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.