Soutenance mémoire
Le matériau bois : généralités
Le bois : matériau naturel
Le bois, étant un matériau naturel, écologique et renouvelable, il dispose de nombreux avantages environnementaux. En effet, ce matériau « bio-sourcé » a un bilan carbone négatif grâce à la réaction de photosynthèse qui permet la fixation du CO2 (contribution majeure à l’effet de serre) et la production d’oxygène (Trouy et al. 2012a). Pour la fabrication d’un mètre cube de bois, un arbre peut fixer environ 1 tonne de CO2, et produire 500 Kg d’oxygène. Qui plus est, si on compare l’énergie nécessaire à la fabrication d’une tonne de bois (1 MJ) avec l’énergie nécessaire à la fabrication d’autres matériaux, le bois est 4 fois moins énergivore que le béton (4 MJ), 60 fois moins que l’acier (60 MJ) et 130 fois moins que l’aluminium (130 MJ) (Auvergne Promobois 2012). L’histogramme de la Figure 1, d’après Leicher et al. (2014), compare l’énergie nécessaire à la production (énergie-procédé) de 3 types de poutres (lamellé-collé (LC), béton et acier) assurant la même portance pour un bâtiment de 50 m². On constate que la poutre LC consomme 1,6 fois moins d’énergie que le béton et 5 fois moins que l’acier.
Ces quelques exemples mettent clairement en évidence l’intérêt de développer l’utilisation du bois en construction. De plus, les politiques publiques incitent de plus en plus les maîtres d’ouvrage à concevoir en intégrant les critères de développement durable. Selon l’article 21-5 de la « loi sur l’air » de décembre 1996, certaines constructions nouvelles doivent comporter une quantité minimale de matériaux en bois avant le 1er janvier 2000. Néanmoins, la mise en œuvre du bois est loin d’être simple car ce matériau présente des caractéristiques variables et des singularités plus ou moins marquées (Plassat 2009). En effet, le bois est à la fois anisotrope, hétérogène et hygroscopique.
Anisotropie et hétérogénéité du bois
Le bois est un tissu végétal assurant à la fois le rôle de conduction de la sève brute des racines jusqu’aux feuilles et le rôle de soutien mécanique de la plante (Trouy et al. 2012a). On peut classer les essences de bois en deux grandes familles :
– Les résineux, qui sont des végétaux plutôt primitifs et qui présentent une organisation relativement simple d’un point de vue botanique (Figure 2). Ils sont principalement composés de trachéides assurant à la fois le transport de la sève brute et la résistance mécanique, mais également de cellules de parenchymes. Ils sont très utilisés en construction en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, de leur faible coût, et de leur grande disponibilité (LMC 2011).
– Les feuillus, qui présentent une structure plus évoluée et plus complexe que les résineux (Figure 3), sont composés de vaisseaux assurant le rôle de transport de la sève brute, de fibres assurant le soutien mécanique, mais aussi de trachéides, et bien d’autres éléments divers. Ils possèdent de très bonnes caractéristiques (dépendant de l’essence) mais leur coût élevé et leur disponibilité plus faible limitent leur utilisation en construction par rapport aux résineux (LMC 2011).
Du fait de la complexité de son anatomie, le bois est parfois considéré comme un matériau composite naturel multi-couches. En observant une coupe transversale d’une grume, on distingue les différentes couches d’un tronc de l’extérieur vers l’intérieur (Figure 4):
– L’écorce, qui assure la protection de la partie vivante de l’arbre des agressions extérieures. On distingue le liège (écorce externe) et le liber (écorce interne).
– Le cambium (assise cambiale), qui crée chaque année une couche de bois appelée « cerne annuel ».
– L’aubier, qui est la partie fonctionnelle du bois où circule la sève brute. Il est très souvent sensible aux attaques d’origine biologique (insectes, champignons…).
– Le duramen ou bois parfait, qui ne contient que des cellules mortes et présente une meilleure durabilité aux attaques d’origine biologique que l’aubier. Par contre, il est à noter que le duramen et l’aubier présentent des propriétés mécaniques très proches car il n’y a quasiment pas de changements structurels lors de la duraminisation (ni d’élimination de cellules, ni de changements dans la forme des cellules). (Jodin 1994; Dirol et al. 2001) .
Possédant une structure cellulaire fortement orientée, le bois est donc considéré comme un matériau anisotrope. On dit plus particulièrement que le bois est orthotrope, à savoir qu’il présente trois directions privilégiées (Figure 5):
– la direction longitudinale, notée L dans le sens des fibres ;
– la direction radiale, notée R et correspondant à la direction de croissance en diamètre ;
– la direction tangentielle, notée T et tangente aux cernes annuels.
Le bois est aussi considéré comme un matériau hétérogène en raison de sa densité irrégulièrement répartie, des singularités de croissance, mais également du fait que les cellules qui le composent sont de nature et de forme différentes. On distingue généralement trois types de défauts principaux du bois liés aux singularités (Jodin 1994) :
– Les nœuds : ils sont dus à la croissance des branches à partir du tronc. Ces nœuds sont des anomalies qui vont générer une déviation du fil du bois. Leur présence peut produire des concentrations de contraintes aux bords des nœuds, et occasionner dans certains cas la rupture du bois (Figure 6). Les nœuds présentent des caractéristiques mécaniques et des densités différentes du reste du bois.
– Les fentes : ce sont des ouvertures étroites sur la surface du bois. Elles peuvent diminuer les caractéristiques mécaniques du bois. Le problème majeur de ces fentes réside dans la création de pièges à eau qui favorisent ensuite le développement fongique (Figure 7 et Figure 8) (LCPC 2008).
– La pente de fil : c’est la déviation de l’orientation du fil du bois par rapport à l’axe longitudinal de la pièce. Cette déviation n’est jamais nulle, et on parle de pente de fil anormale lorsque cette déviation est jugée, à l’œil, trop élevée. Cette inclinaison du fil peut provoquer localement des concentrations de contraintes, et occasionner la rupture du bois (Figure 9).
Facteurs pathologiques et durabilité
Le bois est un matériau organique (contenant du carbone) et donc une source de nourriture pour les espèces vivantes munies des enzymes nécessaires pour le digérer (Dirol et al. 2001). Il est donc susceptible de subir les agressions d’origine biologique venant des champignons et des insectes qui peuvent affecter sa durabilité. Qui plus est, le bois peut également subir des dégradations liées à des facteurs purement « environnementaux ». Dans ce paragraphe, nous allons tout d’abord évoquer ces différents facteurs pathologiques. Puis, nous aborderons les travaux existants à ce jour concernant la caractérisation de la durabilité du bois.
♦ Attaques fongiques
En France, les dégradations fongiques (Figure 10) représentent un risque majeur pour le bois (Dirol et al. 2001; SETRA 2006; LCPC 2008). Les champignons utilisent le bois comme protection et/ou se nourrissent de ses substances de réserve. Leur développement nécessite la présence d’eau, un apport d’oxygène et une source de nourriture (cellulose, lignine). L’humidité (cf. Equation 3, Page 18) requise pour l’apparition des champignons est comprise entre 20% et 80% (Trouy et al. 2012a). Il est donc nécessaire de suivre la variation d’humidité durant la vie des structures pour anticiper ces risques liés à des dégradations fongiques (Koch et al. 2017).
Parmi les champignons xylophages, on distingue deux grands types :
– Les champignons lignicoles, qui se nourrissent uniquement des substances de réserve du bois et n’engendrent que des désordres esthétiques. Ils provoquent une décoloration (bleuissement) et affectent peu les propriétés mécaniques.
– Les champignons lignivores, qui se nourrissent de la totalité du bois et affectent fortement les propriétés mécaniques. Selon le composé dégradé, on distingue trois types de pourritures : les pourritures brunes ou cubiques, les pourritures blanches ou fibreuses et les pourritures molles.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1. Etude bibliographique
1.1. Le matériau bois : généralités
1.1.1. Le bois : matériau naturel
1.1.2. Anisotropie et hétérogénéité du bois
1.1.3. Facteurs pathologiques et durabilité
1.1.4. Comportement hygroscopique du bois
1.1.5. Conclusion
1.2. Utilisation du bois en structures
1.2.1. Les ouvrages d’art en bois
1.2.2. Le bois lamellé-collé
1.2.3. Pathologies des ouvrages d’art en bois
1.2.4. Conclusion
1.3. Mesure de l’humidité du bois
1.3.1. Méthodes électriques
1.3.2. Méthodes ultrasonores
1.3.3. Conclusion
1.4. Suivi de la santé structurale des ouvrages par intégration de capteurs
1.4.1. Généralités du suivi de la santé structurale des ouvrages
1.4.2. Suivi via l’utilisation des méthodes électriques
1.4.3. Suivi via l’utilisation des méthodes ultrasonores
1.4.4. Conclusion
1.5. Synthèse
Chapitre 2. Suivi de l’humidité par mesures électriques
2.1. Etudes préliminaires relatives aux mesures électriques
2.1.1. Identifications des configurations de mesures
2.1.2. Faisabilité des mesures électriques dans le bois
2.1.3. Configuration des appareils de mesure
2.1.4. Conclusion
2.2. Protocoles expérimentaux
2.2.1. Collage des échantillons lamellé-collés
2.2.2. Procédures d’humidification
2.2.3. Traitement des données de mesures
2.2.4. Conclusion
2.3. Suivi de l’humidité par capteurs intégrés
2.3.1. Suivi de l’humidité dans les échantillons simples
2.3.1.1. Evaluation du potentiel des différentes configurations pour le suivi de l’humidité
2.3.1.2. Incertitudes d’estimation de l’humidité
2.3.1.3. Conclusion
2.3.2. Suivi de l’humidité dans les échantillons lamellé-collé
2.3.2.1. Evaluation du potentiel des différentes configurations pour le suivi de l’humidité
2.3.2.2. Incertitudes d’estimation de l’humidité
2.3.2.3. Comparaison entre les échantillons simples et les échantillons lamellécollés
2.3.2.4. Conclusion
2.3.3. Influence de l’espacement des électrodes
2.3.3.1. Influence de l’espacement des électrodes dans les échantillons simples
2.3.3.2. Influence de l’espacement des électrodes dans les échantillons lamellécollés
2.3.3.3. Conclusion
2.3.4. Synthèse
Chapitre 3. Suivi de l’humidité par mesures ultrasonores
3.1. Etudes préliminaires relatives aux mesures ultrasonores
3.1.1. Identification des configurations de mesures
3.1.2. Faisabilité des mesures ultrasonores dans le bois
3.1.3. Configuration des appareils de mesure
3.1.4. Conclusion
3.2. Protocoles expérimentaux
3.2.1. Collage des échantillons lamellé-collés
3.2.2. Procédures d’humidification
3.2.3. Traitement des données de mesures
3.2.4. Conclusion
3.3. Suivi de l’humidité par capteurs intégrés
3.3.1. Influence du changement des conditions de couplage acoustique capteur/bois sur les mesures ultrasonores
3.3.1.1. Influence sur la forme des signaux
3.3.1.2. Influence sur la vitesse ultrasonore
3.3.1.3. Conclusion
3.3.2. Suivi de l’humidité dans les échantillons LC
3.3.2.1. Résultats pour la configuration 5 : Transmission dans la lamelle
3.3.2.2. Configuration 6 : Transmission à l’interface
3.3.2.3. Conclusion
3.3.3. Synthèse
Conclusions
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