Université des Antilles et de la Guyane
Faculté de Génie Civil
École doctorale pluridisciplinaire :
Santé, Environnement et Sociétés dans les Amériques Thèse pour le doctorat en Génie mécanique
BOURREAU Damien
Etude de faisabilité de lamellé-collé endémique en Guyane Française
Sous la direction de Bernard THIBAUT
Soutenue le 16 Décembre 2011 à Cayenne N : [0000AGUY0000]
Jury :
Bernard THIBAUT, Directeur de recherche émérite, CNRS, UMR Ecofog, Président
Pascal TRIBOULOT, Pr, Université de Nancy 1, UQAC, Rapporteur
Rémy MARCHAL, Pr, Labomap, Arts et Métiers ParisTech Cluny, Rapporteur Isabelle BONJOUR, Dr, Maison de la Forêt et des Bois de Guyane, CCIG,
Examinateur
Yamina AIMENE, MCF, UAG, UMR Ecofog, Examinateur
Jacques BEAUCHENE, Chargé de Recherche, CIRAD, UMR Ecofog, Examinateur Ouahcène NAIT-RABAH, MCF, UAG, UMR Ecofog, invité
Eric BERLIOZ, Directeur d’entreprise, DUCLOUX S.A., VINCI Construction, invité
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“The first revolution is when you start to change your mind
about how you look at things”- Fela Anikulapo-Kuti
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Remerciements
Je profite de cette page pour remercier Bernard Thibaut et Eric Berlioz qui m’ont fait confiance durant ces trois années pour mener à bien ce projet. Un grand et chaleureux merci à Jacques Beauchêne pour son aide, sa proximité et ses conseils. Grand merci aussi à Yamina Aimène pour avoir partagé ses connaissances sur la modélisation numérique et ses nombreux conseils quant à l’écriture et à la communication scientifique. Merci à Ouahcène Nait-Rabah pour m’avoir aidé sur la mécanique et modélisation. Merci à Guillaume Legrand et Patrice Garcia de m’avoir accueilli dans leur laboratoire pour réaliser les essais de mouillabilité. Merci encore à Thomas Mangenet pour l’aide fournie sur la partie statistique.
Je tiens aussi à remercier les différentes personnes que j’ai pu côtoyer durant mon travail, l’équipe de CBCI (Jérémy, Sébastien, Teddy, Tito, Thomas et les autres), les doctorants et autres chercheurs de l’UMR Ecofog (Hélène, Raphaëlle, Jean-Michel, Guillaume, Julien, Koese…) et l’équipe du FCBA que j’ai pu côtoyer lors de mon séjour à Bordeaux.
Enfin, un très grand merci à toutes les personnes qui m’ont supporté. Merci à Gaëlle, Samo, La
Chaum’, Pikdismi, les LS etc… qui ont su me remonter le moral dans les moments les plus
difficiles.
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Résumé
Une étude de faisabilité de poutres en bois lamellé-collé a été menée en Guyane Française en utilisant les essences locales. Le but est de déterminer les paramètres de collage assurant la bonne résistance mécanique des assemblages par lamellation et par aboutage, nécessaires à la fabrication de poutres en bois lamellé-collé en climat tropical. Trois essences de bois abondantes de différentes densités ont été sélectionnées. Les adhésifs de types Mélamine-Urée-Formol et Résorcinol-Phénol- Formol ont été utilisées. Les paramètres de collage considérés sont : le grammage, le temps d’assemblage fermé et la pression.
En utilisant les normes Européennes, plusieurs campagnes de tests ont été conduites sur des échantillons normalisés. Concernant le collage par lamellation, des tests élémentaires de délamination et de cisaillement des joints de colle ont été réalisés. Le test de délamination consiste en deux cycles d’immersion dans l’eau sous pression et de séchage, il induit de sévères variations d’humidité du bois susceptibles de créer des ouvertures des joints de colles. Le collage par aboutage est réalisé sur des poutres normalisées aboutées. Les entures sont obtenues grâce à un outillage standard communément utilisé pour les résineux.
Les résultats ont mis en évidence l’influence des propriétés du bois et des paramètres de collage sur la résistance du joint et la résistance mécanique du produit. En effet, les paramètres du bois, tels que la densité, la rétractibilité et l’imprégnation, ont une forte influence sur le collage, en particulier sur la pression et le grammage nécessaires à la production d’un produit commercialisable. Il apparait qu’un bois de densité moyenne et poreux nécessite un grammage et une pression élevés comparé à un bois de densité élevée qui nécessite des valeurs moindres. Aussi, l’influence d’autres paramètres de fabrication, tels que le rabotage, l’encollage double face et simple face ainsi que l’épaisseur des lamelles, a été établie. Par contre il semblerait que le matériel communément utilisé pour l’aboutage des résineux n’est pas adapté aux feuillus tropicaux.
En final, des paramètres de collage ont été validés pour la fabrication de lamellé-collé endémique en
Guyane Française et une étude du coût de production d’une poutre lamellé-collé standard a identifié
les conditions économiques d’une fabrication en Guyane Française.
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Abstract
A feasibility study of glued-laminated timber beams was carried out in French Guiana using local wood species. The aim of the study was to evaluate the gluing parameters that could ensure good mechanical properties for the manufactured glued-laminated beams in tropical climates. Three abundant wood species with different specific gravity were selected for the study. Melamine-Urea- Formaldehyde and Resorcinol-Phenol-Formaldehyde resins were used for gluing. The three gluing parameters considered are: adhesive spread rate, closing assembly time and gluing pressure.
Using European standards, several laboratory tests were performed on normalized samples. The evaluation of a successful lamella’s gluing was done by using elementary tests of delamination and shearing. A delamination test consists of two cycles of water immersion at high pressure and drying which induces severe hygroscopic variation in wood thus causing joints opening. The finger-joints are made using a standard tool usually used for cutting softwoods.
The performed tests revealed the influence of wood properties and the gluing parameters on the joint resistance and the mechanical properties of the product. Results show that wood properties such as specific gravity, shrinkage coefficient, and permeation, have a high degree of influence on the gluing step especially on the gluing pressure and on the adhesive spread rate needed to produce a commercial product. Furthermore, wood with medium specific gravity needs more adhesive and more pressure than the one with high specific gravity. Additionally, the effects of other manufacturing parameters, such as planning, double or simple side glue spreading and lamellae thicknesses, on the glue joint resistance were demonstrated. Finally, the common tools used for softwoods are not adapted to making the finger joints with tropical hardwoods.
In conclusion, optimal gluing parameters for manufacturing glued-laminated timber beams in
French Guiana were established and an economical study using standard glued-laminated timber
beams revealed the economic conditions under which a successful manufacturing of these local
beams can be implemented in French Guiana.
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Avant-Propos
Grâce à son esthétisme et sa forte résistance mécanique auquel s’ajoute une demande croissante sur le marché guyanais, l’entreprise de charpente, CBCI, s’est naturellement intéressée à la possibilité d’investir dans l’implantation d’une ligne de production de lamellé-collé en Guyane française. Ce projet vient en outre, renforcer les décisions politiques locales portant sur la valorisation de la ressource bois locale dans la construction en Guyane Française.
Ainsi un partenariat a été réalisé entre l’entreprise le CBCI et l’unité mixte de recherche Guyanaise l’UMR ECOFOG dans le cadre d’une thèse CIFRE. L’objectif est d’étudier la faisabilité du lamellé-collé en Guyane française, tout en utilisant la ressource locale.
Cette étude contribue à l’amélioration des connaissances actuelles quant à la compréhension du
collage structural sur des essences guyanaises, en climat néo-tropical.
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Table des matières
INTRODUCTION ... 14
CHAPITRE 1: Etat de l’art ... 17
1.1 Forêt et filière bois en Guyane Française ... 17
1.1.1 La forêt guyanaise ... 17
1.1.2 La filière bois en Guyane ... 18
1.2 Le matériau bois... 21
1.2.1 Le bois matériau multi-échelles... 21
1.2.2 Le bois et l’humidité ... 24
1.2.3 Durabilité du bois ... 26
1.2.4 Comportement mécanique du bois ... 27
1.2.5 Influence des défauts du bois sur son comportement mécanique ... 31
1.3 Le bois reconstitué par collage ... 36
1.3.1 Quelques produits bois reconstitués par collage ... 37
1.3.2 Le collage du bois ... 38
1.3.3 Théorie de l’adhésion bois/colle ... 41
1.4 Le lamellé-collé dans les tropiques ... 44
1.4.1 Processus de fabrication du lamellé-collé ... 44
1.4.2 Les problèmes des bois tropicaux et du climat ... 46
1.5 Conclusion de l’état de l’art ... 51
8
CHAPITRE 2: Conception et caractérisation normalisées des poutres en bois
lamellé-collé ... 52
2.1 Tests de validation de l’assemblage par collage ... 52
2.1.1 Test de délamination suivant la norme NF EN 391 ... 53
2.1.2 Test de cisaillement suivant la norme NF EN 392 ... 54
2.1.3 Validation d’un assemblage par aboutage ... 55
2.2 Tests de caractérisation des poutres homogénéisées ... 60
2.2.1 Caractérisation en flexion 4 points suivant la norme NF EN 408 ... 60
2.2.2 Détermination du module de cisaillement ... 62
CHAPITRE 3: Partie expérimentale ... 64
3.1 Matériels et méthodes ... 64
3.1.1 Choix des matières premières et des conditions de collage ... 64
3.1.2 Descriptif de la presse utilisée ... 68
3.1.3 Réalisation des échantillons ... 70
3.1.4 Descriptif du matériel utilisé pour les mesures de mouillabilité ... 74
3.1.5 Campagnes expérimentales ... 75
3.2 Validation de la presse ... 81
3.3 Validation d’un collage structural par lamellation ... 84
3.3.1 Préconisation pour le collage par lamellation... 84
3.3.2 Analyse des essais de collage ... 85
3.3.3 Campagne de validation des conditions de collage ... 104
3.4 Validation d’un collage structural par aboutage ... 113
3.4.1 Difficulté de réalisation des aboutages ... 113
3.4.2 Validation et caractérisation mécaniques des aboutages ... 116
9
3.5 Etude de l’aptitude au collage des essences guyanaises ... 122
3.5.1 Etude de la porosité ... 124
3.5.2 Etude de la mouillabilité ... 129
3.5.3 Conclusion sur l’aptitude au collage des essences guyanaises ... 132
3.6 Récapitulatif et analyse des paramètres de collage ... 133
CHAPITRE 4: Etude économique ... 142
4.1 Hypothèses de calcul ... 142
4.2 Méthode de calcul ... 143
4.3 Résultats de l’étude économique ... 144
4.3.1 Calcul des quantités unitaires ... 144
4.3.2 Influence de l’épaisseur des planches sur les quantités unitaires .... 146
4.3.3 Etude comparative Guyane / France hexagonale ... 149
4.4 Récapitulatif ... 151
4.5 Conclusion de l’étude économique ... 152
CONCLUSION GENERALE ... 153
Bibliographie ... 157
Annexe : Resultats de l’étude menée au FCBA, antenne de BORDEAUX ... 162
10
Table des figures
Figure 1: Coupe transversale d'un tronc d'arbre ... 22
Figure 2: Vue en 3D d’un résineux (a) et vue de la section transversale d’un feuillu (b) ... 23
Figure 3: Vue de la section transversale d’un feuillu poreux (a), semi-poreux (b) et à pores diffus (c) ... 23
Figure 4: Représentation schématique d’une fibre ... 24
Figure 5 : Schéma des déformations possibles du bois lors de son séchage ... 25
Figure 6: Schéma de l’orientation des directions principales du bois ... 27
Figure 7: Comportement théorique du bois en traction/compression dans la direction longitudinale ... 29
Figure 8: Diagramme des contraintes dans une poutre droite soumise à un effort croissant jusqu’à la rupture [26] ... 30
Figure 9: Influence des nœuds sur la résistance à la flexion ... 31
Figure 10: Observation du bois de tension pour l’Eperua falcata (J. Ruelle) ... 32
Figure 11: Effet de la densité sur une propriété mécanique sur l’ensemble de 200 essences ... 34
Figure 12 : Illustration de la mouillabilité du bois [71] ... 43
Figure 13 : Schéma d’un aboutage par entures multiples [76] ... 45
Figure 14: Dimensions des échantillons de délamination (a) et de cisaillement (b) en (mm) ... 52
Figure 15: Principe mécanique du test de cisaillement ... 54
Figure 16: Dispositif d’essai pour mesurer le module local d’élasticité en flexion de l’aboutage sur chant (NF EN 408) ... 56
Figure 17: Dispositif d’essai pour mesurer le module local d’élasticité en flexion de l’aboutage à plat (NF EN 408) ... 57
Figure 18: Schéma de l’aboutage utilisé ... 58
Figure 19: Schéma de l’écrasement de l’enture mâle lors d’un emboitement « à toc » ... 59
Figure 20: Dispositif d’essai pour mesurer le module local d’élasticité de la poutre homogénéisée (NF EN 408) ... 60
Figure 21 : Dispositif d’essai pour mesurer le module global d’élasticité de la poutre homogénéisée (NF EN 408) ... 61
Figure 22 : Schéma d’une poutre rectangulaire sur deux appuis chargée en flexion en 2 points ... 62
Figure 23 : Schéma d’une poutre sur deux appuis soumise à une rotation ... 63
Figure 24 Schéma du bâti de serrage utilisé pour le collage des échantillons ... 69
Figure 25 Quelques appareillages contraignants des lamelles pour les tests de délamination ... 70
Figure 26 : Mode de débit des poutres pour l’échantillonnage des tests (exemple d’une poutre en P.
venosa) ... 72Figure 27: Schéma d'un aboutage sans épaulement ... 72
Figure 29: Encollage de l’aboutage ... 73
Figure 28: Dispositif pour le serrage des aboutages ... 73
Figure 30: Dispositif mis en place pour la mesure de l’angle de contact ɵ ... 75
Figure 31: Echantillon présentant une variation d’épaisseur du joint de colle ... 76
Figure 32 : Répartition de la pression à l’interface lame/lame au niveau du premier joint de collage avec les martyrs en T. serratifolia ... 82
Figure 33: Répartition de la pression à l’interface lame/lame au niveau du premier joint de collage
avec les martyrs en acier ... 82
11
Figure 34 : Répartition de la pression à l’interface lame/lame au niveau du premier joint de collage
avec les martyrs en HEA de 120. Cas de 3 lames (a) et de 6 lames (b) ... 83
Figure 35: Taux de délamination en fonction des grammages ... 86
Figure 36: Image d’un joint de colle au microscope (x100) ... 87
Figure 37: Taux de délamination en fonction des grammages pour des TAF de (a) 5 min, (b) 10 min et (c) 20min... 90
Figure 38: Taux de délamination en fonction des TAF pour (a) Q. rosea et (b) D. guianensis ... 91
Figure 39: Taux de délamination en fonction des grammages pour des pressions de (a) 0.4 MPa, (b) 0.7 MPa et (c) 1 MPa ... 93
Figure 40: Taux de délamination en fonction des pressions de serrage pour le P. venosa ... 94
Figure 41: Moyennes des délaminations sur le collage du P. venosa en fonction des niveaux de serrage, triées par TAF ... 95
Figure 42: Influence du rabotage sur le collage du Q. rosea via le test de délamination ... 97
Figure 43: Résultats des taux d’adhérence A (en %) en fonction des essences de bois et des résistances (f
v) ... 99
Figure 44: Histogramme de répartition des résistances (f
v) ... 100
Figure 45: Histogramme de répartition des adhérences (A) ... 100
Figure 46: Résultats des taux de rupture R (en %) en fonction des essences de bois et des résistances (f
v) ... 101
Figure 47: Ratio des résistances en fonction des contraintes maximales f
vrelevées : (a) Q. rosea, (b)
P. venosa et (c) D. guianensis et triées par les résultats de délamination (<10% ou >10%)... 103
Figure 48 : Résultats de délamination pour la validation des paramètres de collage ... 106
Figure 49 : Résultats de délamination en fonction de l’appareillage et de l'encollage testés ... 106
Figure 50 : Délamination en fonction de la température ambiante d’encollage ... 107
Figure 51 : Résultats de délamination du D.guianensis encollé en simple face ... 108
Figure 52: Contrainte maximale de cisaillement f
vrelevée sur les joints de colle et le bois massif 109 Figure 53: Taux d’adhérence en fonction des contraintes de cisaillement relevées ... 109
Figure 54: Influence de l’encollage en double face sur le collage via le test de délamination pour le
D. guianensis ... 111Figure 55: Influence de l’épaisseur des lamelles sur les délaminations ... 113
Figure 56: Photos des éprouvettes d’aboutage réalisées pour la caractérisation mécanique (cas du P.
venosa). ... 114Figure 57: Bâti de serrage pour la réalisation des aboutages ... 114
Figure 58: Dispositif de serrage pour la réalisation des éprouvettes d’aboutage ... 115
Figure 59: Dispositif de flexion 4 points à chant sur une éprouvette aboutée de P. venosa ... 116
Figure 60: Résultats des modules d’élasticité locaux des échantillons testés à chant et à plat ... 117
Figure 61: Résultats des flexions à chant et à plat pour les éprouvettes aboutées et celles en bois massif ... 118
Figure 62: Photos (x120) prises par épifluorescence d’un joint de colle pour le Q.rosea (a1), le P.venosa (b1) et le D.guianensis (c1) ainsi que leur traitement d’image associé (respectivement a2, b2 et c2) ... 127
Figure 63: Mouillabilité des essences de bois étudiées et témoins ... 129
Figure 64: Mouillabilité des essences tropicales en fonction de leurs débits ... 130
Figure 65: Mouillabilité des essences de bois étudiées et témoins non rabotés avant le test ... 131
Figure 66 : Influence de la pression de serrage et du TAF sur les délaminations, cas du Q. rosea . 133
Figure 67 : Influence de la pression de serrage et du TAF sur les délaminations, cas du P. venosa
... 134
12
Figure 68 : Influence de la pression de serrage et du TAF sur les délaminations, cas du D.
guianensis ... 135
Figure 69 : Résultats de délamination en fonction des appareillages, cas du Q. rosea ... 136
Figure 70 : Analyses par GAM des résultats de délamination pour le Q. rosea ... 138
Figure 71 : Analyses par GAM des résultats de délamination pour le P. venosa ... 139
Figure 72 : Analyses par GAM des résultats de délamination pour le D. guianensis ... 140
Figure 73: Récapitulatif des paramètres des essences étudiés ainsi que des conditions de collage retenues par la campagne de validation ... 141
Figure 74: Pourcentage que représente chaque poste de dépense pour la production d’1m³ de lamellé-collé en Guyane ... 146
Figure 75: Influence de l’épaisseur des lamelles sur le coût des matières premières et sur les résultats de délamination ... 147
Figure 76: Décomposition des coûts de matières premières en fonction des épaisseurs des lames 148 Figure 77: Pourcentage que représente chaque poste de dépense pour la production d’1m³ de lamellé-collé en France hexagonale ... 150
Figure 78: Comparaison des coûts totaux déboursés pour la fabrication d’1m³ de lamellé-collé
produit en Guyane ou en France hexagonale ... 151
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Liste des tableaux
Tableau 1 : Définition des classes de résistance naturelle du bois [24] ... 26
Tableau 2: Equations correctives des modules d’élasticité en fonction de la densité pour les feuillus à H=12%... 33
Tableau 3: Equations correctives des modules d’élasticité en fonction de l’humidité ... 34
Tableau 4: Recommandations pour le collage de bois difficiles à coller [55] ... 48
Tableau 5: Valeurs minimales à atteindre pour un résultat correct de cisaillement ... 54
Tableau 6: Liste des essences sélectionnées pour le projet et leurs caractéristiques. ... 66
Tableau 7 Avantages et inconvénients des adhésifs choisis pour l’étude ... 67
Tableau 8: Paramètres de collage étudiés ... 68
Tableau 9 : Tableau d’étalonnage de la clé dynamométrique ... 69
Tableau 10: Récapitulatif des paramètres de collage testés par la 2ème campagne de test ... 76
Tableau 11: Résultats de délamination des éprouvettes collées à la MUF en fonction des conditions testées ... 76
Tableau 12: Résultats de délamination des éprouvettes collées à la RPF en fonction des conditions testées ... 77
Tableau 13: Récapitulatif des paramètres de collage testés par la 3ème campagne de test ... 78
Tableau 14: Résultats de délamination des éprouvettes collées à la RPF en fonction des conditions testées ... 78
Tableau 15: Récapitulatif des paramètres utilisés pour les différentes campagnes de collage par lamellation ... 80
Tableau 16: Récapitulatif des paramètres de collage testés pour la première campagne de collage en RPF ... 85
Tableau 17: Définitions des conditions de collage testées pour l’influence du rabotage ... 97
Tableau 18: Récapitulatif des conditions de collage retenues en fonction des bois ... 104
Tableau 19: Comparaison des modules d’élasticité transverses et de la dureté de différents bois .. 114
Tableau 20: Ratio entre les aboutages et le bois massif ... 119
Tableau 21: Pression à appliquer en fonction de la longueur des entures ... 121
Tableau 22: Porosité théorique des essences de bois ... 124
Tableau 23: Indice de conductivité (I
k) des essences guyanaises ... 125
Tableau 24: Récapitulatif du calcul des quantités unitaires pour la fabrication d’1m³ de lamellé-collé ... 145
Tableau 25: Pourcentages de perte matière lors de la transformation en fonction des épaisseurs des lamelles ... 148
Tableau 26: Récapitulatif du calcul des quantités unitaires pour la fabrication d’1m³ de lamellé-collé ... 149
Tableau 27: Récapitulatif des coûts totaux déboursés pour la fabrication d’1 m³ de lamellé-collé en
D. guianensis ... 151Tableau 28: Résultats des tests de délamination réalisés au FCBA par des spécialistes du collage du
bois. ... 163
14
INTRODUCTION
Inventé en 1890 par le suisse Otto Hetzer, le bois lamellé-collé consiste à manufacturer un produit bois reconstitué au moyen de planches de même épaisseur purgées de leurs défauts. Les structures en bois lamellé-collé ont fait la preuve de leur efficacité technique, économique et écologique dans des ouvrages de grandes structures. Néanmoins, le comportement mécanique de ces structures en service est fortement conditionné, au stade de la conception, par le procédé de fabrication et les paramètres de collage. Lorsque ces conditions sont optimisées, elles garantissent un assemblage robuste.
A l’heure actuelle, les poutres en bois lamellé-collé sont fabriquées dans les pays tempérés, avec des essences résineuses. Les techniques sont maintenant bien maîtrisées et des innovations sont encore à la marge (recherche de colle verte, optimisation du procédé de fabrication etc).
L’implantation d’une chaîne de production de bois lamellé collé en milieu tropical humide nécessite tout un travail de conception et d’expérimentation sur toute la chaîne d’approvisionnement – séchage – collage – conditionnement, pour ne pas être condamné à travailler dans des ambiances climatisées, contrôlées en température et humidité, impossibles à tenir pour des raisons techniques et économiques. En effet, les températures constamment au-dessus de 20°C et une humidité de l’air élevée, auxquelles s’ajoutent des bois de caractéristiques mécaniques différentes, rendent peu compatible les règles de l’art des pays tempérés pour la fabrication du lamellé collé en essences tropicales et dans une ambiance équatoriale.
L’importation de poutres en bois lamellé-collé en Guyane a beaucoup augmenté ces dernières
années en raison d’une démographie et d’un besoin en construction croissants (établissements
scolaires, hôpitaux…) malgré la présence d’une forêt dense comprenant plus de 96% de son
territoire. Dans un contexte socio-économique grandissant, la fabrication de lamellé collé en
Guyane française, avec des essences de bois est nécessaire, elle est en adéquation avec les volontés
régionales de développement de la filière bois.
15
La fabrication d’un produit reconstitué permet le développement des entreprises de sciage. En effet, de par l’utilisation de lames de bois de longueur variable et de section identique, l’approvisionnement d’une ligne de production de bois lamellé collé est extrêmement simplifié.
Cela permettra à des entreprises de première transformation de standardiser certains de leurs produits, et donc d’optimiser les billions débités en augmentant leur rendement de sciage. Il leur sera aussi possible de scier des bois dont le diamètre ou les défauts internes empêcheraient la valorisation de la grume laissée alors sur parc. A l’échelle de toute la Guyane, la production équatoriale de lamellé-collé structurel en bois local permettrait à la celle-ci de limiter, voire arrêter, l’importation de produits bois traités avec des sels métalliques (Cuivre Chrome Bore). De plus, investir ce créneau pour son marché local a d’indéniables avantages écologiques en matière d’économies d’énergie notamment. Enfin et à l’échelle de toute la France, la région Guyane pourrait devenir le premier producteur de lamellé collé tropical et l’exportatrice de produits hauts de gamme vers les pays voisins et autres.
Dans le cadre de la valorisation du bois local dans la construction en Guyane, la fabrication du lamellé-collé endémique a été envisagée. Une étude de faisabilité a mis en collaboration une entreprise de charpente et menuiserie (CBCI) et une unité mixte de recherche UMR ECOFOG à travers ses deux tutelles le CIRAD et le L3MA. Elle a pour but d’identifier les paramètres industriels nécessaires à la création d’une ligne de production d’un produit lamellé-collé, dans un climat néotropical non favorable. En effet, les paramètres de collage sont sensiblement affectés par ce climat. D’une part, une forte hygrométrie influe sur les performances mécaniques du bois ainsi que sur le processus de prise de l’adhésif et d’autre part, une température élevée accélère la polymérisation de la résine et diminue sa durée de vie. De plus, l’utilisation de bois tropicaux amène d’autres problèmes liés aux caractéristiques intrinsèques du matériau : densités importantes, contrefils marqués, présence d’extractibles, anisotropie élevée, etc.
En raison de la grande variété des bois en Guyane, deux critères ont permis la sélection de trois
essences : un critère d’approvisionnement de la chaine de production lié à la rentabilité de celle-ci et
un critère de faisabilité mécanique lié aux caractéristiques physiques et mécaniques des bois. Ainsi,
trois essences abondantes de bois de densités différentes ont été sélectionnées pour la réalisation de
ce projet, le Q. rosea, le P. venosa et le D. guianensis. Les adhésifs utilisés sont ceux agréés par les
16
normes européennes et préconisés pour les climats chaud et humide, ils sont de types Mélamine Urée Formol et Phénol Résorcinol Formol. Les paramètres de collage considérés dans cette étude sont des paramètres industriels: le grammage, le temps d’assemblage fermé et la pression de serrage.
Afin de valider le paramètres de collages et d’évaluer ainsi la tenue des assemblages, plusieurs tests
ont été conduits, en accord avec les normes européennes en vigueur. Pour les collages par
lamellation, deux tests sont nécessaires (le test de délamination et le test de cisaillement) et pour le
collage par aboutage, c’est le test de flexion 4 points. Le test de délamination consiste en deux
cycles d’immersion dans l’eau sous pression et de séchage d’éprouvettes normalisées, il induit de
sévères variations d’humidité du bois susceptibles de créer des ouvertures des joints de colles et de
disqualifier les paramètres de collage. Le test de cisaillement des joints de colle est effectué sur des
éprouvettes, dans le sens du fil du bois. La validation du collage par aboutage a été réalisé sur des
poutres normalisées aboutées, et suivant deux configurations des poutres, à plat et à chant. Les
entures sont obtenues grâce à un outillage standard communément utilisé pour les résineux. Tous
ces tests permettent de valider les paramètres de collage susceptibles d’assurer une résistance
mécanique du joint de colle et donc une adhérence bois/ résine satisfaisante.
17
CHAPITRE 1: Etat de l’art
1.1 Forêt et filière bois en Guyane Française 1.1.1 La forêt guyanaise
La Guyane française est un département d’outre-mer occupant 84 000 km² de superficie en Amérique du Sud. Située dans l’ensemble géographique amazonien, cette région est caractérisée par les 96% de son territoire occupés par la forêt, représentant 8 millions d’hectares, soit 1/3 de la forêt française. Cela en fait la plus grande forêt domaniale de France et la seule forêt tropicale d’Europe.
En revanche, si grande soit-elle, cette forêt ne représente qu’environ 1% du massif amazonien auquel elle appartient [1].
Cette ressource forestière est un atout majeur pour cette enclave européenne en Amérique du Sud et un secteur du bois s’y est développé permettant une ressource économique non négligeable.
Malheureusement, cette forêt tropicale n’est pas des plus faciles à exploiter. En effet, la majorité de l’espace est encore dans son état primaire, la faible densité de population, les difficultés de pénétration, l’hétérogénéité et la diversité de la forêt font qu’elle n’a pas subi de transformation notable par l’homme. Seule une bande côtière de 70 km est exploitée par prélèvements dispersés (maximum d’abattage de 7 tiges à l’hectare soit 43m³/ha avec en moyenne un prélèvement de 2.5 tiges/ha) [2, 3].
De plus, la vision de la forêt a changé. Des mouvements écologistes dénoncent les abus de l’homme
envers la planète sur les grandes problématiques actuelles telles que la déforestation, l’effet de serre,
l’inégalité riches / pauvres, et rajoutent une contrainte à l’exploitation d’une forêt tropicale. En 1992
à Rio de Janeiro, la « Déclaration sur les Forêts » a été signée par la France qui se doit de mettre en
place une gestion durable de sa forêt équatoriale. En 1964, la France met donc en place un
gestionnaire institutionnel de la forêt, l’Office National des Forêts (O.N.F.). Cet organisme a
élaboré des politiques forestières s’inscrivant dans une gestion durable, tout en respectant le
développement social et économique de ce bien qu’est la forêt. En Guyane, l’ONF gère et préserve
94% de la forêt en déterminant des outils de protection de la biodiversité (50% de la forêt), des
18
forêts récréatives pour le tourisme et l’épanouissement de la population, ainsi que des forêts de production destinées à l’exploitation pour l’industrie [4].
Cependant, la filière bois reste guidée par la demande locale En effet, 80% des volumes de bois sortis de forêt sont écoulés sur l’étroit marché guyanais, l’export étant concurrencé par les concurrents voisins tels que le Brésil et le Surinam.
1.1.2 La filière bois en Guyane
Jusqu’au traité de Rio de Janeiro signé par la France, les massifs forestiers destinés à la production de bois étaient desservis par une seule route forestière principale, financée par l’Etat. Les concessions étaient alors sous-exploitées car seuls les abords des pistes permettaient une pénétration aisée en forêt. Malheureusement, ce paramètre est toujours d’actualité avec un relief et une qualité des pistes défavorables à l’exploitation. En plus de cela, la grande diversité et dispersion des espèces en forêt limitent le développement de l’industrie de par les faibles rendements d’exploitation [1, 3].
1.1.2.1 L’exploitation forestière
A l’heure actuelle, trois espèces constituent à elles-seules les deux tiers du volume exploité par la vingtaine d’entreprises d’exploitation forestières (souvent rattachées à une entreprise de la première transformation). Sur les 65 000m³/an de grumes prélevés en 2010 sur 12 000 ha (dont seuls 6 000 ha font vraiment l’objet d’exploitation), l’Angélique (Dicorynia guianensis) en représente 40%, le Gonfolo (Qualea spp et Ruizterania albiflora) 20% et le Grignon franc (Sextonia rubra) 10% [5].
Ainsi, en dépit de la richesse en biodiversité sur ce territoire, cette dispersion est un des handicaps les plus importants pour l’industrie bois guyanaise. A cela s’ajoute un marché étroit et aléatoire ne favorisant pas la pérennité des acteurs de la filière bois.
1.1.2.2 La première transformation
La première transformation du bois en Guyane est constituée de 35 entreprises du sciage (dont 20
pratiquant leur propre exploitation forestière). Ces scieries, avec un rendement de 40 à 45%,
génèrent à peu près 30 000 m³ de bois scié par an, sous forme d’équarris, de sciages, de bois raboté,
séché et/ou profilé. Cette production est à 86% écoulée sur le marché local et les clients sont
majoritairement des entreprises de charpente et de menuiserie. Les principales difficultés
rencontrées par les scieurs restent dues à l’approvisionnement en bois par les exploitants. En réalité,
le fait qu’une essence soit exploitée ou non dépend [4, 6, 7] :
19
De l’abondance locale en forêt (richesse moyenne à l’hectare) De la facilité d’exploitation de l’essence (terrain facile d’accès) De la distance entre la zone d’exploitation et la commercialisation Des caractéristiques physico-mécaniques ou de durabilité du bois Des conditions de mise en œuvre
Du prix de revient des grumes et des produits sciés par rapport aux bois importés D’autres facteurs socio-économiques comme la « pression » de la demande locale
1.1.2.3 La seconde transformation
Les activités de la seconde transformation utilisent le bois ou les produits issus de la première transformation pour effectuer des travaux d’ébénisterie, de menuiserie et/ou de charpente. Ces quelques 153 entreprises (dont 9 à plus de 10 salariés, incluant la société CBCI), écoulent 90% de leurs produits sur le marché local, dans le domaine du bâtiment (70%) et dans le domaine de l’artisanat et de la menuiserie (20%) [5]. En plus des problèmes dus à l’approvisionnement de ces entreprises, le secteur de la seconde transformation est sujet à d’autres difficultés comme :
L’utilisation de bois non séchés nuisant à la qualité des produits fabriqués Une main d’œuvre peu qualifiée malgré la mise en place de filières techniques Un fonctionnement en dessous de leur capacité, en partie dû à l’étroitesse du marché La variabilité du marché public dont dépend presque la totalité des grands chantiers.
En plus de ces difficultés, la construction bois voit de plus en plus de produits techniques remplacer
le bois massif. La fabrication de ces produits à base de bois (panneaux, poutre lamellé-collé…) est
actuellement bien maitrisée dans les pays tempérés, et relève du défi dans un territoire tel que la
Guyane où le climat n’est pas favorable à leur production. Enfin, l’investissement économique pour
la création d’une nouvelle ligne de production est un frein au développement de la filière bois. Le
prix du foncier d’une part et le coût élevé pour l’implantation d’une telle ligne d’autre part en sont
les principales causes.
20
Afin de lisser leurs commandes et d’accroître leur marché, les entreprises de la filière bois se
doivent d’exporter leurs produits. Malheureusement, le marché extérieur n’est pas très accessible
pour la Guyane française (seuls 10% des sciages globaux ont été vendus à l’export en 2008). Afin
de valoriser cette filière, il est important de vendre plus de produits forestiers à plus haute valeur
ajoutée sur des marchés extérieurs, en essayant d’éviter la concurrence des pays voisins (exemples
possibles : export de grumes de bois précieux pour le tranchage, création de produits de structure en
kit, lamellé-collé en bois tropical…).
21
1.2 Le matériau bois
1.2.1 Le bois matériau multi-échelles
Le bois est un matériau, cellulaire, organique et naturel. C’est un matériau composite composé d’un ensemble d’éléments chimiques, principalement, la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. La forme des cellules le composant, la différenciation de celles-ci lors de la croissance de l’arbre et l’orientation des parois cellulaires sont responsables de l’anisotropie du bois [8]. A l’échelle de la microstructure et de la macrostructure, l’étude des parois cellulaires et de leur organisation permet d’expliquer le comportement mécanique du bois.
Le terme général de bois regroupe deux grandes catégories d’appellations commerciales : feuillus (angiospermes) et résineux (gymnospermes). A l’œil nu, la différentiation entre ces deux groupes est simple car les cellules qui les composent sont différentes. Il est possible de différencier deux bois d’une même espèce.
1.2.1.1 Anatomie du bois à l’échelle macroscopique
Au niveau macroscopique une coupe transversale d’un tronc d’arbre est caractérisée par la présence de « cernes annuels ». Ceux-ci correspondent à l’activité cellulaire en fonction des saisons [9]. En climat tempéré, les cernes se distinguent facilement grâce à un arrêt ou un ralentissement significatif de la croissance de l’arbre pendant l’hiver (bois final). En climat tropical, la différenciation peut être plus compliquée du fait que ce changement s’opère lors des saisons des pluies [9, 10]. Ainsi, pour les bois tropicaux, le terme de cernes annuels n’est souvent pas réellement applicable.
La partie externe, la plus jeune du bois, permet le transport ascendant de la sève, des racines vers la
cime de l’arbre ; plus particulièrement, la sève brute monte par le xylème (aubier) et la sève
élaborée descend par le phloème (écorce interne) (figure 1). La partie appelée aubier contient des
vaisseaux formés par le cambium, et correspond au bois physiologiquement actif [8]. Avec leur
vieillissement, les cellules restées vivantes cessent de fonctionner, cette partie inerte du bois de
l’arbre est appelée duramen, ou bois de cœur en opposition à l’aubier [9]. Pour la plupart des
espèces, le duramen présente une meilleure résistance à la pourriture et à l’attaque d’insectes
xylophages. Cette caractéristique est due à la présence de molécules biologiquement actives
synthétisées lors de la duraminisation, ainsi qu’à la disparition de substances de réserve
22
consommées par les agents de dégradation biologique [11, 12]. Pour de nombreuses espèces de feuillus, les vaisseaux du duramen s’obstruent ce qui entraine une réduction significative de la perméabilité.
Figure 1: Coupe transversale d'un tronc d'arbre
1.2.1.2 Anatomie du bois à l’échelle microscopique
Bien que la structure cellulaire des différentes essences de bois remplisse la même fonction
(transport de l’eau et des nutriments, leur stockage, le soutien de l’arbre…), les résineux et les
feuillus se différencient facilement par le type de cellules qui les composent (figure 2). En effet, un
résineux est essentiellement composé de trachéides (80%), assurant soit la conduction, soit le
soutien mécanique de l’arbre, alors que les feuillus ont une composition cellulaire plus diverse avec
des vaisseaux (transport de l’eau), des fibres (résistance mécanique) ainsi que des parenchymes
axiaux (pour le stockage et la répartition des substances nutritives). A titre indicatif, les trachéides
des résineux sont longues de 3 à 8mm avec un diamètre entre 20 et 80 µm, alors que les vaisseaux
des feuillus sont mis bout-à-bout afin de former un long tube dont le diamètre peut-être
exceptionnellement de plus de 500µm [13]. Trachéides et vaisseaux forment le système de
conduction du bois. Il peut être défini par sa porosité et sa capacité à absorber un fluide. En effet,
des vaisseaux, ou les trachéides, peuvent être bouchés par des extractibles (souvent présent dans les
bois tropicaux), réduisant ainsi leur affinité hydraulique.
23
Figure 2: Vue en 3D d’un résineux (a) et vue de la section transversale d’un feuillu (b)
Picea sitchensis (x75) Quercus Spp (x55)
Lors de la formation du bois dans l’arbre, et en réponse aux contraintes dues à son environnement, l’organisation cellulaire est unique pour chaque essence de bois. Bien que différente, celle des résineux reste sensiblement la même, contrairement aux feuillus, dont l’organisation est bien différenciée en fonction des essences. Pour les feuillus, trois grandes familles peuvent être identifiées : les bois à zone poreuse initiale, ceux à pores diffus ou encore les semi poreux (figure 3) [8].
(a) Fraximus excelsior (b) Fagus sylvatica (c) Acer pseudoplatanus
Figure 3: Vue de la section transversale d’un feuillu poreux (a), semi-poreux (b) et à pores diffus (c)
A la fin de la différenciation, les cellules constituant le bois sont composées de trois sous couches, communément appelées S
1, S
2et S
3(figure 4). De par sa structure et son volume, la sous couche S2 représente la partie la plus résistante mécaniquement (souvent 80 % de la paroi cellulaire). Elle est constituée de couches successives de microfibrilles de cellulose, orientées différemment par rapport à l’axe de la tige et suivant les différentes sous-couches. L’orientation des microfibrilles dans la couche S
2(qui varie de 5 à 40° par rapport à l’axe de la fibre) permet la compréhension des
Rayons ligneux
Trachéides Canal résinifère
Vaisseaux
Fibres Parenchymes
(a) (b)
24
propriétés physico-mécanique du bois. En effet, elles jouent un rôle primordial sur la résistance du matériau ainsi que sur ses rétractibilités anisotropes [9].
La sous couche S
3, bien que fine joue un rôle important sur le renfort mécanique de la cellule, dans le cas du flambement par exemple lors de la mise en compression de ce matériau [9].
Figure 4: Représentation schématique d’une fibre
1.2.2 Le bois et l’humidité
Le taux d’humidité d’un bois correspond à la masse d’eau contenue dans le bois pouvant être enlevée par dessiccation. Ce paramètre est donné par [14, 15] :
(1)
Avec :
m
0correspond à la masse anhydre du bois obtenue après un séchage de l’échantillon dans une étuve à 103°C +/- 2°C
m
hest la masse du bois au taux d’hygrométrie h.
Lorsque le bois vert est séché, c’est d’abord l’eau contenue dans les vides cellulaires du bois qui est évacuée. Cette eau est communément appelée « eau libre » du fait qu’elle est dissociée au niveau moléculaire [14]. L’eau contenue dans les parois cellulaires est dite « eau liée », elle est liée aux composants des parois par des liaisons hydrogènes et des forces de Van der Walls [16] rendant l’évacuation de cette eau plus énergivore. Le moment où les vides cellulaires sont exempts de toute
« eau libre », alors que les parois cellulaires sont encore saturées en eau, est appelé Point de
Saturation des Fibres (PSF) [14]. Ce taux d’humidité est compris entre 15% et 40% et dépend des
espèces de bois. En pratique une valeur de 28% constitue une moyenne convenable.
25
Le bois est un matériau hygroscopique et l’échange avec l’humidité de l’air ambiant est permanent.
Quelles que soient la température et l’hygrométrie relative de l’air dans l’environnement, il existe un taux d’humidité d’équilibre du bois (H
f) pour lequel la diffusion de l’humidité vers l’intérieur du bois est compensée par les échanges avec l’extérieur [14]. Le bois n’est cependant que rarement dans cet état du fait que les conditions climatiques environnantes sont en constante évolution. La détermination du taux d’humidité d’équilibre du bois en fonction de l’hygrométrie relative de l’air et de la température du climat ambiant d’utilisation du bois se fait grâce aux abaques de l’hygroscopie du bois érigés par Rasmussen en 1961 [17].
L’affinité du bois avec l’humidité est telle que l’eau peut s’infiltrer dans les parois cellulaires [15].
Lors du gonflement, le volume des vides cellulaires demeure constant [15, 16]. A l’inverse, lorsque l’humidité est enlevée des parois cellulaires, le bois se rétracte. Ces deux notions de retrait et gonflement sont communément rassemblées sous le nom de rétractabilité et conditionnent les variations dimensionnelles du bois [15, 16, 18].
L’anisotropie entre les rétractabilités longitudinale et tangentielle varie dans un rapport de 1 à 20.
Le rapport entre les retraits tangentiel et radial est de l’ordre de 1 à 3 et souvent, l’anisotropie (A) de ces deux derniers est comprise entre 1 et 3 [19].
3 1
r t
R
A R
Avec
Rtet
Rrles retraits respectifs tangentiel et radial.
L’anisotropie du bois (en combinaison avec son hétérogénéité du fil) peut entraîner la distorsion des sciages lors de leur séchage [20]. En effet, en plus de créer des défauts tels que les gerces et fentes internes, un mauvais séchage du bois peut mener aux distorsions suivantes (figure 5) : le voilement longitudinal (flèche de face), le voilement de rive (flèche de chant), le gauchissement ainsi que le tuilage [21].
Figure 5 : Schéma des déformations possibles du bois lors de son séchage Flèche de face
Flèche de chant
Gauchissement
Tuilage
26
1.2.3 Durabilité du bois
La durabilité naturelle du bois est sa capacité à résister aux attaques biologiques en l’absence de tout traitement protecteur. Elle varie significativement selon les essences de bois et, dans une même essence, elle est plus forte dans le duramen que dans l’aubier qui n’est en général pas résistant [22].
Les deux principaux agents responsables de la dégradation du bois sont les insectes (termites, coléoptères, capricornes, Lyctus, vrillettes) et les champignons (lignivores ou de décoloration).
Dans l’eau salée, le bois peut aussi être attaqué par des térébrants marins (tarets). Beaucoup de ces organismes nécessitent un minimum d’humidité pour se développer (20%) [23]. Dans un climat comme en Guyane, le risque d’attaques est élevé car la chaleur et l’humidité favorisent le développement des agresseurs biologques.
Le tableau 1 regroupe les indices de classe de résistance du bois vis-à-vis des organismes responsables de sa dégradation.
Tableau 1 : Définition des classes de résistance naturelle du bois [24]
Résistance naturelle aux champignons (Rc)
Val Résistance naturelle aux termites (Rt)
Val Imprégnabilité Val
Très durable 1 Durable D Bonne 1
Durable à très durable 2 Moyennement durable M Moyenne 2
Durable 3 Sensible S Mauvaise 3
Moyennement durable 4 Peu ou non durable 5
Si la durabilité naturelle du bois n’est pas suffisamment forte pour l’emploi envisagé, un traitement
chimique peut être appliqué pour éviter les dégradations. Le choix du traitement dépend, de
l’imprégnabilité du bois et des conditions d’utilisation définissant ainsi la classe d’emploi (CE) que
le bois doit couvrir. L’imprégnabilité du bois influe de manière significative sur l’efficacité du
traitement. Dépendant de la perméabilité du bois et de son taux d’humidité, elle est susceptible
d’empêcher la pénétration des produits de traitement dans les bois [22]. Mais bien choisi, un
traitement de préservation du bois reste une solution majeure permettant d’accroitre sa durabilité, et
donc sa durée de vie dans des conditions climatiques défavorables comme en Guyane [25].
27
1.2.4 Comportement mécanique du bois
Le bois et ses dérivés sont largement utilisés comme des matériaux résistants, tant en structures (charpente, plancher, coffrage pour de grands ouvrages…) que dans d’autres domaines très variés (emballage, ameublement, aéronautique…). Pour tous ces emplois, il est nécessaire de connaitre les propriétés mécaniques de ce matériau ainsi que son comportement sous sollicitations diverses ; ceci afin d’utiliser le bois dans les meilleures conditions [26].
1.2.4.1 Généralités sur la mécanique du bois
Le bois est un matériau hétérogène, anisotrope et dont les propriétés physiques et mécaniques diffèrent suivant les directions considérées.
Sur un élément de bois on distingue trois directions principales (figure 6) :
Figure 6: Schéma de l’orientation des directions principales du bois
La direction longitudinale (L), parallèle à l’axe du tronc, c'est-à-dire dans la direction des fibres,
La direction radiale (R), perpendiculaire à l’axe du tronc et passant par le centre,
La direction tangentielle (T), perpendiculaire à l’axe du tronc et tangente aux cernes d’accroissement.
Le bois dans l’arbre est caractérisé par 2 plans de symétrie matérielles RL et RT et 3 directions
privilégiées L, R et T. Neuf composantes sont alors nécessaires pour le modéliser, c’est le modèle
orthotrope. La loi de comportement élastique linéaire est exprimée par le tenseur des complaisances
élastiques, elle est illustrée par l’équation 2.
28
[
] [
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
⁄
⁄
⁄ ] [
]
(2)
Avec :
1.2.4.2 Traction et compression
Les relations de contrainte/déformation pour des charges de courtes durées d’application sont données schématiquement par la figure 7 où la contrainte est représentée en fonction de la déformation.
Sur la courbe de traction (ou de compression) on distingue une zone sensiblement linéaire et réversible, dite élastique linéaire, limitée par la contrainte qualifiée de limite élastique, suivie d’une zone non linéaire, qui conduit à la contrainte de rupture. Lorsque la différence entre l’élongation à la rupture et l’élongation à la limite élastique est faible, on dit que l’on est en présence d’une rupture « fragile ».
On remarque ainsi que la zone de comportement élastique est généralement plus grande en traction
qu’en compression. Si au cours d’un essai, l’élongation à la limite élastique est dépassée et que l’on
décharge l’échantillon, on constate qu’à charge nulle il existe une déformation résiduelle
susceptible de se résorber au cours du temps. Ceci signifie que le paramètre temps influe sur la loi
de comportement et que le bois possède des propriétés visqueuses.
29
Dans le cas d’une sollicitation, en traction ou compression, qui a lieu dans le sens transverse aux fibres, la résistance du matériau bois s’en trouve très fortement diminuée, surtout dans le cas de la traction. Cette faible résistance est due à l’anisotropie du bois liée à l’orientation axiale des fibres et des microfibrilles.
Figure 7: Comportement théorique du bois en traction/compression dans la direction longitudinale
1.2.4.3 Flexion simple
Le comportement d’éléments bois massifs soumis à une sollicitation en flexion se déduit du
comportement du même bois en compression et en traction et peut faire apparaître des contraintes
de cisaillement. En général, lors de l’étude du comportement mécanique d’une poutre soumise à une
flexion, on considère que l’hypothèse de Navier reste valable (« toutes sections planes normales aux
fibres avant déformation restent planes et perpendiculaires aux fibres »). Si les contraintes induites
par le moment de flexion sont inférieures à la limite élastique en compression (plus faible que celle
en traction), le diagramme des contraintes est linéaire (figure 8).
30
Si le moment augmente et que l’on tend vers la rupture, pour un même déplacement, les contraintes de traction sont supérieures à celles en compression ce qui provoque un déplacement de l’axe neutre (axe sur lequel se situe tous les points où les contraintes sont nulles). A ce moment ci, l’axe neutre n’est plus confondu avec la fibre moyenne de la barre, correspondant à l’axe par lequel passe les centres de gravité de n’importe qu’elle section droite prise au hasard.
Figure 8: Diagramme des contraintes dans une poutre droite soumise à un effort croissant jusqu’à la rupture [26]
La formule générale de résistance des matériaux en flexion, pour une section symétrique, est :
σ = M/(I/v) (3)
Avec :
σ est la contrainte de flexion en MPa M est le moment fléchissant en N.mm I/v est le module résistant en mm³
1.2.4.4 Fluage
Sous l’action d’une charge permanente, les déformations ont tendance à augmenter en fonction du temps. C’est le phénomène de fluage. Le fluage se produit dans le comportement visco-élastique du bois. On appelle ainsi limite de fluage la contrainte que la barre de bois est capable de supporter indéfiniment sans se rompre [19].
Dans le cas d’une flexion, le fluage est plus facile à mettre en évidence par la flèche de déformation de la pièce, qui augmente en fonction du temps (le coefficient de fluage correspondant au rapport entre la flèche mesurée à l’instant t et celle mesurée initialement) [27].
σc
Retombée
σt
σc
31
1.2.4.5 Cisaillement et effort tranchant
Le cisaillement peut être produit dans les assemblages par compression ou par l’effort tranchant dans le cas d’une poutre travaillant en flexion. L’effort tranchant correspond à une contrainte interne du matériau, perpendiculaire à l’axe de la plus grande longueur, en réponse à une sollicitation.
Dans le cas d’une flexion, on peut distinguer deux types de cisaillement. Le cisaillement parallèle aux fibres et celui dans le plan transversal. Ce deuxième est difficile à déterminer du fait de la faible résistance du bois à une sollicitation transversale [28].
1.2.5 Influence des défauts du bois sur son comportement mécanique
1.2.5.1 Les nœuds
Les nœuds sont les parties des branches présentes dans le tronc de l’arbre. Lors du sciage du bois, la trace des branches, de plus ou moins bonne qualité, sont visibles sur les planches. Les résineux se distinguent des feuillus par une régularité des nœuds souvent groupés et séparés du bois sans défaut [29, 30].
Un nœud modifie localement la direction du fil du bois, il fragilise la pièce et réduit la section effective de la pièce portante, diminuant ainsi ses résistances mécaniques (figure 9) [31]. Celles-ci sont aussi influencées par la qualité du nœud, un nœud dit « adhérent » sera mécaniquement moins pénalisant qu’un nœud dit « mort ». De plus, un nœud correspond également à des variations locales de l’orientation des fibres pouvant aller jusqu’à être perpendiculaires à la direction du fil. Ceci induit souvent des excentrements d’effort et localement des contraintes très élevées. Enfin, à l’endroit où les fibres changent de direction autour des nœuds apparaissent des contraintes transversales pour une sollicitation axiale. Ceci est particulièrement important pour les bois sollicités en traction parallèle au fil [20].
SRb = Ratio de résistance à la flexion en fonction des nœuds
X=Ik/Ig avec Ik= somme des moments d’inerties des nœuds présents sur la sectionde bois et Ig le moment
d’inertie totale de la section (%) SRb = Ratio de résistance à la flexion en fonction des nœuds (%)
Figure 9: Influence des nœuds sur la résistance à la flexion
32
De ce fait, on remarque que la résistance du bois de structure peut être plus importante en compression qu’en traction, généralement due à la sensibilité aux variations locales de la pente de fil.
1.2.5.2 Influence de l’orientation du fil
De plus, certains arbres croissent avec une orientation principale des cellules formant une spirale autour du tronc. Ce fil tors est courant pour certaines espèces (Pinus radiata, Caryocar glabrum) et rare pour d’autres (Picea abies, Hymenae courbaril). Cette autre caractéristique, due à la croissance du bois, affecte sa qualité et peut entrainer des déformations importantes lors du séchage [32].
Concernant les caractéristiques mécaniques, celles du bois dépendent de l’orientation de la sollicitation par rapport à celle du fil dont le sens longitudinal présente les meilleures performances.
Ainsi, avec un bois contrefilé, les résistances mécaniques diffèrent le long de la pièce de structure suivant l’angle du fil. Enfin, la résistance en traction est plus particulièrement affectée (réduite) par l’augmentation de la déviation du fil suivant l’orientation de la sollicitation que la résistance en flexion ou en compression d’après Baumann en 1922 [30]
1.2.5.3 Bois juvénile et bois de réaction
Il est à noter que les 5 à 20 premiers cernes d’accroissement possèdent des caractéristiques différentes de celles du bois extérieur arrivé à maturité [33]. Ce bois appelé bois juvénile possède, une masse volumique, une résistance et une élasticité plus faible , particulièrement chez les résineux [33, 34]. Pour les feuillus tropicaux, certaines espèces forestières favorisent la croissance en hauteur par rapport à la croissance en diamètre en réponse à une forte compétition interspécifique, elles développent alors un bois juvénile plus rigide et souvent plus dense [35]
De plus, du fait que la croissance de l’arbre dépende de l’environnement dans lequel il évolue, celui-ci peut, suite à des perturbations extérieures, développer une inclinaison du tronc. Via une action mécanique active, un bois spécifique peut se former, connu comme bois de réaction.
Chez les feuillus, ce bois se forme sur la face supérieure à l’inclinaison (bois de tension figure 10), a contrario, les résineux le développe sur la face inférieure (bois de compression). D’un point de vue mécanique, le bois de
Figure 10: Observation du bois de tension pour l’Eperua falcata (J. Ruelle)
33
réaction est sujet à d’importantes déformations axiales au séchage, et a tendance à se rompre plus facilement (pas de phase plastique, rupture dès que la limite élastique est atteinte)
1.2.5.4 Influence de la densité
La masse volumique du bois constitue le paramètre physique le plus important dont dépendent la plupart de ses propriétés mécaniques [15]. Bien évidemment, ce paramètre dépend énormément de l’espèce du bois, de la largeur des cernes, de son humidité…
La masse volumique est directement dépendante de la porosité du bois définie comme la proportion volumique de vide cellulaire [14]. En effet, un bois très poreux aura une masse volumique plus faible qu’un bois peu poreux du fait que le premier est constitué de moins de matière ligneuse.
Enfin, les différences de densité entre les feuillus et les résineux sont aussi dues aux différences de structure anatomique. Généralement, les cellules composant les feuillus ont des parois cellulaires plus épaisses, et sont donc plus denses, que celles des résineux [36].
Plusieurs études ont montré que l’élasticité en flexion et la contrainte de rupture parallèle au fil sont corrélées quasi linéairement avec la densité [19, 37]. En reprenant l’idée de Bodig [38], Guitard et El Amri [39] ont rédigé des régressions permettant d’approximer les constantes d’élasticité des bois dont la densité diffère de celle dite «standard » (0.65 pour les feuillus et 0.45 pour les résineux, tableau 2).
Tableau 2: Equations correctives des modules d’élasticité en fonction de la densité pour les feuillus à H=12%
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Dans ce tableau, la valeur des modules est exprimée en MPa et ces équations restent valables pour des feuillus dont la densité est comprise entre 0.1 et 1.2.
En 1982, Bodig et Jayne [38] observent l’influence de la densité sur les propriétés mécaniques du bois (figure 11) et les relient par l’équation suivante :
