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Propriétés
mécaniques et
physiques du bois
M2 BFD - UE 938 2014-15
Meriem Fournier
1
Le plan
– Humidité (teneur en eau) du bois
– Densité des bois
– Retraits et gonflements avec la teneur en
eau
Le bois contient de l’eau
Le bois est un matériau hygroscopique
(hygroscopie = capacité d’un matériau à absorber ou désorber de
l’eau venant de l’air ambiant)
Définition de l’humidité (teneur en eau) du bois
(moisture content MC) pour le bois matériau
Teneur en eau MC (en %) :
Masse – Masse anhydre
Masse anhydre
L’état anhydre est par convention obtenu en mettant l’échantillon à
103°C pendant un temps suffisant pour que sa masse se stabilise.
ATTENTION DANS LE BOIS ENERGIE, ON EXPRIME LA
TENEUR EN EAU PAR RAPPORT A LA MASSE TOTALE.
Relation entre MC matériau et MC énergie ?
Humidité du bois : quelle eau ?
Saturé
Point de Saturation des Fibres
30%
Anhydre
« Deux » matériaux bois • Le bois vert : au dessus du Point de Saturation des fibres
(de 30% à plus de 200%)
(le bois dans l’arbre, le bois au premier usinage …)
• Le bois sec : au dessous du Point de Saturation des fibres
(entre 4% et 30%)
(le bois mis en œuvre, le bois avant collage, protection de
surface …)
EA
U L
IBR
E
EA
U L
IEE
Le bois mis en œuvre se met à une humidité d’équilibre qui
dépend de l’état physique de l’air ambiant
Exercice : si j’achète un objet en bois sur le marché de Douala au
Cameroun, quel pourcentage de poids perdra-t-il lorsque je le ramène
à Nancy en été. Même question entre été et hiver (dehors) à Nancy.
Termes normalisés (NF B 51-002)
Au-delà du PSF : Bois vert
entre 25 et 60% : Bois ressuyé
Entre 23% et PSF : Mi-sec
Entre 18 et 22% : Commercialement sec
De 13 à 17% : Sec à l’air
En dessous de 13% : Desséché
0% : Anhydre
Comment mesurer
l’humidité du bois ?
Comment mesurer l’humidité du bois
Méthode directe (pesée d’une éprouvette avant et après passage à
l’étuve)
Méthodes indirectes (intérêt d’une mesure non destructive in situ)
- Electriques (différence de comportement entre l’eau conductrice et le bois
isolant). Méthodes couramment utilisées dans l’industrie.
- Spectrométrie infrarouge
La spectrométrie en réflexion diffuse dans le proche infrarouge (SPIR) est une
méthode sans contact de mesure du rayonnement réfléchi par l’échantillon. Ce
rayonnement dépend de la constitution chimique du bois (Baillères et al., 2002). Les
molécules d’eau absorbent la lumière infrarouge de façon sélective à 3 longueurs
d’onde différentes : 2662, 2738 et 6270 nm.
- Sonde à neutrons (couramment utilisée pour les sols, utilisée par Rosenberg
et al. (2001), pour la mesure de la teneur en eau moyenne dans une pile de bois au
cours du séchage)
Densités des bois
Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?
Qu’est ce que la densité d’un tissu ou d’une matière solide en général ?
Comment la mesurer ?
Dictionnaire Larousse : Qualité de ce qui est dense. […] . Physique : Rapport de la
masse d'un liquide ou d'un solide à la masse d'eau occupant le même volume à la
température de 4 °C.
Exercice : un bois a une masse volumique de 650 kg/m3, quelle est sa densité ?
Méthode directe : Mesures de masse (balance) et de volume (par déplacement d’eau
ou par mesure de « longueurs)
Volume =
Longueur
X largeur
X épaisseur
Masse
Masse = volume
Mesures indirectes
Densitométrie par rayons X : Les rayons X sont une forme de rayonnements
électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise entre 5 picomètres et 10
nanomètres. Ils ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen.
Microdensitométrie (principe des radios médicales) : Si l'on admet que la
composition atomique du bois est relativement constante, l'absorption d'un rayonnement X
d'intensité donnée par une couche de bois d'épaisseur uniforme ne dépend plus que de sa
densité.
Tomographie (cf https://www2.nancy.inra.fr/unites/lerfob/plateforme/equipements/tomographe.html)
Le scanner permet de reconstituer une image 3D de l'échantillon soumis à un balayage à rayons X en
analysant l'atténuation des rayons X suite à la traversée de l'échantillon.
Densités des bois
Ordre de grandeur de la densité des bois secs à l’air (H=15%): entre 0,5 et 0,7
Classes de densité Densité Essences
Bois très lourds >0,85 Azobé, Ipé
Bois lourds 0,70 - 0,85
Charme, Robinier,
Movingui, Chêne dur
Bois mi-lourds 0,56 - 0,70
Niangon, Iroko,
Châtaigner, Chêne
tendre, Pins
Bois légers 0,45 - 0,55
Framiré, Douglas,
Epicéa, Sapin, Pins
Bois très légers <0,45
Western red cedar,
Séquoia, Peuplier
Balsa : 0,1
Amourette, Boco, Gaïac , Panacoco… (bois de fer) : 1 à 1,3
Attention la densité du bois dépend de sa teneur en eau :
1. Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%)
2. Densité du bois « vert » (plus grande ou plus petite ?)
Toutes les définitions sont utiles :
1. Densité du bois « sec à l’air » (H=12-15%) : intéressant pour le bois
matériau, aucun sens pour le bois tissu.
2. Densité du bois vert : pour le bois tissu, c’est le chargement mécanique qui
doit être porté par le tissu de soutien, pour le bois matériau, c’est le poids qu’on
va devoir transporter en camion
3. Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche
contenue dans le volume humide (pour H>PSF) = pour l’arbre et le bois tissu, c’est le coût de construction d’un volume unitaire
= pour l’homme et le service carbone de la forêt, c’est une donnée basique pour
évaluer le stock de carbone dans un peuplement :
Inventaire forestiers => liste d’arbres avec H et D
Tarif de cubage => volume de bois
Volume x dB => Masse sèche de bois, dB varie beaucoup (avec l’essence
…)
x concentration massique en carbone (peu variable 47,5%) => stock de C (méthodologie IFN INRA : Pignard G., Hamza N., Dupouey J.L., 2006. Estimating carbon stocks and
fluxes in French forest biomass, based on national inventory data, In Loustau D. et al. (Eds.), Final Report of
the Carbofor Project)
1. Infra-densité dB (basic density, densité basale) = masse sèche
contenue dans le volume humide (pour H>PSF)
Plus grande ou plus petite que les autres ???
Porosité et densité du bois
Porosité : c = 1 – r0/rML
rML : Masse volumique anhydre
de la « matière ligneuse » constituant les parois
constante, 1,53
Panacoco D=1,2 g/cm3
Balsa D=0,15 g/cm3
Porosité et densité du bois
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
PSF Saturation PSF Saturation PSF Saturation
Infradensité=0,1 infradensité=0,4 Infradensité=0,8
air
eau Masse sèche (parois)
eau
air eau
Volume Volume Volume
Masse sèche (parois)
Quelle est la teneur en eau MC maximale
qui tient dans un bois d’infradensité Id ?
Vtotal = Veau + Vparois + Vair
Veau = Vtotal – Vparois
Meau = 1* Veau = Vtotal - Mparois/1,5 (en g/cm3)
MCmax= Meau /Mparois = Vtotal /Mparois - 1/1,5
Hyp: additivité des volumes
À saturation, pas d’air :
MCmax= 1/Id - 0,66
MCmax= 934% MCmax= 183% MCmax= 58%
La teneur en eau a une limite qui dépend de la porosité
Saturé
Point de Saturation des Fibres
Anhydre
Le bois se rétracte
en séchant
L
R ou T L
R ou T
L
R ou T
EA
U L
IBR
E
EA
U L
IEE
Définitions
Retrait volumique total
(en %) :
autour de 15%
Volume au dessus de PSF – Volume anhydre
Volume au dessus de PSF
Retrait volumique à la teneur en
eau H (en %) :
Volume au dessus de PSF – Volume à H
Volume au dessus de PSF
Coefficient de retrait
volumique (en %/%) :
autour de 0,5%/% PSF - H
Retrait volumique à la teneur en eau H
Retraits linéiques
Définitions des retraits linéiques
Retrait tangentiel
> Retrait radial (x2)
>> Retrait axial (x50)
10%
5%
0,1%
Retrait volumique Retrait R + Retrait T
Démontrez le ?
Déformation des débits ?
C’est l’anisotropie des retraits (RT) qui compte Comprendre le pourquoi de chacune des déformations
Débit sur dosse
Débit sur maille
Ou sur quartier
Mesure des coefficients de retraits
Retraits linéiques totaux T et R : Mesurer les variations de
dimension entre bois vert et bois anhydre
Norme française NF B 51 006 : plaquettes carrées de 40mm à
50mm de côté et 10mm d'épaisseur (parallèlement au fil du
bois). Mesure des dimensions au pied à coulisse.
Questions ouvertes : est ce assez précis ? Comment mesurer
le retrait axial ? On peut utiliser le savoir-faire développé
pour les mesures de déformations en mécanique .
Retrait volumique total : Mesurer les variations de volume
entre bois vert et bois anhydre
Norme française NF B 51 006 : Cubes de 20mm de côté,
mesure au voluménomètre à mercure (désormais interdit)
Mesure des retraits
Pour s’entraîner : Ecrire un protocole de mesure des retraits
linéiques R et T.
Coefficients de retrait : idem mais il faut faire plusieurs mesure
en stabilisant les échantillons dans des ambiances (chambres
climatiques)
Retraits ou gonflements ?
Mesurer les dimensions lors de cycles de séchage/réhumidification ?
Les valeurs des coefficients de retraits ou gonflements sont voisins
Des phénomènes irréversibles peuvent néanmoins être observés.
Propriétés de quelques résineux :
Densité
minimum à
12%
Densité
maximum
à 12%
Coefficient
de retrait
radial (en %
/ %
d'humidité)
Coefficient
de retrait
tangentiel
(en % / %
d'humidité)
Module
d'élasticité
en flexion à
12% (MPa)
Contrainte de
rupture en
compression
(MPa)
Contrainte
de rupture
en traction
(MPa)
Contrainte
de rupture
en flexion
(MPa)
Douglas0,51 0,55 0,17 0,27 12100 55 93 85
Epicéa 0,44 0,47 0,17 0,31 11100 45 85 71Mélèze 0,47 0,65 0,16 0,32 12500 53 101 93Pin maritime
0,53 0,55 0,15 0,3 8800 39 80Pin sylvestre
0,50 0,54 0,17 0,31 11900 50 102 90Pin noir et
laricio 0,51 0,65 0,15 0,28 9500 45 92Sapin 0,44 0,48 0,14 0,31 12300 46 87 68Western red
cedar 0,33 0,39 0,08 0,22 7900 32 55 51
Exercice
Une planchette de sapin de 410 x 87 x 15 mm
Débitée dans le sens du fil et sur quartier
Observée dans à 8°C et 75% Humidité (air)
On la stocke dans une pièce plus chaude et sèche
25°C et 60% Humidité
Quelles seront ses nouvelles dimensions ?
Propriétés de quelques feuillus français :
Densité
minimum à
12%
Densité
maximum
à 12%
Coefficient
de retrait
radial (en %
/ %
d'humidité)
Coefficient
de retrait
tangentiel
(en % / %
d'humidité)
Module
d'élasticité
en flexion à
12% (MPa)
Contrainte de
rupture en
compression
(MPa)
Contrainte
de rupture
en traction
(MPa)
Contrainte
de rupture
en flexion
(MPa)
Charme 0,75 0,85 0,22 0,35 14000 68 130 138Châtaigner 0,54 0,65 0,14 0,24 8500 46 128 71Chêne 0,67 0,76 0,15 0,32 12500 50 100 97Erable 0,61 0,64 0,15 0,26 10500 54 115 110Frêne 0,68 0,75 0,19 0,32 12900 51 145 113Hêtre 0,69 0,75 0,25 0,42 14300 58 117 107Orme 0,63 0,68 0,18 0,28 10800 60 78 88Peuplier 0,42 0,44 0,15 0,28 8800 33 72 65
Exercice
b=380 mm
h=27mm Question : le bois est scié puis raboté vert,
quelles sur-côtes prévoir pour avoir
les dimensions finales prévues à 12% de teneur en eau ?
Pour du hêtre (pour du peuplier) ?
Pour un débit sur quartier (puis un débit sur dosse) ?
L=2500 mm
Réponses :
hêtre peuplier
Coeff retrait T 0,42 0,28
Coeff retrait R 0,25 0,15
Variation humidité 18
retrait T 7,56 5,04
retrait R 4,5 2,7
retrait = 1-dim finale/dim initiale
dim initiale dim finale/(1-retrait)
largeur finale (à 12%) 380
épaisseur finale (à 12%) 27
Hêtre dosse Hêtre quartier Peuplier dosse Peuplier quartier
largeur initiale à scier 411 398 400 391
épaisseur initiale à scier 28 28 28 28
Il faut toujours scier le bois frais en plus grande épaisseur
pour garantir les dimensions après séchage
Question : une planche d’Iroko de 1500x172x27mm pèse 4,2kg ?
C’est normal ?
Réponse :
Masse volumique observée de la planche :
volume 6966 cm3
Masse 4200 g
Masse volumique 0,60
Le tableau prévoit 0,63 minimum
Propriétés de quelques bois tropicaux courants du marché français :
Densité
minimum à
12%
Densité
maximum
à 12%
Coefficient
de retrait
radial (en %
/ %
d'humidité)
Coefficient
de retrait
tangentiel
(en % / %
d'humidité)
Module
d'élasticité
en flexion à
12% (MPa)
Contrainte de
rupture en
compression
(MPa)
Contrainte
de rupture
en traction
(MPa)
Contrainte
de rupture
en flexion
(MPa)
Acajou
d'Afrique 0,49 0,52 0,13 0,21 9500 47 60 83Azobé 0,95 1,06 0,31 0,4 17400 96 180 227Doussie 0,73 0,83 0,12 0,2 13700 74 120 173Framiré
0,52 0,56 0,11 0,17 9100 43 99Iroko 0,63 0,67 0,16 0,27 11200 57 80 105Moabi 0,77 0,83 0,28 0,38 17000 74 199Movingui 0,69 0,74 0,19 0,3 11800 70 162Niangon 0,67 0,71 0,19 0,35 11500 55 130 144Okoumé 0,43 0,45 0,15 0,23 7800 36 61 87Ramin 0,56 0,67 0,19 0,37 15000 61 110Samba 0,37 0,4 0,1 0,19 6000 30 48 73Sapelli 0,59 0,73 0,22 0,29 11200 62 85 142Sipo 0,59 0,64 0,2 0,24 10700 55 105 127Teck 0,65 0,68 0,14 0,27 11400 70 117 106
Mécanique et eau :
Autocontraintes de séchage
L’eau dans le bois, moteur de
déformation
Déjà vu …
Le bois se rétracte en séchant
L’eau dans le bois, moteur de
contrainte
Pourquoi une rondelle entière
fend
zoom
Radial
Tangentiel
Quelles devraient être les nouvelles longueurs « R », « DR », « R q » , (R+DR) q
après séchage de PSF=30% à H=12%.
DH : variation d’humidité (ici DH = 18%)
aR : coefficient de retrait radial (déformation radiale pour 1% de DH)
aT : coefficient de retrait tangentiel (déformation tangentielle pour 1% de DH)
DR R q
q (R+DR) q
Pourquoi une rondelle entière
fend
zoom
Radial
Tangentiel
Après séchage de DH :
R devient R – aR DH R
DR devient DR – aR DH DR
R q devient (R q) – aT DH (R q)
(R+DR) q devient ((R+DR) q) – aT DH ((R+DR) q)
DR R q
q (R+DR) q
Application : nouveau rayon et le nouveau périmètre (q=2p) d’une rondelle entière ?
Rayon > périmètre /2p , est ce possible ?
R (1 – aR DH) ?
R (1 – aT DH) ?
Les retraits ne s’expriment pas complètement
Rayon intermédiaire R (1 – eR DH) avec aR < eR < aT mais * Tension tangentielle * Compression radiale
La valeur de eR (et des contraintes) dépend des retraits aR et aT
Et aussi des propriétés élastiques du bois dans le plan RT
sR< 0 sT > 0
Il n’y a plus (ou presque plus de contrainte), le rayon devient indépendant du périmètre et les retraits s’expriment entièrement.
Si la tension tangentielle est trop
forte, alors le bois craque
R (1 – aR DH)
R (1 – aT DH)
Dans un problème de séchage,
plus on voit des fentes,
moins il y de contraintes
mais
plus le séchage a généré
des contraintes fortes
que le bois n’a pas pu supporter
quand on ne voit pas de fentes,
il y a peut être de fortes contraintes …
mais pas suffisantes pour faire casser le bois.