EIDGENÖSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE LAUSANNE POLITECNICO FEDERALE DI LOSANNA SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE
ÉCOLE POLYTECH POLYTECH NIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE LAUSANNE LABORATOIRE DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION
TRAVAUX PRATIQUES DE MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION
BOIS 1. IN IN TROD TROD UCTION UCTION Avec l’argile et la pierre, le bois est certainement le plus ancien matériau de construction utilisé par les hommes. Jusqu’à l’apparition des poutrelles en acier, il constituait le seul matériau, disponible dans la construction, capable de supporter des efforts de flexion suffisant pour permettre son emploi dans la réalisation d’éléments de structure horizontaux. En tant que matériau de construction, le bois, constitué de matières organiques, se distingue par les particularités particularités suivantes suivantes : - naturel et biodégradable, il a un bilan énergétique (écologique) (écologique) très favorable, - ses propriétés de résistance mécaniques sont remarquables, - c’est un matériau très sensible à l’eau.
2. OBJE OBJECTIF CTIFS ET ORGAN ORGA N ISATION ISA TION D E LA SEANCE SEAN CE L’accent est surtout porté sur la mise en évidence des propriétés de résistance et de
déformabilité du bois en fonction de: - la teneur en eau, - la différenciation différenciation des espèces, - l'anisotropie. A cet effet les points suivants seront abordés: - Rappel de quelques connaissances de base - Examens d’échantillons -1-
- Mesures de retrait-gonflement - Détermination de la teneur en eau - Détermination de la masse volumique apparente - Résistance à la compression - Résistance à la traction - Résistance à la flexion
3. GÉNÉRALITÉS SUR LE BOIS 3.1 La production du bois La forêt couvre plus du quart de la surface des terres du globe. Environ deux tiers de ces forêts sont suffisamment bien développées pour être considérées comme productives. Cependant, la moitié à peu près de ces forêts productives sont situées dans des zones isolées -montagnes, intérieurs continentaux (Sibérie, Amazonie), contrées très chaudes ou très froides, etc.- et sont classifiées comme inaccessibles. Finalement, un peu plus d’un tiers des forêts sont considérées accessibles et productives, réparties pour un tiers des forêts de conifères et deux tiers d’essences feuillues. 100
100
66
80 60
33
40
0
22 T o t a l
0
20
0
A c c e s s i b l e F s e u i l l u s
11
0
s t ê r o F
C ô n i f è r e s
s e v i t c u d o r p
-2-
Production mondiale de bois en 1994 (source FA O)
Monde
Pays développés
Pays en développement
million m3
million m3
million m3
Production d'énergie
1891
191
1700
Bois industriel total
656
1687
-1028
Production totale
2547
1878
672
Répartition de la production du bois industriel Bois rond industriel
1467
1051
417
Bois débité
413
303
110
Contre-plaqués et panneaux de fibres
127
92
36
Ameublement
271
219
52
Papiers et cartons
269
213
57
2547
1878
672
Total
60 e 50 l a t o t e l a 40 i d n o m n 30 o i t c u d o r 20 p a l e d %10
0
14.9
Pays développés Pays en développement
40.5 40.2
4.5 Production Bois industriel d'énergie total
-3-
La production mondiale de bois se situait en 1994 à environ 4169 millions de m 3; 1891 millions sont utilisés sous forme d’énergie et 2278 millions comme matière première pour l’industrie.
3.2 Facteurs conditionn ant la croissance des espèces La répartition des espèces sur la surface du globe est conditionnée par le climat principalement.
Séquence d' apparition des espèces en relation avec le climat
Les principaux facteurs qui influent sur la croissance des essences sont les suivants: 3.2.1 La lumière
Elle conditionne la fonction d’assimilation de la plante. CO2 + H 2
→
Lumière Chlorophylle
→
photosynthèse
3.2.2 La températu re
Elle conditionne la croissance de l’arbre.
-4-
sucre, amidon
⇒
Besoin en chaleur arole pin de montagne mélèze épicéa bouleau etc.
sapin hêtre frêne tilleul érable etc.
chêne châtaignier orme etc.
Certaines essences sont sensibles au gel : châtaignier, frêne, chêne, noyer, sapin. 3.2.3 L’hydrologie
Le besoin en eau peut également fournir une échelle de classement. Besoin en eau pin érable
chêne bouleau hêtre mélèze
aulne frêne saule orme
3.2.4 La pédologie
Les propriétés physico-chimiques du sol ont une grande importance et leur influence sur la croissance des essences est essentielle. Parmi les éléments caractéristiques, on peut citer : - la profondeur du sol meuble (profondeur des racines) - La porosité du sol - Les propriétés chimiques ( degré d’acidité, sols siliceux ou calcaires) - La capacité calorifique du sol - L’activité biologique (présence de vers, bactéries, etc.) 3.2.5 La topographie
Elle conditionne les éléments cités ci-dessus et peut altérer plus ou moins les conditions climatiques (lumière, pluviosité, vent, hydrologie). 3.2.6 Influence réciproque des végétaux
Une concurrence peut s’établir entre des espèces différentes ayant pour conséquence de favoriser une espèce par rapport à l’autre ou au contraire, de permettre la protection d’une espèce par l’autre (vent, lumière, etc.). -5-
3.2.7 Influ ence des anim aux
Cette influence peut être traduite par la modification de la nature biologique du sol (apport de matière azotée). Cette action peut être positive ou négative (protection des bois contre les parasites, jeunes pousses mangées par certains animaux). 3.2.8 Influence de l’homme
Elle se manifeste par son action lors de l’exploitation de la forêt : - mode d’exploitation (coupe rase), défrichement inconsidéré - hybridation des espèces - pollution : fluor, pluie acide
3.3 Les essences Classification botanique : CRYPTOGAMES
PHANEROGAMES
sans fleurs
avec fleurs
fougères et champignons
toutes les autres espèces
PHANEROGAMES ANGIOSPERMES
GYMNOSPERMES
(ovaire) MONOCOTYLEDONE
DICOTYLEDONE
(ovule à nu) CONIFERES
chêne rouvre chêne liège hêtre orme frêne châtaignier noyer acacia
mélèze cèdre épicéa pin sapin arole genévrier pitchpin
palmiers bambous
TAXACEES GNETACEES CYCADEES
if
éphédra
3.4 Les essences utilisées dans la construction a) Les essences résineuses (80% de l’utilisation) SAPIN ( Jura, Alpes, Vosges, alt. 500-1000m )
Bois blanc, à bois d’été épais formant des veines rougeâtres bien visibles. Pas d’odeur résineuse, sans canaux résinifères. -6-
cycas
EPICEA ( Jura, Alpes, Vosges )
Bois blanc à éclat lustré. Aubier non distinct. Odeur résineuse. Canaux peu nombreux. MELEZE ( Alpes, en altitude )
Bois de coeur rouge saumon. Aubier mince. Accroissement plutôt serré. PIN ( Alpes, méridionales, Pyrénées, Landes, Corse)
Bois de coeur rouge plus au moins foncé. Aubier épais et distinct. Canaux nombreux et apparents. Présente souvent une odeur de térébenthine. Ni vaisseaux, ni rayons médullaires visibles. b) Les essences feuillues ( 20% de l’utilisation) CHENE (plateau Suisse, France, alt. max. 1000-1200 m. )
La couche annuelle comprend : une zone interne (zone poreuse) parsemée d’orifices de vaisseaux, et une zone externe (bois d’été) dure et homogène où l’on aperçoit les vaisseaux groupés en petites lignes blanchâtres. Zones poreuses très marquée ( bois brun ). Rayons médullaires de plusieurs tailles fins ou larges, très visibles. HETRE (Plateau Suisse, préalpes)
Pas de zones poreuses à l’intérieure de la couche annuelle. Le bois de printemps et d’été ont le même aspect. Aucun vaisseau visible à l’oeil nu. Bois rougeâtre. Rayon nombreux, irrégulièrement répartis. Maillure caractéristique, radiale ou tangentielle, bien marquée. c) Les bois exotiques
De nombreux bois exotiques sont utilisés dans la construction, en particulier en menuiserie: ACAJOU , IROHO, LIMBA, S IPO .
-7-
3.5 La formation du bois Le bois n’est que le squelette des plantes de la catégorie des végétaux supérieurs. Une plante est généralement formée de racines, d’une tige et de feuilles. L’arbre ne diffère des autres plantes que par l’échelle de son développement. Schématiquement, l’arbre est formé de trois parties essentielles : les racines, le tronc et la couronne, chacune d’elles assurant une fonction organique nécessaire à la vie de la plante. Les racines absorbent l’eau et les sels minéraux dissolus du sol (sève brute) qui sont convoyés par le tronc et les branches jusqu’aux feuilles. La fonction de celles-ci est d’absorber le gaz carbonique de l’atmosphère qui, combiné avec l’eau apportée par les racines, forme des sucres simples (glucoses) par le processus de la photosynthèse. La chlorophylle contenue dans les cellules des parties vertes de la plante joue le rôle de catalyseur du processus de cette transformation. Les sucres ainsi formés, qu’on nomme sève élaborée, retournent dans les branches, le tronc et les racines afin de fournir l’énergie et la nourriture aux cellules individuelles qui assurent la croissance de la plante. Une partie de cette sève élaborée sera stockée par certains tissus de la plante comme source d’énergie en réserve qui pourra être utilisée par les cellules lorsque la production des sucres sera stoppée pendant la nuit par exemple ou durant les mois d’hiver pour les arbres à feuilles caduques. Dans nos climats, la production du bois manifeste une périodicité. Les conifères et les essences feuillues produisent, au printemps, des éléments à parois minces : c’est les bois de printemps. Plus tard, un tissu plus dense se forme, la paroi des cellules s’épaissit et l’espace vide se réduit : on a affaire au bois d’été. Vers fin août début décembre, la formation du bois cesse et repose jusqu’au printemps suivant. Les anneaux d’accroissement annuels sont très visibles sur les sections transversales du bois des conifères et des feuillues à zone poreuses ; ils sont moins apparents chez les feuillus à pores diffus. Le tissu principal du bois est le tissu de soutien ; il se compose de cellules allongées, fusiformes, qui courent parallèlement à l’axe de croissance de l’arbre et donne aux bois sa structure fibreuse. Ces tissus et leurs cellules diffèrent qualitativement d’une essence à l’autre et constituent cette variété de structures qui caractérise le bois.
-8-
4. INFLUENCE DE LA TENEUR EN EAU 4.1 Caractéristiques hygroscopique s du bois La quantité d’eau que contient le bois s’exprime en pour-cent par rapport au poids de ce bois à l’état absolument sec, soit 0% ou l’état anhydre. La concordance entre l’humidité relative et la quantité d’eau contenue dans le bois représente une moyenne et est valable pour des températures normales de 10 à 30°C dont les variations n’ont que peu d'influence sur la teneur en eau elle-même. Il en résulte que le bois doit avoir ou tend à avoir un certain pourcentage d’eau, suivant sont utilisation, résumée au tableau ci-dessous.
Teneur en eau
Correspond au bois
Lieux d’utilisation
Moins de 6 %
Fortement conditionné
Conditions extrêmes des locaux fermés et fortement chauffés
6 à 11 %
Conditionné
Locaux normalement chauffés
11 à 13 %
Séché sous couvert
Locaux bien aérés, peu chauffés
13 à 16 %
Séchage normal
Lieux couverts non chauffés
16 à 18 %
Séchage en mauvaise sai
Lieux ouverts
20 à 24%
En cours de séchage
Lieux humides, d’aération insuffisante. Risques de pourriture !
Plus de 30 %
Frais d’abattage
Dans l’eau
Equilibre hygroscopique du bois
4.2 Gonflement et retrait Lorsque son taux d’humidité augmente, le bois gonfle, lorsqu’il diminue, il se rétracte. Cela n’est cependant valable qu’entre l’état anhydre (w= 0%) et le point de saturation des fibres (w 30%). Au-dessus de ce point, il n’y a pratiquement aucune variation di≈
mensionnelle. Pour les bois indigènes, ces variations dimensionnelles sont les plus fortes dans le plan tangentielle. Elles sont à moitié moins fortes dans le plan radial, et très faibles, souvent pratiquement négligeables, dans le plan axial.
-9-
Epicéa/sapin
Hêtre/chêne
(r 0 = 0,40 g/cm3)
(r 0 = 0,65 g/cm3)
Plan tangentiel
λt = 0,24 %
λt = 0,39 %
Plan radial
λr = 0,12 %
λr = 0,19 %
Plan axial
λl = 0,005 %
λl = 0,01 %
En volume
λv = 0,37 %
λv = 0,59 %
Direction
(=λt + λr + λl)
(=λt + λr + λl)
V ariations dimensionnelles provoquées par les changement s d’humidité. Retrait spécifique (retrait pour une variation de 1% du degré d’humidité ), SIA 164
4.3 Teneur en eau, résistances mécaniques et module d’élasticité L’augmentation de la teneur en eau provoque en général jusqu’à la saturation des fi bres, une diminution importante de la résistance. A partir de 30% de teneur en eau, la résistance et le module E restent pratiquement constants. L’influence de la teneur en eau sur le module E est nettement moins grande que sur la résistance. Le bois vert et les pièces de bois mouillé (cintres, échafaudages) présentent donc une résistance plus faible que le bois sec à l’air.
4.4 Détermination de la teneur en eau La teneur en eau du bois est le rapport entre la masse de l’eau et la masse du bois à l’état sec :
M w− M 0 w(%)= M 0
×
100
où M o est le poids du bois sec et M w le poids du bois humide. La mesure de l’humidité peut se faire de différentes façons dont quelques-unes font appel à des méthodes compliquées d’analyse (distillation, titration, irradiation radioactive). Nous nous limitons aux deux méthodes suivantes les plus aisées à réaliser.
-10-
4.4.1 Mesure d’humidit é par mét hode électrique
Les appareils de cette espèce mesurent la résistance électrique des bois, extrêmement variable en fonction de l’eau qu’ils contiennent. Ces instruments rendent de grands services, car ils permettent de mesurer rapidement et à de nombreux endroits, grâce à des électrodes à planter ou à appliquer, l’humidité des bois. La précision est assez bonne, spécialement entre 6 et 35%. Cette méthode ne peut pas être adoptée pour la réception des bois qu’avec l’assentiment du maître de l’oeuvre et à la condition de contrôler régulièrement l’appareil par la méthode du séchage. Le système et le numéro de l’appareil doivent être indiqués dans le procès-verbal.
4.4.2 Mesure d’humidit é par séchage
Elle donne des résultats précis et consiste à peser un échantillon dans le bois à mesurer, M w , puis à le sécher complètement dans une étuve convenablement aérée et chauffée à 103°C. Après un temps de séchage suffisant, par une nouvelle pesée, on connaît le poids à sec, M o , ainsi que la perte subie.
4.5
Détermination de la masse volumique (densité) et de la porosité
4.5.1 Masse volumique
La masse volumique du bois ne peut pas s’énoncer aussi rigoureusement que celle d’autres matériaux. Cela provient d’une part des fortes différences de texture non seulement entre des plantes de différentes espèces mais aussi entre les différentes régions d’une même plante, et, d’autre part, de la quantité d’eau contenue dans le bois. Notons que la matière constitutive du bois a une masse volumique de 1,5 g/cm 3. Celle-ci est pratiquement constante quelle que soit l’essence. C’est donc de la grande variété du mélange de cellulose, air, eau, que proviennent les différences de poids, souvent considérables, entre les bois. On a coutume à distinguer : • la masse volumique à 0%, bois anhydre • la masse volumique à 15%, bois sec à l’air • la masse volumique à l’état vert, bois frais
-11-
4.5.2 M asse volumique à sec
On désigne par densité à sec ρ 0 , la masse de bois absolument sec , par unité de volume : M 0 3 ρ 0= kg/ m V 0
M 0 : masse à l’état sec, en kg V 0 : volume à l’état sec, pour une teneur en eau w = 0%, en m 3
La densité à sec est déterminée sur des échantillons sans noeuds et sans défauts. Les échantillons sont séchés à une température de 105±2°C jusqu’à l’obtention du poids constant.
4.5.3 Masse volumique à l’état humide
Par analogie à la densité à sec, la densité à l’état humide se rapporte à la masse et au volume d’un bois présentant une teneur en eau w:
M w 3 ρ w= kg/ m V w
4.5.4 Porosité
Le volume des pores en % d’un bois parfaitement anhydre se détermine comme suit :
c = 1−
ρ 0
ρ0 γs
×
100
= masse volumique anhydre (g/cm3)
γs = masse spécifique de la matière ligneuse sans pores 1,5 g/cm3
-12-
Masse volumique anhydre moyenne Essence
Volume approximatif des pores
c
ρ 0
[g/cm3 ]
[%]
Balsa
0.1
94
Epicéa
0.4
75
Hêtre
0.65
58
Amourette
1.3
17
V olume moyen des pores de quelques essences
5. RESISTAN CES ET D EFORMABILITE Les valeurs de la résistance sont en général déterminées au moyen d’échantillons de faibles dimensions, façonnés avec soin et sans défaut. Les valeurs obtenues sont donc optimales. Les charges de rupture effectives sont souvent inférieures à celles déterminées en la boratoire. Cela est dû principalement aux défauts ou irrégularités de croissance. La forme et la grandeur des échantillons jouent également un rôle important. Plus, la section est grande, plus la probabilité de rencontrer un défaut augmente et plus la résistance a de chance de diminuer. Les facteurs influençant la résistance sont les suivants : - l’essence du bois - la texture (proportion de bois d’été et de printemps) - sa teneur en eau - sa densité - l’orientation des fibres par rapport à la direction de l’effort
Rapport - décrire brièvement le travail effectué; - rapporter toutes les mesures faites au cours du TP; - présenter les résultats par des graphiques en mettant en évidence, par exemple, la résistance en fonction de divers paramètres; - discuter les résultats. -13-
Annexe 1
Tableau 1: Mesures de gonflement et de retrait Direction longitudinale Gonflement Mesure à l'état sec
[mm]
Mesure à l'état humide
[mm]
∆L ∆L/L
[mm] %
Retrait Mesure à l'état humide
[mm]
Mesure à l'état sec
[mm]
∆L ∆L/L
[mm] %
Longueur des éprouvettes: ..........................mm
Remarques et observations:
radiale
tangentielle
Ann exe 2
Tableau 2: Teneur en eau, masse volumique et résistance du bois (dimension des échantillons 5x5x15 cm) Masse volumique Ech. n°
Essence
0
ds l'eau
1 2 3 4
Conservation % HR
n i p a S x u e n i s é R
70 90 0
n i P
5
0
70
6
90
7
0 e r t ê H
8 9 10 11 12
s u l l i u e F
70 90 0
e n ê r F
70 90
Masse à sec [g]
Masse Humide [g]
Eau
G 0
G w
W
[g]
Masse volumique
Teneur en eau
W % =
G w –G 0 G 0
×
100
Volume [cm3]
Masse volumique [g/cm3]
Résistance à la compression // Section [mm2]
Charge de rupture [kN]
Résistance [N/mm2]
Ann exe 3
Tableau 3: Résistance perpendiculaire aux fibres (cubes 5x5 x5 cm) Ech. n°
Essence
Conservation [% HR]
Section [mm2]
Charge de rupture kN
Résistance
Charge de rupture [kN]
Résistance
[N/mm2]
Tableau 4: Résistance à la traction Ech. n°
Essence
Conservation [% HR]
Section [mm2]
[N/mm2]
Ann exe 4
Module d'élasticité et résistance à la flexion
Système statiqu e
M = Pl 46 bh 3 Inertie: I = 12 Contrainte à l'arête: σ = M ⋅ y I Pl 3 Flèche: f = 48 EI Pl 3 Module E : E = 1 f 48 I Moment :
P
45
45
×
M
Section: 8 cm
6 cm
Heure
∆T
[min]
Charge [kN]
Contrainte [N/mm2]
Lecture [mm]
∆L
[mm]
Module d'élasticité [N/mm2]
Remarques
