VALOPTIM
Mise en place de méthodes non destructives à l’échelle macroscopique et établir les corrélations avec des méthodes destructives.
Abondement 2020
Le besoin initial
Le contexte de l’étude porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques du bois dit « parfait » par des méthodes non destructives à une échelle macroscopique. Les entreprises visées par cette étude utilisent le bois dit « parfait ». Par exemple, une des applications est l’utilisation du bois comme support amortisseur pour le transport des déchets radioactifs. (Ex : essais de compression confinée sur balsa, essais expérimentaux sur du hêtre). Autre exemple : caractérisation des propriétés mécaniques du chêne en fonction de son hygroscopie. Le but de l’étude est donc d’étudier plusieurs facteurs pouvant impacter les propriétés mécaniques qui seront évaluées de manière non destructive à l’échelle macroscopique.
Ces facteurs étudiés :
– « Approvisionnement » sont étudiés comme le lieu de prélèvement
– Le positionnement de l’échantillon dans l’arbre (Bille de pied, Bille, Sur-bille),
– L’identification du type de bois pour la ressource (bois de réaction ou du bois normal, bois mature, bois juvénile).
– Le taux d’humidité dans le bois
Deux autres indicateurs appelés « Mécaniques » sont étudiés :
– La densité
– Le module d’élasticité
Ces deux indicateurs sont utilisés dans l’industrie de bois de structure pour caractériser les propriétés mécaniques.
Pour étudier l’indicateur du module d’élasticité, la méthode BING est une méthode vibratoire non destructive et le Sylvatest, une méthode basée sur la propagation des ultrasons. Les valeurs mesurées par cette méthode seront comparées aux valeurs trouvées par les tests en flexion 4 points (méthode destructive).
Le verrou à lever
Le bois est un matériau composite à caractère très hétérogène, poreux et fortement hygroscopique. Son comportement mécanique est orthotrope, dépendant considérablement de l’essence, de son organisation cellulaire mais aussi de l’âge du matériau, de son prélèvement dans l’arbre, de sa teneur en eau, de sa rétractibilité et enfin de sa densité. Le principal verrou scientifique du projet VALOPTIM est d’étudier les correspondances entre le comportement mécanique du bois et les facteurs influents cités ci-dessus. En fait, sachant que les propriétés élastiques du bois sont fortement conditionnées par son état physique, (cela fait l’objet de nombreuses recherches scientifiques). Nous étudierons le comportement mécanique des pièces de bois. Ce verrou permettra d’effectuer un choix judicieux pour la réalisation de toutes structures. De plus la dispersion importante des résultats provenant des variations de qualité dans la même essence, pour le même type d’arbre, dans la même pièce, rend la caractérisation mécanique du bois d’autant plus difficile à déterminer. Tout au long de la croissance de l’arbre, la structure des cellules évolue. Dans les premières années le bois est qualifié de bois juvénile, puis il entre dans une zone de transition et devient finalement du bois mature nommé “Duramen” ou “bois parfait”. Le second verrou consiste à déterminer l’évolution des propriétés mécaniques du bois en fonction de l’hétérogénéité des échantillons et leur répartition dans l’arbre. En particulier, les variations liées à la présence de bois juvénile dans la construction. Par ailleurs, il est possible de mesurer de manière non destructive la masse volumique et le module d’élasticité. Le dernier verrou consiste à établir la corrélation entre le classement mécanique des bois effectué par méthode non destructive en comparaison à une méthode destructive.
Les moyens R&D mis en oeuvre
Le travail consiste à étudier plusieurs indicateurs permettant de caractériser les propriétés mécaniques de manière non destructive à l’échelle macroscopique, basées sur l’approvisionnement de l’échantillon et mécaniques (densité et module d’élasticité).
La trame de travail mis en place par le CRITT BOIS consiste : dans un premier temps à caractériser mécaniquement des échantillons de plusieurs essences grâce à des méthodes vibratoires non destructives. Dans un second temps, les mêmes échantillons de bois sont testés en flexion pour les caractériser. Ces tests destructifs permettent de valider le module d’élasticité longitudinale déterminé avec les méthodes non destructives. De plus, lors de cette même phase de travail, par l’expérimentation, le CRITT BOIS cherche à compléter la caractérisation de certaines essences en déterminant leurs propriétés secondaires, à savoir : traction axiale, compression axiale, cisaillement, traction transversale et compression transversale.
Les Méthodes non destructives :
Pour mesurer les propriétés élastiques des échantillons en bois, nous avons choisi d’utiliser des méthodes non destructives qui offrent comme principal avantage, la possibilité de réaliser plusieurs mesures sur une même éprouvette. Ceci permet de s’affranchir de problèmes de variabilité supplémentaire entre éprouvettes censées représenter le même échantillon. La première méthode utilisée, appelée Bing, est facilement reproductible à plus grande échelle sur des éléments structuraux, dans le milieu industriel et permet de donner rapidement une première estimation du comportement élastique des échantillons et donc de les classer mécaniquement. Cette méthode d’essais vibratoires longitudinaux, utilise une interprétation du spectre des vibrations pour déterminer le module d’élasticité. Lors des essais, la pièce est soumise à une impulsion à une de ses extrémités et un accéléromètre placé sur l’autre extrémité permet de mesurer la fréquence propre de l’échantillon. La seconde méthode utilisée est le Sylvatest. Cet appareil de mesures acousto-ultrasoniques est basé sur la vitesse et l’absorption d’énergie de l’onde ultrasonore transmise dans la matière.
Les Méthodes destructives :
Les essais mécaniques sont réalisés au CRITT BOIS au sein du Campus Bois de l’ENSTIB. Pour les essais sur des échantillons de grande taille, ils sont réalisés sur dalle d’essais. La mesure des efforts appliqués par le vérin d’une capacité de 500 kN est effectuée au moyen d’une cellule de force de 500 kN avec une précision de (± 0,01 kN, selon étalonnage annuel) en adéquation avec les conditions fixées par la norme NF EN 408. Pour les essais de petites tailles, la machine d’essais universels ZWICK, a une capacité de 250 kN et est équipée d’une cellule de force de 250 kN avec une précision de (± 0,001 kN, selon étalonnage annuel) en adéquation avec les conditions fixées par la norme NF EN 408. Les différentes mesures des déplacements sont réalisées grâce à des Capteurs de déplacement du type LVDT de marque HBM avec une course de 200 mm pour les essais de flexion sur éprouvettes « sans défauts » en flexion. La précision de ces capteurs dans le cadre de leur chaîne de mesure est de l’ordre de 0,02mm sur la plage d’utilisation expérimentale.
Les perspectives de partenariats
Concernant le verrou principal, les études concernant l’influence de l’humidité ont conduit aux résultats suivant :
Les études expérimentales mettent en avant et, comme critère dominant, la sensibilité à l’humidité. En effet, plus un bois est humide, plus son module d’élasticité et sa résistance à rupture diminue. Ce phénomène est valable quelle que soit l’orientation du fil, et quelle que soit la sollicitation du matériau (compression, flexion, cisaillement).
De plus des essais de compression sur du balsa montrent que la température impacte la raideur et la résistance du bois à des températures extrêmes (-40 et + 70°). Concernant le second verrou Les études montrent qu’il y a deux principales différences entre bois juvénile et bois mature : une quantité de cellulose plus faible dans le bois juvénile et un angle de microfibrille de la couche S2 plus important dans le bois juvénile que dans le bois mature. L’impact de l’angle des microfibrilles sur la résistance et le module d’élasticité a été démontré par K. BORST qui met en avant une diminution importante du module avec l’augmentation de l’angle des microfibrilles. Des essais de flexion sur des bois feuillus ont permis de conclure qu’à l’intérieur d’une même grume, en fonction de la position de la pièce dans la grume, les propriétés mécaniques diminuent en fonction de la proximité de la moelle et de la hauteur dans l’arbre également. Ce phénomène est bien imagé sur la figure ci-dessous avec une diminution de la résistance d’environ 30% dans les zones de la grume où la part de bois juvénile est plus importante.
Concernant le troisième verrou : des comparaisons entre les valeurs des modules d’élasticités mesurés par une méthode vibratoire et par une méthode statique destructive (flexion 4 points) montrent que l’écart type des résultats obtenus par la méthode vibratoire est légèrement inférieur à celui issu des valeurs fournies par la flexion statique. À travers les expériences menées au cours de ce projet et le déploiement des méthodes vibratoires à l’échelle industrielle, il est aisé de constater que, la mesure des modules d’élasticité par la méthode statique destructive s’avère lourde et onéreuse à mettre en œuvre. La méthode d’essai vibratoire longitudinale est plus simple à mettre en place dans le cadre d’un processus industriel avec des longueurs variables des pièces évaluées.
En conclusion, ce projet a tout d’abord contribué à apporter des éléments scientifiques rationnels à l’intégration de solutions en feuillus dans la construction. À ce sujet, des bâtiments novateurs en structure bois feuillus ont été conçus et dimensionnés par le CRITT BOIS. Les études de ses bâtiments ont permis la mise en place de classements mécaniques des bois de manière semi-industrielle avec des méthodes non destructives (ex d’ouvrage : Maison du vélo à Xertigny). Ce projet est un maillon indispensable dans une démarche globale de valorisation du bois feuillu dans la construction. Par ailleurs, grâce à ce projet, le Critt bois a pu également capitaliser à partir d’autres projets de recherche traitant de conception hygrothermique dans la construction, c’est le cas du projet HYGRO-BAT piloté par le CSTB. Le Critt Bois a, de ce fait acquis une véritable expertise sur ce sujet. De plus, il travaille avec ses partenaires sur des projets collaboratifs qui viendront compléter ces travaux pour les futurs impacts dans les systèmes constructifs en bois.
