de structures en lamellé-collé (Glued Laminated Timber Association 2007)
Le bois est aussi un matériau aux qualités visuelles très appréciées. Son apparence chaleureuse crée un environnement naturel confortable et relaxant, qui élimine la nécessité d’appliquer un revêtement d’apparence et réduit ainsi les coûts de construction. Dans ces circonstances, il n’est pas surprenant que les structures en bois soient en train de gagner en popularité.
Le lamellé-collé
Le lamellé-collé est un produit structural fabriqué à partir des pièces de bois de courte longueur et de faible valeur marchande. Ces pièces sont aboutées pour obtenir des lamelles de différentes longueurs (Figure 4). Ces lamelles sont ensuite collées sur les faces larges et/ou sur les faces étroites pour obtenir des poutres des dimensions désirées. Le nombre et la dimension de lamelles déterminent ainsi la hauteur et la largeur des poutres, les dimensions étant limitées en pratique par les capacités de fabrication du producteur et par les contraintes liées au transport (Figure 5).
Figure 4 : Lamelle aboutée
Le lamellé-collé offre plusieurs avantages sur le bois massif : il est plus stable du point de vue dimensionnel, il est plus résistant qu’une poutre de la même dimension en bois massif, et on peut obtenir une large variété de formes et profils, ce qui offre aux constructeurs et aux architectes des options inexistantes dans le cas du bois massif et de l’acier.
a)
b)
L’essence utilisée principalement dans l’est du Canada est l’épinette noire. Au Canada et en général en Amérique du Nord l’essence la plus utilisée est le sapin de Douglas - Pseudotsuga menziesii, mais on peut aussi utiliser d’autres résineux ou feuillus.
Les étapes de l’aboutage sont les suivantes (Figure 6) :
1. L’élimination des défauts (nœuds, pourriture, défauts structuraux, etc.)
2. L’usinage des entures
3. L’application de la colle 4. L’assemblage 5. Le durcissement de l’adhésif 1. 2. 3. 4.
Figure 6 : Étapes du procédé d’aboutage
Pression
Facteurs qui affectent la qualité de l'aboutage
L’aboutage est un processus technologique assez complexe. Le bois est un matériau très hétérogène, avec des propriétés qui varient d’une espèce à l’autre, d’un arbre à l’autre et même dans le même arbre. Ces variations ont une influence plus ou moins importante sur la qualité du produit final, et des nombreuses études portant sur les interactions entre les propriétés du bois et les paramètres d’usinage ont été menées pour améliorer ce procédé industriel (tableau 1).
Tableau 1 : Facteurs qui affectent la qualité de l’aboutage (adapté de Fröblom 1975)
Propriétés Facteurs
L'anatomie
La masse volumique La proportion du bois final
Les nœuds (la grandeur, la quantité et la forme) La pente du fil
La largeur des cernes annuels Le bois de tension ou de compression Le bois juvénile
La teneur en humidité
Les gerces induites par le séchage La cambrure et le gauchissement Propriétés du bois
La teneur en résine Le type de joint
La géométrie et les dimensions des joints Propriétés des joints
La direction de coupe des joints Le séchage et le conditionnement La coupe transversale des blocs La coupe des entures
Le type d'adhésif
L'application des adhésifs
L'application de chaleur sur les joints La pression d'assemblage
L'entreposage Le rabotage Propriétés de production
Géométrie des joints (géométrie, type de joint, etc.)
Le joint est caractérisé par plusieurs paramètres géométriques (Figure 7):
L
e
H - épaisseur de la pièce θ L - longueur des entures
P - pas H θ - angle de l’enture t s - pente de l’enture P
t - épaisseur de la pointe de l’enture e - épaulement
Figure 7 : Géométrie du joint (d'après le Centre Technique du Bois 1973)
Ces paramètres sont reliés par la formule suivante:
L
t
P
s
tan
0
,
5
(1)Le pas (P), la longueur des entures (L), l’épaisseur du petit bout (t) et la pente de l’enture (θ) sont des facteurs qui influencent, seuls ou par des effets combinés, le comportement du joint.
Dans une étude portant sur l’effet de la géométrie sur la résistance des joints, Selbo (1963) rapporte qu’en réduisant la pente, la résistance augmente et que cette tendance est moins accentuée pour des valeurs inférieures à 1/12. Aussi, en gardant la pente (s) et la pointe (t) constantes, la résistance du joint augmente avec le pas, mais cette augmentation est de plus en plus faible. Par rapport à l’épaisseur de la pointe, il observe qu’en augmentant cette valeur la résistance diminue et il conseille de réduire le plus possible l’épaisseur de la pointe pour maximiser la performance du joint.
Ces résultats sont appuyés par ceux de Page (1959) qui a observé qu’en réduisant la pente de 1/4 à 1/6 la résistance a augmenté de 50%, et qu’une réduction de 1/6 à 1/8 a amené encore 20% d’augmentation de la résistance. Des réductions ultérieures ont généré des augmentations non significatives. Pour une pente de 1/16 la résistance était supérieure de 75% à la pente initiale de 1/4.
Plusieurs types de géométrie de joint tel que “sans épaulement”, “male-femelle” et “inversée” sont couramment utilisés dans l’industrie (Figure 8). L’aspect qui fait la différence est la présence ou l’absence de l’épaulement et la façon dont les
épaulements sont situés dans le joint.
a) b)
Figure 8: Types de joint:
a) Sans épaulement b) Inversée
c) Mâle-femelle
c)
Une étude menée par Bustos et al. (2003a) portant sur les types de joint le plus courants dans l’industrie, soit sans épaulement, mâle-femelle et inversée a trouvé que le joint sans épaulement est plus résistant mécaniquement que les types mâle-femelle et inversée. La différence était plus évidente pour des essais en flexion, mais la tendance était présente aussi lors des essais en traction. Leurs paramètres géométriques étaient
P = 6,69 mm, L = 28,27 mm et t = 0,76 mm. Ils ont expliqué les résultats par la présence des points d’accumulation de contraintes générés par les épaulements. Une autre explication plausible serait fournie par le fait que l’aire effective de la surface de colle était réduite aussi par la présence des épaulements.
Les paramètres de base présentés au début de cette section sont complétés par
de coefficients qui caractérisent la surface de contact entre les entures (après Selbo 1963, Jokerst 1981 et Ayarkwa 2000b):
At – coefficient de réduction de la section effective:
P
t
A
t
2
(2)Figure 9.
Figure 9 : Zones inactives du point de vue mécanique dans le joint
Dans le joint, la résistance mécanique est donnée par la surface des entures seulement car les épaulements, les fonds et les points des entures ne contribuent que d’une manière négligeable à la résistance du joint (Figure 9). Ce coefficient indique la proportion de la section transversale qui ne participe pas à la résistance mécanique du joint (comme rapport entre l’épaisseur de la pointe et le pas).
As – section effective ou nette:
Section qui participe peu à la résistance mécanique t P t
P
t
A
s
1
2
(3)t
Figure 10.
Figure 10 : Zones actives mécaniquement dans le joint
La section effective est constituée par la sommation des projections des faces des entures dans le plan transversal de la pièce (Figure 10). Une bonne géométrie de joint est caractérisée par une section effective maximale, donc par des épaulements et pointes d’enture réduites au minimum; ce coefficient sert à comparer l’efficacité des différentes géométries, surtout quand la pente est identique (Rajkan et Kozelouh 1963).
Aj – surface de collage effective ou surface relative du jointage:
P
L
A
j
2
La longueur réelle (Lr) du la ligne de colle est déduite a partir des relations
géométriques comme 2
1 s L
Lr . Pour des pentes réduites on peut estimer
1 1 s2
, on peut donc dire que
L
r
L
.Figure 11 : Les surfaces réelles de contact entre les entures
L P t Section qui participe à la résistance mécanique P (4) face de l’enture face de l’enture fond de l’enture (t) pointe (t) Lr
Ce coefficient est plus adéquat pour évaluer la performance mécanique d’un joint, car il montre la surface réelle de contact entre les deux pièces de bois. Jokerst (1981) mentionne que la résistance du joint dépend de ce paramètre, d’où la nécessité de choisir une longueur et une pente pour les entures qui permettent d’obtenir une surface de collage suffisante. Raknes (1982) suggère que la surface effective de la ligne de colle doit être au moins 10 fois plus grande que la surface nette pour assurer que la résistance au cisaillement de la ligne de colle soit équivalente à la résistance en traction
de la section nette. Pour la même raison, Selbo (1963) suggère un rapport L/p supérieur
à 4 ou 5.
Ayarkwa et al. (2000b) ont mené une étude sur l’effet de la géométrie sur la performance des joints pour 3 espèces tropicales de basse, moyenne et haute masse
volumique. Les trois profils étudiés furent F1 (L=10 mm, P=3,7 mm, t=0,6 mm, s= 1/6,
Aj=5,5, At=0,16), F2 (L=18 mm, P=3,7 mm, t=0,6 mm, s= 1/12, Aj=9,7, At=0,16) et
F3 (L=20 mm, P=6,0 mm, t=0,6 mm, s= 3/20, Aj=6,7, At=0,10). Les valeurs pour le
module de rupture (MOR) pour la condition F2 se sont avérées supérieures aux deux
autres conditions. Ce résultat a été attribué à la différence des valeurs de la surface
effective de colle (Aj) entre les trois profils. Le module d’élasticité (MOE) ne semble
pas être influencé dans cette étude par la géométrie des joints, l’ANOVA montrant qu’il n’y a pas des différences significatives entre les trois conditions. Ce comportement différent du MOE et MOR peut être compris si l’on conçoit la rupture comme étant un phénomène plutôt local, tandis que la flexion est un phénomène généralisé, moins influencé par les caractéristiques du joint.
En conclusion, pour obtenir un joint de qualité, on doit utiliser une combinaison de pente réduite, longueur d’enture élevée et épaisseur de pointe minimale, tout en tenant compte des limitations techniques pour s’assurer d’obtenir une surface effective de collage élevée. Selbo (1963) suggère un rapport L/P supérieur à 4 et Raknes (1982)
Paramètres d’usinage (Vc, Va, Ac)
L’aboutage comme procédé technique est caractérisé par les paramètres suivants (Figure 12) :
- Vc - vitesse de coupe - la vitesse avec laquelle les couteaux se déplacent dans le
bois. Cette valeur dépend du diamètre de coupe (D) et de la vitesse de rotation (N) de la tête porte couteaux. Le diamètre de coupe est le diamètre du cercle imaginaire tracé par les extrémités des couteaux et ayant comme centre l’axe de la tête porte-couteaux. La vitesse de coupe est calculée à l’aide la relation suivante :
1000 * *D N
Vc (m/min), (5)
où D exprimé en mm, et N en tours/min
Figure 12 : Tête porte-couteaux et nomenclature (ACEco 2000)
- A - vitesse d’alimentation - la vitesse transversale du bois à travers l’abouteuse ; - e - Avance par couteau - ou épaisseur du copeau, c’est la quantité de bois
enlevée par un couteau pendant un passage, soit une rotation. Il est calculé avec la formule suivante :
(6)
où n est le nombre de couteaux, et la vitesse d’alimentation est exprimée en m/min.
Les paramètres d’usinage influencent l’aboutage en déterminant le fini de surface. L’épaisseur de la couche de cellules écrasées, la rugosité de la surface, la proportion de fil arraché et la brulure du bois sont des facteurs qui influencent la pénétration de la colle et conséquemment la qualité finale du joint (Selbo 1975, River et Miniutti 1975, Murmanis et al. 1986, Kutscha et Caster 1987, Reeb et al. 1998, Stehr et Östlund 2000, Hernández et Naderi 2001, Hernández et Rojas 2002, Hernández et de Moura 2002, Singh et al. 2002).
Vitesse de coupe
Bustos et al. (2004) ont étudié l’effet de la vitesse de coupe (1676, 2932 et 3770 m/min) sur la qualité du joint en entures multiples d’épinette noire. La section des échantillons était de 38 mm par 64 mm (2x3 pouces) et la colle utilisée était de type PEP (polyuréthane émulsion prépolymère) commercialisée sous le nom d’ISOSET UX-100/WD3A322. La pression d’assemblage était de 3,43 MPa maintenue pendant 20 secondes. Les résultats indiquent que la vitesse de coupe influence la qualité du joint. Les meilleurs résultats ont été obtenus à une vitesse de rotation de 3500 tr/min, valeur qui correspond à une vitesse de coupe de 2932 m/s. Un facteur qui peut expliquer le lien entre la vitesse de coupe et la qualité du joint est la profondeur de la couche de cellules écrasées générée par l’usinage. Une analyse statistique effectuée après une observation microscopique de la ligne de colle pour plusieurs conditions de coupe a montré un lien entre la vitesse de coupe et l’endommagement du bois. Cette couche de cellules écrasées empêche la colle de pénétrer dans la partie saine du bois et réduit ainsi la zone de contact entre la colle et le bois et conséquemment la résistance mécanique du joint. La vitesse de coupe est dans ce cas un facteur limitant qui doit être pris en considération.
Collins et Walford (1998) ont évalué les effets de la vitesse d’avance et de la vitesse de coupe sur l’aboutage de Pinus radiata. Ils ont trouvé que pour l’étendue des valeurs étudiées la vitesse de coupe n’influence pas la qualité du joint, mais plutôt l’apparence de la surface.
À des vitesses de rotation trop élevées, il y a un autre facteur limitant qui intervient, soit l’instabilité de la tête porte couteaux qui peut engendrer des défauts de fabrication et du fil arraché en excès (ACEco 2000).
Avance par couteau
L’avance par couteau influence directement l’usure des outils et la qualité de surface. Une valeur trop petite va faire que les couteaux vont frotter au lieu de couper, ce qui résultera en une usure prématurée des arêtes tranchantes et la brulure de la surface résultante. Une valeur trop élevée d’avance par couteau augmente la pression de coupe et conséquemment l’usure des couteaux et la quantité d’énergie dépensée (Wisconsin Knife Works 2000, ACEco 2000). Une pression de coupe élevée augmente aussi la quantité de fil arraché, avec des effets négatifs sur le collage
Bustos et al. (2004) arrivent à la conclusion que l’interaction entre la vitesse de coupe (valeurs étudiées 1676, 2932 et 3770 m/min) et l’avance par couteau (0,64, 0,86 et 1,14 mm) influence la qualité du joint. Les résultats obtenus indiquent que pour des valeurs de vitesse de coupe entre 1676 m/min et 2932 m/min et pour des avances par couteau entre 0,64 et 0,86 mm on peut obtenir des produits avec des bonnes performances mécaniques.
Usure des couteaux
L’épaisseur de la couche de cellules écrasées est directement liée à l’usure des couteaux. Reeb et al. (1998) analysent l’influence de l’usure des couteaux sur l’épaisseur de la couche de cellules écrasées après 4-6-32 heures d’usinage. Cette épaisseur fut de : 100 micromètres aux 4 heures, 135 micromètres aux 6 heures et 200 micromètres aux 32 heures. Cela démontre que l’usure des couteaux influence la qualité d’usinage. Ils observent aussi un lien direct entre l’usure des couteaux et la réduction de la qualité de surface et par conséquent, du collage.
L’effet négatif de l’usure des couteaux sur le comportement au collage a été aussi rapporté par Hernández et Rojas (2002) pour l’érable à sucre et par Hernández et de Moura (2002) pour le bois de chêne rouge.
Propriétés du bois Masse volumique
On peut décrire le joint comme un produit composite bois-colle-bois. Les propriétés mécaniques du joint dépendent de la capacité de la colle de former un lien avec le bois. Si le collage est bon, la rupture va se produire dans le bois (rupture de types 2, 3, 4, 5 et 6) et ce sont donc les propriétés mécaniques du bois qui vont déterminer la résistance du joint. On sait que la densité de la matière ligneuse, composée de cellulose, hémicellulose et lignine principalement, est quasiment la même peu importe l’espèce étudiée. C’est la proportion des vides cellulaires qui va donner la masse volumique apparente d’un bois. Les bois denses ont ainsi moins d’espaces vides que les bois légers. Cette caractéristique est importante car c’est la porosité, ainsi que la perméabilité, qui déterminent la façon dont la colle va pénétrer dans le bois avant de polymériser. Ces deux propriétés influencent la vitesse de dispersion des substances volatiles donc la vitesse de durcissement pour les colles à base de solvants. Elles détermineront aussi la vitesse et la profondeur de pénétration pour les colles de type PEP (pour lesquelles la polymérisation suit au mélange des deux ou plusieurs
composantes). La masse volumique du bois est le paramètre qui détermine le type de colle à choisir, sa viscosité, sa vitesse de polymérisation, la pression et le temps d’assemblage. Un bois moins dense va nécessiter moins de colle, une pression d’assemblage et un temps de durcissement inférieurs à un bois plus dense.
Kutscha et Caster (1987) rapportent que la résistance en traction du joint de colle augmente avec la masse volumique pour le bois de sapin de Douglas et pruche. Knowles (2003) trouve également que la masse volumique du bois a un effet significatif sur la résistance en traction du joint de colle. Dans une étude plus récente portant sur l’épinette noire du nord du Québec, Alteyrac et al. (2005) analysent la relation entre les caractéristiques anatomiques (largeur et masse volumique du cerne, angle des microfibrilles) et les MOE, le module de rupture en flexion et la contrainte maximale en traction du bois. Selon ces auteurs, une corrélation existe entre l’angle des microfibrilles, la masse volumique des cernes et la contrainte maximale en traction. La masse volumique du cerne peut aussi être utilisée pour prédire le module de rupture.
D’après le Wood Handbook (USDA-FS 1999), la performance d’un joint augmente à mesure que la masse volumique basale augmente jusqu'à une valeur
d’environ 700-800 kg/m3, puis elle diminue par la suite.
Nœuds
L’effet des nœuds situés près des joints a été étudié par Pellicane et al. (1987) chez le sapin de Douglas. Les échantillons ont été regroupés en plusieurs classes en fonction du diamètre des nœuds, allant de 6 mm à 19 mm. Les nœuds se trouvaient à moins de deux fois leur diamètre des entures. Les résultats obtenus ont été comparés avec ceux des échantillons sans défauts (aucun nœud à moins de 305 mm des entures). L’analyse des résultats a montré que les nœuds près du joint diminuent la résistance en traction des joints. Les nœuds agissent comme des points de discontinuité et de faiblesse dans le bois car ils provoquent des déviations de fil assez importantes et réduisent la section effective.
La dimension admissible des nœuds dans les entures est prescrite par la norme SPS-1 (NLGA 2003a) qui prend en considération la classe de qualité et la largeur nominale du bois jointé.
Température et teneur en humidité du bois
L’humidité joue un rôle important dans l’opération d’aboutage parce que la quantité d’eau dans le bois influence la pénétration et la polymérisation de la colle. Trop d’humidité empêche la diffusion de la colle dans le bois et ralenti la polymérisation. Par contre, dans un bois sec, la colle est absorbée en totalité ce qui donne un joint faible (Marra 1992). La polymérisation est un processus chimique. Comme toute réaction chimique, elle est fortement influencée par la température. Une température trop basse ralentie la polymérisation tandis qu’une température trop élevée durcit la colle avant qu’elle ait le temps de bien pénétrer dans le bois.
Bustos (2003) a étudié l’influence de la température et de l’humidité du bois d’épinette noire lors de l’encollage. Des traitements combinant 3 valeurs d’humidité d’équilibre (12, 17 et 20%) et 4 températures du bois (-5, 5, 12 et 20ºC) ont été étudiés. Les joints usinés à -5ºC ont eu la résistance la moins élevée par rapport aux autres conditions. Les valeurs obtenues pour 5, 12 et 20ºC furent semblables. Par rapport à l’humidité du bois, l’analyse des résultats montre que la qualité du joint semble augmenter à mesure que l’humidité diminue, mais cet effet n’est significatif que pour la valeur à 20 ºC.
St-Pierre et al. (2005) ont étudié l’influence de la température (-5, 5, 12 et 20 ºC) et de l’humidité (12, 16, 20% et bois vert) sur la performance mécanique des joints d’épinette noire. Les valeurs maximales de MOR en traction furent obtenues à des valeurs d’humidité de 12% et 16% et des valeurs de température de 5, 12 et 20ºC. Les températures basses ont une influence négative plus accentuée pour le bois vert que pour le bois sec. Ils rapportent aussi que l’humidité n’influence pas la performance mécanique, mais ils observent des différences entre les valeurs obtenues pour le bois vert et les autres valeurs d’humidité.
Un autre aspect à considérer est l’écart d’humidité entre deux morceaux adjacents. Si l’écart est trop grand, les différences de retrait ou gonflement vont générer des contraintes qui peuvent endommager le joint (Kennedy 1951). Une différence maximale de 5% peut être tolérée afin d’éviter ce genre de problème.
Selon Jokerst (1981), pour avoir un collage de qualité, le bois doit être amené à une teneur en humidité semblable à celle qu’il atteindra en utilisation, soit en général entre 6% et 17%.
Le collage Pression
La pression d’assemblage a comme but principal l’obtention d’une couche mince et uniforme de colle entre les surfaces des entures (Bustos et al. 2003b). Si la couche est trop mince ou trop épaisse, la qualité du joint est affectée. Si la couche est épaisse, des fissures et des points d’accumulation des contraintes peuvent apparaître, diminuant la résistance finale. La surface des entures n’est pas parfaitement plane, donc une pression élevée vise à obtenir un meilleur contact entre ces surfaces, avec des effets positifs sur le joint. Toutefois, une pression trop élevée peut produire des fissures à la base des entures et écraser la couche de cellules à la surface du bois empêchant la pénétration de la colle (Jokerst 1981, Kutscha et Caster 1987). Le choix de la pression doit tenir compte de l’essence utilisée, soit la masse volumique, de la viscosité de la colle et de la géométrie des entures.
Bustos et al. (2003b) ont étudié l’effet de la pression d’assemblage sur le jointage de l’épinette noire. Six valeurs de pression ont été analysées, de 1,3 à 4,9 MPa. Leurs résultats montrent que pour cette espèce et pour la colle utilisée, polyuréthane émulsion prépolymère, la pression d’assemblage influence la performance mécanique des joints.
Ayarkwa et al. (2000a) ont évalué l’effet de la pression d’assemblage sur le jointage de trois espèces de bois africains. La résistance en traction (MOR) et le module d’élasticité (MOE) ne furent pas influencés par ce paramètre.
Strickler (1980) recommande une pression de 2,75 MPa pour la plupart des résineux, tandis que Turgeon (1981) parle plutôt d’un intervalle entre 2,75 à 5,5 MPa pour le groupe épinette-pin-sapin et les autres résineux à masse volumique basse, et de 4,1 à 6,85 MPa pour le mélèze et le sapin douglas. Il recommande aussi de réduire la pression à mesure que la longueur des entures augmente pour réduire leur endommagement.
Type d’adhésif
Selon Vick (1999) les colles utilisées pour les produits structuraux peuvent être groupées selon les conditions d’utilisation en plusieurs catégories :
Colles avec une très bonne résistance à l’eau (usage externe et interne) : Polyuréthane Émulsion Polymère (PEP)
Émulsion Polymère Isocyanate (EPI) Phénol Formaldéhyde (PF)
Résorcinol Formaldéhyde (RF)
Phénol Résorcine Formaldéhyde (PRF) Mélamine Formaldéhyde (MF)
Colles avec une résistance moyenne à l’eau (usage externe limité et interne) : Mélamine Urée Formaldéhyde (MUF)
Isocyanate Époxy
Polyvinyle acétate à liaison transversale
Colles avec une faible résistance à l’eau (utilisation interne seulement) : Urée Formaldéhyde (UF)
Caséine
D’après Jokerst (1981), un adhésif apte pour le bois peut théoriquement être utilisé pour le collage des entures multiples, en tenant compte des limitations imposées par les conditions d’utilisation du produit final. Au Québec, les colles les plus utilisées pour la fabrication des produits d’ingénierie sont la Résorcine Formaldéhyde, la Phénol Formaldéhyde (PF) ou la combinaison de deux (St-Pierre et al. 2003). L’utilisation de ces colles est limitée par le prix élevé (la RF), et dans le cas des colles phénoliques par la chaleur requise pour polymériser, chaleur fournie soit par un four à radio fréquence, soit par une presse, ce qui diminue la rentabilité de ces produits (Forintek 2001). Aussi, leur couleur foncée diminue la qualité visuelle du produit final, surtout pour les produits à utilisation intérieure.
À ces types d’adhésifs, on a ajouté dernièrement les colles à base de polyuréthane (PUR) pour une multitude d’applications structurelles et non-structurelles. Ce type de colle est moins influencé par les variations des différents paramètres et il a l’avantage de durcir en quelques heures à température ambiante (Bustos et al. 2003). Plusieurs études (Ayarkwa et al. 2000b, Chen 2001, Bustos et al. 2003a, 2003b, St-Pierre et al. 2005) ont conclu que les colles de type (PUR) sont une alternative viable aux colles à base de phénol et résorcinol. L’usage des colles à base d’isocyanates a été réglementé par la Commission Nationale de Classification de Sciages (NLGA 2002) dans une annexe en 2002.
Comportement mécanique du lamellé-collé et normes régissant le procédé d’aboutage
Le comportement mécanique du lamellé-collé est influencé par sa structure. Idéalement une poutre en lamellé-collé devrait avoir des propriétés homogènes dans tous ses points. En pratique, les propriétés variables et les défauts internes des lamelles, les joints et les surfaces de collage constituent des points de faiblesse qui rendent difficile la prédiction du comportement mécanique de la poutre. Toutefois, un modèle théorique est nécessaire pour les différents calculs de la structure. Selon l’American Society for Testing and Materials (ASTM 2005), du point de vue de la disposition des contraintes, une poutre en lamellé-collé soumise à des forces de flexion est divisée en
trois zones (couches) : E1 – zone externe en traction/compression, E2 – zone interne en
traction/compression et E3 – le cœur (Figure 13).
Figure 13 : Disposition des zones de contraintes dans le profil d’un lamellé-collé en flexion (adaptée d’ASTM 2005)
On remarque que les contraintes maximales se trouvent dans les couches externes, soit une compression maximale dans la partie supérieure et une traction maximale dans la zone inferieure (Figure 14). L’âme du lamellé-collé subit des contraintes de cisaillement. d3 d2 d1 b E1 E2 E3 E2 E1
σ
axe
neutre
f3 f2 f1traction compression cisaillement
Figure 14 : Les zones des contraintes dans une poutre en flexion
On peut envisager que, en mettant des lamelles de bonne qualité dans les couches externes, la performance mécanique de la poutre pourrait augmenter. Pour l’âme on peut utiliser du bois de moindre qualité car les efforts y sont moins importants. Ceci permet d’économiser les lamelles de bonne qualité.
Au Canada on trouve plusieurs normes qui s’appliquent aux produits de bois aboutés. La norme de référence pour les produits lamellés-collés structurels est la CAN/CSA 0122-M89 - Normes des bois de charpente résineux lamellés et collés, laquelle définit les critères de qualité pour le bois, la colle et les différents types de configurations utilisées. Cette norme est accompagnée par la CAN/CSA 0177 - Normes minimales d'agrément des usines de bois de charpente lamellé et collé, qui impose aux producteurs de lamellé-collé des exigences de qualité liées aux procédés techniques (outillage et personnel minimaux) et aux méthodes de contrôle de la fabrication et du produit fini. Le Code National du Bâtiment oblige tous les producteurs canadiens de lamellé-collé de respecter ces normes.
D’autres normes importantes régissant les produits aboutés sont les normes SPS (Special Products Standard) rédigées par la Commission Nationale de Classification des Sciages. Ces normes s’adressent aux plusieurs types de bois jointés en fonction de leur utilisation :
1. SPS-1 (NLGA 2003a) - Norme de produits spéciaux pour le bois de charpente jointé;
2. SPS-2 (NLGA 2003b) - Norme de produits spéciaux pour le bois classé par machine;
3. SPS-3 (NLGA 2003c) - Norme de produits spéciaux pour le bois jointé « Utilisation verticale Colombages seulement »;
4. SPS-4 (NLGA 2003d) - Norme de produits spéciaux pour la semelle de bois jointé;
5. SPS-5 (NLGA 2003e) - Norme de produits spéciaux pour bois collé sur face « Utilisation verticale seulement »;
6. SPS-6 (NLGA 2003f) - Norme de produits spéciaux pour bois collé sur face. Ces normes décrivent les exigences à respecter pour le procédé industriel, la matière première, les machines utilisées, etc. Parmi d’autres aspects, ces normes définissent le produit couvert par la norme, l’essence et la qualité du bois utilisé (dimensions, défauts permis, classement mécanique et visuel, humidité), le nombre, les dimensions et l’emplacement des nœuds, les paramètres techniques du joint (profil des entures, tolérances d’aboutage), type d’adhésif utilisé, les tests à effectuer pour évaluer mécaniquement le joint, les procédures de qualification, etc.
La norme CAN/CSA 0122-M89 (2006) prévoit plusieurs types d’essais pour le bois jointé d’usage structurel en lamellé-collé : test de cisaillement dans le plan de colle, test cyclique vide-pression, test de résistance en traction (UTS) et l’évaluation du module d’élasticité (MOR).
Matériel et méthodes La préparation du matériel
Le bois d’épinette noire utilisé dans cette expérience provient du Nord du Québec, de la région de Chibougamau. Le fournisseur, la compagnie Chantiers Chibougamau Ltée., a fourni deux paquets de bois classé mécaniquement MSR 2400 de 4,1 x 5,4 cm et 2,44 m de long. Les mesures d’humidité et masse volumique prises après la réception du bois furent les suivantes : humidité moyenne 9,4% (valeurs entre
8,9 et 10,2 %) et une masse volumique basale moyenne de 460 kg/m3 (valeurs entre
450 et 500 kg/m3). Cette valeur de masse volumique moyenne est largement supérieure
à celle rapportée dans Jessome (2000) qui est de 406 kg/m3 par contre elle est dans
l’ordre des valeurs rapportées par Alteyrac et al. (2005) pour la même région.
Le bois a été entreposé en salle de conditionnement à 60% d’humidité relative et 20C° pour obtenir une teneur en humidité à l’équilibre de 12% (Figure 15). Les pièces ont été empilées et lestées afin de réduire les défauts de forme.
Figure 15 : Bois empilé dans la chambre de conditionnement
Ultérieurement, les pièces furent éboutées en blocs variant entre 82,9 et 133,7 m de longueur. Les défauts ont été éliminés suivant les prescriptions des normes CAN/CSA 0122-M89 (2006) et SPS 1 (NLGA 2003a) portant sur la grandeur et le positionnement des nœuds et des défauts. Bien que la norme SPS 1 ne porte pas sur l’aboutage des produits lamellés-collés, nous avons décidé quand même de l’utiliser
afin de pouvoir comparer nos résultats à ceux de la littérature (Bustos et al. 2004 et St-Pierre 2005). À cet effet, la prescription la plus restrictive dans les deux normes a été choisie. Le tableau 2 présente une brève comparaison entre les deux normes:
Tableau 2 : Comparaison entre les deux normes utilisées pour la purge des défauts
CSA 0122-2006 (qualité B) SPS 1-2003 (qualité No.1) nœuds max. 20 mm de diamètre max. 6 mm de diamètre
humidité 7 – 15 % le mélange de pièces vertes et sèches est interdit
pourriture non permis non permis
flache max. moitié de l’épaisseur de la pièce non permis dans le produit final pente de fil max 1/16 non précisée pour cette qualité
Les blocs ont été par la suite entreposés à nouveau dans la chambre de conditionnement pour s’assurer que les extrémités arrivent à l’humidité d’équilibre cible. On a obtenu au total environ 1050 blocs, dont 960 ont été retenus pour les essais et les autres furent utilisés pour des essais préliminaires ou mis en réserve.
Après 3 mois de conditionnement, les blocs ont subi des opérations successives de dégauchissage et rabotage pour obtenir des sections uniformes et des surfaces lisses nécessaires pour le bon déroulement des essais de traction. Au départ, la dimension réelle des pièces de bois était d’environ 41,2 x 54 mm (1,625 x 2,125 po). Suite aux opérations décrites ci-haut, la section finale des échantillons a été réduite à 38,1 x 50,8 mm (Figure 16).
Avant le début des tests, des mesures ont été prises pour s’assurer que le bois présentait l’humidité requise, soit 12%. Par la suite, les 960 blocs retenus pour les essais ont été distribués de façon aléatoire en 480 paires de 2 blocs, chaque paire constituant un échantillon, donc 480 échantillons en tout (12 traitements de 40 échantillons chacun).
Figure 16 : Réduction en dimensions des blocs de bois 41,2 mm 54,0 mm rabotage dégauchissage 50,8 mm 38,1 mm
La description de l’étude expérimentale
Le but de ce projet est de confirmer ou infirmer l’hypothèse de recherche suivante :
“La vitesse de coupe et l’avance par couteau ont une influence significative sur la performance mécanique des joints aboutés d’épinette noire de haute masse volumique.”
On a choisi pour cela une structure des traitements factorielle 3 x 4 à deux niveaux, soit 3 valeurs pour l’avance par couteau et 4 valeurs pour la vitesse de coupe (12 traitements en tout).
Le nombre cible de répétitions pour chaque traitement est 40, mais à la fin ce nombre variait entre 34 et 38 (Figure 17). Certains échantillons ont été rejetés parce qu’ils ne remplissaient pas les critères de sélection (type de rupture 1-5, déviations géométriques, nœuds cachés, etc.).
Avance par couteau (mm) 0,51 0,89 1,27 1860 (34) (35) (35) 2560 (37) (36) (37) 3260 (37) (36) (35) Vitesse de coupe (mm) 3960 (33) (34) (38)
Figure 17 : Structure des traitements (entre parenthèses le nombre d’échantillons valides)
Les précisions d’ordre statistique sont les suivantes:
- Structure des traitements : factorielle à deux niveaux (3 x 4);
- Variables indépendantes : avance par couteau (Ac) et vitesse de coupe (Vc);
- Variable dépendante : résistance en traction (UTS);
- Structure des unités expérimentales : plan entièrement aléatoire; - Nombre de traitements : 12;
- Nombre de blocs : 1;
- Nombre d’échantillons par traitement : entre 33 et 38.
Les traitements statistiques ont été choisis a priori en fonction du dispositif expérimental. L’homogénéité des données sera évaluée avec le test Shapiro-Wilkes. Si cette hypothèse est confirmée, l’homogénéité des variances sera analysée à partir du test de Bartlett. Par la suite, les effets principaux et l’effet de l’interaction des deux variables indépendantes seront analysés à partir d’un test ANOVA.
Paramètres d’aboutage
Les paramètres utilisés pour cette expérience ont été choisis en fonction des études antérieures et des valeurs utilisées dans l’industrie.
Vitesse de coupe
Les 4 vitesses de coupe choisies sont 1860, 2560, 3261 et 3962 m/min,
(calculées à la pointe des couteaux, correspondant ainsi à la racine des entures), valeurs qui correspondent aux vitesses de rotation suivantes: 2220, 3057, 3894 et 4732 tours/minute. Cette étendue des valeurs nous a permis de comparer nos résultats à ceux d’autres travaux portant sur l’aboutage de l’épinette noire (Tableau 3).
Tableau 3 : Paramètres d’usinage étudiés dans la littérature
Auteur vitesse de coupe (m/min)
Bustos et al. (2004) 1676 – 3770
St-Pierre (2005) 2930
Cossette (2005) 1403 – 4592
Avance par couteau
Trois valeurs pour l’avance par couteau ont été utilisées dans ce travail: 0,51, 0,89 et 1,27 mm. Ces valeurs sont comparables à celles utilisées dans des travaux antérieurs (Tableau 4).
Tableau 4 : Paramètres d’usinage étudiés antérieurement
Auteur Avance par couteau (mm)
Bustos et. Al (2004) 0,64 – 1,14
St-Pierre (2005) 0,84
Géométrie du joint et autres paramètres
Pour l’aboutage nous avons utilisé une machine Conception RP 2000 à alimentation latérale. Les paramètres utilisés sont présentés au tableau 5.
Tableau 5 : Paramètres utilisés pour l’aboutage et collage Géométrie du joint
Type de joint horizontal, sans épaulement
Hauteur de l’assemblage 38,1 mm
Largeur de l’assemblage 50,8 mm
Longueur de l’enture 28,27 mm (1,113 po)
Épaisseur du bout de l’enture (t) 0,76 mm (0,030 po)
Pas (P) 6,69 mm (0,263 po)
Angle des entures (θ) 5,2 º
Pente (s) 0,091
At 0,113
As 0,887
Aj 8,45
Surface réelle par pas 28,72 cm2
Surface réelle totale 163,57 cm2
Collage
Type de colle Polyuréthane Émulsion Prépolymère
nom commercial ISOSET® UX 200/WD3-A300
Dosage 104 – 135 g/mréelle) 2 (rapportée par la surface
Temps d’assemblage Moins d’une minute
Pression d’assemblage 3,45 MPa
Les étapes de l’aboutage
Les pièces de bois utilisées dans cette expérience ont été transportées au laboratoire de Québec de FP-Innovations, division Forintek, deux semaines avant le début des tests et entreposées dans une chambre de conditionnement pour maintenir le bois à une humidité d’équilibre de 12 %.
Pour commencer, les paquets contenant les pièces de bois pour chaque condition de coupe ont été transportés dans le laboratoire des produits à valeur ajoutée où il était prévu de faire les tests. Les étapes de l’aboutage sont présentées ci-dessous :
- L’aboutage. Une machine Conception RP 2000 (Figure 18) à alimentation latérale a été utilisée. Après aboutage, les pièces de bois ont été retirées manuellement et préparées pour l’étape suivante.
Figure 18 : Tête porte-couteaux (Photo Benoit St-Pierre)
- Le collage. La colle a été appliquée manuellement à l’aide d’un pistolet à colle (Figure 19), ce qui a permis de contrôler la quantité de colle appliquée. La quantité de colle a été calculée à l’aide d’une balance comme étant la différence entre le poids de la pièce avant et après l’application de la colle (1,7 à 2,2 grammes par joint).
Figure 19 : Système d’application pour l’adhésif (Photo Benoit St-Pierre)
- L’assemblage et l’application de la pression. L’assemblage a été effectué avec une presse de fabrication artisanale. Le contrôle de la pression a été réalisé à l’aide d’une cellule de charge intégrée à un dispositif de prise de données fabriqué par Forintek, dispositif appelé Jaffa (Figure 20).
Figure 20 : Les étapes de l’assemblage:
1) dispositif utilisé pour l’assemblage; 2) application de la colle; 3) les 2 pièces de bois sont assemblées et fixées dans le dispositif; 4) dispositif utilisé pour l’application de la pression.
Le dispositif a été conçu de telle manière à empêcher le mouvement latéral et vertical des deux pièces de bois dans la zone du joint pendant l’application de la pression. La pression a été appliquée à l’aide d’un dispositif hydraulique manuel. La pression a été appliquée durant la période nécessaire pour atteindre la pression cible de 3,45 MPa. Cette valeur a été choisie suite aux conclusions de Bustos et al. (2003b) pour l’aboutage du bois d’épinette noire.
- Le durcissement de l’adhésif. Les échantillons ont été empilés par la suite sur une surface plane dans le laboratoire et laissés sur place pour 24 heures. Ceci a permis à la colle de polymériser avant de déplacer les échantillons. Après 24 heures les échantillons ont été entreposés dans une chambre de conditionnement durant une semaine afin qu’ils soient rééquilibrés en termes de température et de teneur en humidité d’équilibre.
L’évaluation mécanique
L’essai choisi pour l’évaluation mécanique des joints fut celui de rupture en traction. L’analyse statistique a donc porté sur les valeurs de la contrainte de rupture en traction. Afin de permettre la comparaison de nos résultats avec ceux des travaux antérieurs, nous avons pris en considération plusieurs normes: CSA 0122-2006, SPS-1 (NLGA 2003a) et ASTM D 198-2005. Les essais ont été effectués avec une machine SYSTECH, modèle TNS-800 (Figure 21), suivant les paramètres montrés au tableau 6.
Figure 21 : Machine Systech TNS-800
Tableau 6 : Paramètres utilisés lors des essais mécaniques de traction
Portée 610 mm (2 pi)
Durée des tests Entre 70 et 282 sec.
Les joints ont été placés au milieu de la portée pour chaque échantillon. La pression dans les mâchoires a été déterminée de façon à empêcher le glissement tout en évitant d’écraser l’échantillon. Avant les essais, la calibration effectuée a montré une différence de max. 0,5% entre la valeur indiquée par la machine et la valeur indiquée par la cellule de calibration pour l’étendue des valeurs observées.
Les valeurs de la résistance en traction (
σ
T) ont été calculées à partir de larelation suivante:
(7)
σ
T = résistance en traction (MPa),P = charge (N),
b = largeur de l’échantillon (mm), h = hauteur de l’échantillon (mm).
Chaque échantillon a été classé du point de vue du type de rupture selon la norme CSA-0122.
Influence of machining parameters on the tensile strength of finger-jointed high density black spruce lumber
Abstract
Finger-jointed softwood lumber is widely used in manufacturing of structural or non structural applications such as glued laminated lumber and prefabricated wood I-joists. Black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) is the most frequently used species for finger-jointed engineered wood products in Eastern Canada. However, some of the key machining parameters must be adjusted according to the properties of the wood in order to obtain a surface quality suited for the finger jointing process. The main objective of this study was to evaluate the effect of the cutting speed and chip load on the ultimate tensile strength (UTS) of finger-jointed high density black spruce wood. Four cutting speeds and three chip loads were used as variables. A feather profile was selected with an isocyanate adhesive and an end-pressure of 3.45 MPa. A factorial analysis showed a statistically significant interaction between cutting speed and chip load on the UTS. The cutting speed was the most significant variable affecting finger-jointed high density black spruce. The influence of chip load on UTS was lower, being apparent only at 3260 m/min cutting speed. Results indicated that suitable finger-jointing could be achieved within a range of 1860 m/min and 3960 m/min of cutting speed with a chip-load between 0.51 m and 1.27 mm. However, the best result was obtained at 3260 m/min cutting speed and 0.89 mm chip-load. These results need to be validated by performing running mills to verify for tool wear behavior.
Keywords: finger-jointed, black spruce, machining parameters, cutting speed, chip load, high density, Glulam, PEP.
Introduction and background
The finger-jointing is a technological process which uses small dimension low quality lumber to obtain high quality structural wood products. This is made possible by removing the defects and gluing the resulting pieces into members with the desired length. The final product is stronger, more predictable and less variable than a solid wood element with equivalent dimensions. The main applications of finger jointed lumber are glued laminated lumber (Glulam), I-joists members and studs.
The economic context in the wood products industry is characterised by a reduction in quality wood supply and, at least until before the sub-prime crisis in North America, by an increase of the engineered wood products (EWP) demand both from the residential and non-residential building industries. If we add to this the increasing demand for green products (of which the wood is a perfect example being renewable and carbon neutral), we can see that EWP have a potential to increase their market share against the other major structural use materials: concrete and steel.
The glued laminated lumber can be described as a composite product, the components being wood and adhesive. The quality of the wood-adhesive bonding depends on the properties of these two components and on the finger-jointing process parameters (machining parameters, finger geometry, end-pressure, curing time and temperature, etc). The bonding process is therefore influenced among other things by the physical and anatomical properties of wood (density, porosity, etc), by its surface quality after machining, and by the capacity of the adhesive to penetrate adequately into the wood and cure properly. In this equation: “wood – jointing parameters – adhesive”, the latter two are easier to control than the first, so it is very important to adjust these values to the characteristics of the wood resource being used.
Several studies regarding the finger-jointing of softwoods and hardwoods have been conducted in North America. The joint strength is directly related to the effective glue joint area or the total surface of contact (finger tips and shoulders contribute very little to the joint strength) between the adjacent wood members. Raknes (1982) recommends that this surface should be at least 10 times larger than the cross-section
of the wood member. His findings confirm the conclusions of Selbo (1963, 1975) which suggests a finger length to pitch ratio higher than 5. Ayarkwa et al. (2000a) also conclude that the effective glue joint area influences the modulus of rupture (MOR) of the finger-jointed member.
Three types of joint geometry are currently used by the manufacturers of finger-jointed wood members: male-female, reversed and feather. Bustos et al. (2003a) found that the feather profile performed better than the other two, especially for the bending test results. They conclude that the presence of shoulders in male-female and reversed finger profiles generates a concentration of stress and reduces the contact surface in the joint.
Several types of adhesives are used for finger-jointed products: the formaldehyde based adhesives, and in the later years the isocyanates (ISO) are getting increasingly used. The isocyanates have good gluing capabilities, they are easier to use than the other types of adhesives, they are less sensitive to the variations in moisture content and temperature of the wood resource and polymerize at ambient temperature. Therefore, they are a viable alternative to phenol and resorcinol based adhesives (Ayarkwa et al. 2000b; Chen 2001; Bustos 2003; Vrazel and Sellers 2004; St-Pierre et al. 2005).
The adhesive bonding to the wood is a chemical process; therefore the temperature and moisture content (MC) of wood have a significant effect on the end product quality. Dry wood will absorb the adhesive too fast starving the joint, too much water in the wood makes the glue penetration difficult (Marra 1992). The MC difference between the two pieces making-up the joint also affects its long term behavior. High stresses can be generated by a heterogeneous swelling (or shrinkage) action between the two parts of the joint (Knowles 2006). Kennedy (1951) suggests a maximum of 5% difference in MC between such parts in order to limit this effect.
Bustos (2003) studied the influence of temperature (-5°C, 5°C, 12°C and 20°C) and MC (12%, 17% and 20%) on the black spruce finger-jointed wood mechanical properties using an isocyanate adhesive. The joints manufactured at -5°C yielded
